Âm thanh là một dao động được truyền từ phân tử này sang phân tử bên cạnh trong không khí, trong nước hay trong chất rắn, giống một làn sóng chen lấn đi qua đám đông. Ngoài vũ trụ, khoảng không giữa các hành tinh gần như trống rỗng, không có phân tử nào để chuyền dao động, nên dù có một vụ nổ lớn tới đâu cũng không có tiếng nào truyền đi được.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Phim khoa học viễn tưởng hay cho tàu vũ trụ nổ ầm ầm, nhưng vật lý nói rằng ngoài kia im lặng tuyệt đối. Mở đầu chuỗi tập về âm thanh, mình kể từ chiếc trống đồng rung lên cho tới chuyện người xưa áp tai xuống đất nghe tiếng vó ngựa từ xa.
Âm thanh là gì, nhìn bằng một chiếc trống
Rắc vài hạt gạo lên mặt trống rồi gõ, bạn sẽ thấy hạt gạo nảy lên. Mặt trống đang rung, đẩy lên rồi kéo xuống rất nhanh. Mỗi lần mặt trống đẩy lên, nó ép lớp không khí sát nó dồn lại. Mỗi lần kéo xuống, nó để lại một vùng không khí loãng ra.
Lớp không khí bị ép lại đẩy vào lớp bên cạnh, lớp bên cạnh đẩy lớp tiếp theo. Cứ như vậy, một chuỗi vùng nén và vùng giãn nối đuôi nhau lan ra từ chiếc trống. Bản thân từng phân tử không khí chỉ dao động qua lại tại chỗ, thứ đi xa là cái nhịp nén giãn.
Khi chuỗi nén giãn ấy tới tai bạn, nó làm màng nhĩ rung theo đúng nhịp của mặt trống. Tai trong biến rung động thành tín hiệu thần kinh, và não nghe thấy tiếng tùng.
Kiểu sóng mà phân tử dao động dọc theo hướng sóng đi được gọi là sóng dọc. Âm thanh trong không khí là sóng dọc, khác với gợn sóng trên mặt ao, nơi nước nhấp nhô lên xuống vuông góc với hướng gợn sóng lan đi.
Vì sao ngoài vũ trụ không có tiếng?
Âm thanh cần một môi trường vật chất để truyền: chất khí, chất lỏng hay chất rắn. Không có phân tử thì không có ai để đẩy ai, chuỗi nén giãn không hình thành.
Khoảng không giữa các hành tinh không phải chân không tuyệt đối, nhưng loãng tới mức các phân tử cách nhau rất xa, gần như không va vào nhau. Âm thanh nghe được không truyền đi được trong môi trường đó.
Thí nghiệm kinh điển ở phòng thí nghiệm là đặt một chiếc chuông điện trong bình thuỷ tinh rồi hút dần không khí ra. Chuông vẫn rung, búa chuông vẫn đập, nhưng tiếng nhỏ dần rồi gần như tắt hẳn. Cho không khí vào lại, tiếng chuông trở về.
Phi hành gia làm việc bên ngoài trạm vũ trụ nói chuyện với nhau bằng sóng vô tuyến, thứ là sóng điện từ, không cần không khí. Nếu hai mũ phi hành gia chạm vào nhau, họ có thể nghe được tiếng nhau qua lớp vỏ mũ, vì lúc đó âm thanh đi qua chất rắn.
Âm thanh đi nhanh cỡ nào, và vì sao trong nước nhanh hơn?
Trong không khí ở nhiệt độ phòng, âm thanh đi khoảng ba trăm bốn mươi mét mỗi giây, tức khoảng một cây số trong ba giây. Nhanh hơn xe cộ rất nhiều, nhưng chậm hơn ánh sáng rất rất nhiều. Đó là lý do bạn thấy pháo hoa nổ trước rồi mới nghe tiếng bùm.
Trong nước, âm thanh đi nhanh gấp khoảng bốn lần so với trong không khí. Trong thép còn nhanh hơn nữa. Nghe thì ngược, vì nước và thép nặng hơn không khí, nhưng điều quyết định là độ cứng: các phân tử trong chất lỏng và chất rắn liên kết chặt, một phân tử bị đẩy thì truyền lực sang bên cạnh gần như ngay lập tức.
Không khí nóng thì âm thanh đi nhanh hơn không khí lạnh một chút, vì các phân tử chuyển động nhanh hơn. Trưa hè ở Sài Gòn âm thanh đi nhanh hơn sáng mùa đông ở Hà Nội một chút, dù tai thường không nhận ra.
Cá voi và cá heo giao tiếp với nhau qua những khoảng cách rất xa dưới biển một phần nhờ âm thanh đi tốt trong nước. Tàu thuyền dùng máy dò bằng âm thanh để đo độ sâu và tìm đàn cá cũng dựa vào điều này.
Áp tai xuống đất, nghe tàu tới qua đường ray
Trong phim xưa hay có cảnh người áp tai xuống đất để nghe tiếng vó ngựa ở xa. Điều đó có cơ sở. Đất cứng và đá truyền âm tốt hơn không khí, ít bị tán ra và hấp thụ, nên những rung động trầm từ xa có thể đến tai qua mặt đất rõ hơn qua không khí.
Đường ray sắt còn truyền âm tốt hơn. Trẻ con ở các làng ven đường tàu từng áp tai vào ray để nghe tàu từ xa. Đây là việc cực kỳ nguy hiểm và tuyệt đối không được làm. Tàu hoả chạy nhanh, không phanh kịp, và khi bạn nghe được tiếng qua ray thì nhiều khi tàu đã ở gần hơn bạn nghĩ.
Bác sĩ dùng ống nghe cũng lợi dụng chuyện truyền âm qua vật rắn và qua cột không khí kín: âm thanh từ tim phổi đi qua lồng ngực tới mặt ống nghe, rồi được dẫn trong ống tới tai bác sĩ mà không bị tản đi.
Ở nhà, bạn để ý sẽ thấy tiếng khoan tường của nhà hàng xóm truyền qua kết cấu bê tông rõ hơn nhiều so với tiếng người nói. Âm truyền qua vật rắn là thứ khó cách âm nhất.
Tần số, cao độ và những âm thanh tai người không nghe được
Mặt trống rung nhanh hay chậm quyết định tiếng trầm hay bổng. Số lần rung mỗi giây gọi là tần số, đo bằng héc. Rung nhanh, tần số cao, tiếng bổng. Rung chậm, tần số thấp, tiếng trầm.
Tai người trẻ khoẻ nghe được khoảng từ hai mươi héc tới hai mươi nghìn héc. Càng lớn tuổi, khả năng nghe tần số cao càng giảm. Âm dưới ngưỡng thấp gọi là hạ âm, trên ngưỡng cao gọi là siêu âm.
Voi giao tiếp bằng hạ âm có thể truyền rất xa. Dơi và cá heo dùng siêu âm để định vị con mồi trong bóng tối hay nước đục. Máy siêu âm ở bệnh viện cũng dùng loại sóng này, mình sẽ kể ở một tập riêng.
Câu hỏi để bạn mang theo: khi chiếc xe cứu thương hú còi chạy vụt qua, tiếng còi đột ngột trầm xuống. Chiếc còi không hề đổi cách kêu, vậy thứ gì đã thay đổi trên đường âm thanh đi tới tai bạn?
Câu hỏi thường gặp
Âm thanh có đi được trong chân không không?
Không. Âm thanh là dao động của các phân tử vật chất, nên cần một môi trường như không khí, nước hay chất rắn để truyền. Trong chân không, không có phân tử để chuyền dao động đi.
Vì sao thấy chớp trước rồi mới nghe tiếng?
Ánh sáng đi nhanh hơn âm thanh rất nhiều lần, nên hình ảnh tới mắt gần như ngay lập tức còn tiếng cần thêm thời gian. Mỗi ba giây chênh lệch tương ứng khoảng một cây số khoảng cách.
Dưới nước có nghe được tiếng người nói trên bờ không?
Rất khó, vì phần lớn âm thanh bị phản xạ lại ở mặt nước khi đi từ không khí vào nước. Ngược lại, tiếng gõ vào thành bể bơi dưới nước thì nghe rất rõ.
Tiếng vang là gì?
Tiếng vang là âm thanh phản xạ lại từ một bề mặt như vách núi, bức tường lớn rồi quay về tai sau tiếng gốc. Khi khoảng cách đủ xa để hai tiếng cách nhau rõ, ta nghe thấy tiếng vọng lại.
Vì sao phòng trống nghe vang hơn phòng có đồ đạc?
Tường, sàn, trần cứng và nhẵn phản xạ âm thanh nhiều lần. Rèm, thảm, sofa và sách vở hấp thụ và tán âm thanh đi, nên phòng có nhiều đồ mềm nghe ấm và ít vang hơn.
