Bài thực hành đo tốc độ truyền âm trong không khí

Bài thực hành số 8
ĐO TỐC ĐỘ TRUYỀN ÂM TRONG KHÔNG KHÍ
I. Mục tiêu
- Thông qua bài thực hành học sinh nắm được tính chất của nguồn âm,
sự truyền sóng âm trong không khí và hiện tượng tổng hợp sóng âm trong
cột không khí.
- Rèn luyện kĩ năng thực hành, phương pháp làm giảm sai số chủ quan
trong khi xác định các giá trị của phép đo.
II. Cơ sở lí thuyết
Âm thanh là dao động cơ, được đặc trưng bởi các đại lượng:
- Tần số biến thiên trong khoảng 16Hz đến 20.000Hz, đại lượng này
đặc trưng cho độ cao của âm. Tần số thấp tương ứng với âm trầm, tần số cao
tương ứng với âm bổng. Dưới 16Hz người ta gọi là hạ âm (hay đê âm), trên
20.000Hz người ta gọi là siêu âm.
- Cường độ của tín hiệu sẽ gây ra cảm giác âm tương ứng với độ to.
Cường độ của tín hiệu mô tả trên đồ thị, chính là biên độ của dao động.
Cường độ âm chuẩn được chọn với tần số 1000Hz, gọi là I 0. Cường độ âm
chuẩn gây nên độ to âm chuẩn, để so sánh độ to của một âm với độ to của
âm chuẩn, người ta dùng mức cường độ âm đo bằng Ben (kí hiệu là B) và
được tính theo công thức:
L(B) = lg(I/I0), nhưng thông thường người ta tính theo dB với 1dB =
0,1B. Vì tai người thường chỉ có khả năng phân biệt hai cường độ âm khác
nhau ít nhất 1dB. Công thức thường dùng sẽ là L(dB) = 10 lg(I/I 0). Cường
độ âm càng lớn thì gây cảm giác độ to càng lớn. Tuy nhiên quan hệ này
không tỷ lệ thuận, đồng thời cảm giác âm còn có ngưỡng nghe và ngưỡng
đau (trong khoảng 20dB đến 130 dB). Tiếng nói trung bình có độ to khoảng
40dB.
Về độ to mà tai người cảm nhận được không chỉ phụ thuộc vào cường
độ âm mà còn phụ thuộc vào tần số âm.
- Số lượng hài của tín hiệu đặc trưng cho âm sắc. Đặc tính này có thể
hiểu, với một tín hiệu âm thanh bất kì có thể phân tích tín hiệu đó thành các

tín hiệu có dạng hình sin với biên độ và tần số khác nhau theo quy luật nhất
định. Thành phần tín hiệu phân tích được gọi là hài của tín hiệu (số hài trong
âm thanh được gọi là họa âm), số lượng hài phụ thuộc vào tính bất kì của tín
hiệu âm thanh. Có thể thí dụ, hai người nói có độ to và độ cao như nhau,


nhưng vẫn phân biệt được tiếng của người này với người kia là do họa âm
của hai âm thanh đó là khác nhau.
Ngoài ra âm thanh còn được đặc trưng bởi các đại lượng liên quan đến
sự truyền âm, hiện tượng cộng hưởng âm. Khi truyền âm trong một môi
trường nào đó, nếu sóng âm bị phản xạ trở lại, thì chúng có thể kết hợp với
nhau và tạo nên hiện tượng sóng dừng. Khi đó, ta có thể tìm ra những vị trí
tương ứng với bụng sóng hay nút sóng. Do mối quan hệ giữa vận tốc truyền
sóng với bước sóng và tần số âm, nên người ta có thể xác định một đại lượng
nào đó khi biết hai đại lượng kia. Chẳng hạn để xác định vận tốc của âm
thanh truyền trong môi trường nào đó, ta có thể sử dụng hệ thức:
λ/2
A
L
λ
v=

λ
hoặc v = λf
T

Khảo sát hiện tượng sóng dừng trong một ống hình trụ

9λ/4

7λ/4

5λ/4

3λ/4

λ/4

Nguồn âm là một âm thoa được đặt trước miệng ống, phía đầu kia là
pit-tông có thể di chuyển được để thay đổi độ dài của cột không khí. Sóng
âm từ âm thoa được giao thoa với sóng phản xạ tạo thành sóng đứng có nút
và bụng xen kẽ nhau. Khi chiều dài của cột không khí trong ống có giá trị
λ/4, 3λ/4, 5λ/4, 7λ/4, 9λ/4…thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng và ta nghe
được to nhất. Khoảng cách giữa các nút hay các bụng là λ/2, ở miệng ống là
bụng sóng còn tại pit-tông là nút sóng. Khi xác định được f và λ, ta sẽ tính
được vận tốc truyền sóng âm trong cột không khí.
III. Dụng cụ thí nghiệm


Dụng cụ gồm:

- Máy phát tần số, có thể điều chỉnh biên độ (0 - 6V) và tần số 0,1 1000Hz.
- Giá có ống thuỷ tinh.
- Pit-tông có dây kéo.
- Loa điện.
- Bộ âm thoa 440Hz và 520Hz và búa cao su.
- Khớp nối đỡ loa hoặc âm thoa.
- Dây nối.
IV. Các bước tiến hành thí nghiệm
1. Lắp ráp hệ thống thí nghiệm lên đế 3 chân, dùng khớp nối gắn loa

điện động để cho miệng loa gần sát miệng ống thủy tinh.
Nối loa với máy phát tần số, chọn tần số 500Hz, dùng dây kéo pittông
di chuyển trong ống thuỷ tinh, cho đến lúc âm thanh nghe được to nhất. Xác
định vị trí âm thanh nghe được là lớn nhất, sau đó kéo pittông tiếp tục và tìm
xem vị trí khác cũng nghe được âm thanh lớn nhất. Khoảng cách của hai vị
trí liền nhau nghe được to nhất là khoảng cách của hai bụng sóng.


Thực hiện với các tần số khác nhau của âm thanh và xác định lại
khoảng cách giữa hai vị trí nghe to nhất.

Bảng số liệu có mẫu như sau
f

Vị trí 1

Vị trí 1

Vị trí 1

Vị trí 2

Vị trí 2

Vị trí 2

Lần 1

Lần 2

Lần 3

Lần 1

Lần 2

Lần 3

500Hz
600Hz
440Hz
520Hz
Với số liệu thu được hãy tính vận tốc theo công thức v = λ.f (m/s), hãy
so sánh với vận tốc theo lí thuyết. Kết quả có thể chênh lệch vì giá trị xác
định phụ thuộc vào yếu tố chủ quan của người đo. Âm thanh nghe to nhất


khi cộng hưởng rất khó xác định chính xác, vì vậy hãy cho pit-tông di
chuyển qua lại quanh vị trí nghe to nhất để tìm vị trí đúng.
2. Thực hiện tương tự đối với các âm thoa, bằng cách thay vị trí của
loa bởi âm thoa (hai nhánh âm thoa cùng nằm dọc theo trục của ống thuỷ
tinh). Dùng búa gõ nhẹ và chính xác lên nhánh của âm thoa, thực hiện kéo
pittông để âm thanh nghe rõ và to nhất, đánh dấu vị trí thứ nhất. Sau đó kéo
tiếp píttông đến vị trí khác để nghe âm to nhất và đánh dấu vị trí thứ hai. Các
số đo được ghi vào bảng số liệu theo bảng trên.
3. Dựa vào bảng số liệu, tính λ và tính vận tốc tương ứng với các tần
số của nguồn âm, điền kết quả tính được vào bảng.
V. Một số điểm cần lưu ý
- Với âm thoa khi gõ xong nó sẽ tắt dần âm, nếu di chuyển pit-tông
không kịp thời thì không còn nghe được âm to nhất nữa. Vì vậy nên ước

lượng khoảng vị trí mà ta cần di chuyển pit-tông để thực hiện xác định âm
thanh cộng hưởng.
- Bố trí miệng loa cách miệng ống thuỷ tinh khoảng vài mm là vừa,
mếu để sát quá sẽ làm cho áp suất trong ống khác với áp suất ngoài ống khi
pit-tông di chuyển, và do vậy kết quả không được chính xác.
- Đối với âm thoa, khi thực hiện xác định vị trí nghe to nhất, cần gõ
vào âm thoa liên tục để tránh âm thanh bị giảm cường độ do dao động tắt
dần tương đối nhanh.
- Cần lưu ý giữ dây của pittông, tránh buông tay làm pittông rơi xuống
có thể gây hỏng loa.
VI. Câu hỏi mở rộng
1. Vì sao âm thoa có hai nhánh theo dạng chữ U? nếu bỏ đi một nhánh
có được không?
2. Vì sao cách gõ âm thoa, hướng của búa gõ cần theo hướng nối hai
nhánh của âm thoa mà không theo hướng vuông góc với hướng đó?
3. Giải thích vì sao kết quả tính vận tốc truyền âm với nguồn âm là âm
thoa thường bé hơn vận tốc với nguồn âm là hộp loa?
4. Chọn tần số âm nào để dễ thực hiện thí nghiệm trong nội dung này?
5. Chọn cường độ âm lớn hay nhỏ thì dễ xác định âm thanh nghe to
nhất khi cộng hưởng?
6. Đề xuất phương án cải tiến bộ dụng cụ thí nghiệm này?


VII. Báo cáo thực hành
THỰC HÀNH ĐO TỐC ĐỘ TRUYỀN ÂM TRONG KHÔNG KHÍ
Họ
tên:................................................Lớp:..............Nhóm:....................
Ngày
làm
hành:....................................................................................

và
thực

Viết báo cáo theo các nội dung sau:
- Tóm tắt lí thuyết:
o Sóng dừng và điều kiện có sóng dừng.
o Sự hình thành sóng dừng của âm thanh trong một ống hình
trụ.
o Biểu thức tính vận tốc truyền âm thông qua tần số âm và
bước sóng.
- Chuẩn bị dụng cụ và lắp ráp bài thí nghiệm
o Thứ tự lắp ráp thiết bị thí nghiệm lên giá
o Cách kiểm tra loa điện động
o Nêu cách gõ âm thoa để âm phát ra rõ nhất.
o Động tác kéo pittông khi phát hiện vị trí có âm thanh có thể
to nhất.
- Bảng số liệu thực hành và số liệu tính toán được cùng với sai số của
nó.
f

Vị trí 1

Vị trí 1

Vị trí 1

Vị trí 2

Vị trí 2

Vị trí 2

Khoảng cách

λ

v =λ.f

Lần 1

Lần 2

Lần 3

Lần 1

Lần 2

Lần 3

trung bình

(cm)

(m/s)

500Hz
600Hz
440Hz

520Hz
- Nhận xét chung về bài thí nghiệm


o Kết quả thu được có sai khác nhiều với số liệu lí thuyết hay
không.
o Thao tác nào khó thực hiện khi thí nghiệm. Hãy nêu cách
thực hiện của bản thân mà mình cho là ưu việt.
o Với tần số nào của nguồn âm thì dụng cụ này không thực
hiện nội dung của thí nghiệm này?