Thiết kế và chế tạo máy đo độ ồn dựa trên cảm biến âm microphone electret (design and make a sound level meter by using a transducer electret microphone)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN TRỌNG LIÊM

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY ĐO ĐỘ ỒN TRÊN CƠ SỞ
CẢM BIẾN ÂM – MICROPHONE ELECTRET
(Design and make a sound level meter by using a transducerelectret microphone)
Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật
Mã số:

11124635

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2014


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014

Cơng trình được hoàn thành tại: Trƣờng Đại Học Bách Khoa - ĐHQGHCM.
Cán bộ hướng dẫn khoa học: Lý Anh Tú, Tiến Sỹ
Lê Cao Đăng, Thạc Sỹ
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: ............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: ............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.
HCM, ngày

tháng
năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

TRƢỞNG KHOA

T-2

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Nguyễn Trọng Liêm

Ngày, tháng, năm sinh:
Chuyên ngành:

MSHV:

31-10-1983

11124635

Nơi sinh: Bình Định

Vật Lý Kỹ Thuật

Mã số :

I. TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế và chế tạo máy đo độ ồn dựa trên cảm biến âm
microphone electret
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tổng quan lý thuyết về âm học và độ ồn

-

Tổng quan lý thuyết về cảm biến âm

-

Thiết kế và chế tạo máy đo độ ồn

-

Kết quả và đánh giá

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

10-02-2014

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

04-08-2014

IV.CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):
TS. LÝ ANH TÚ, Th.S LÊ CAO ĐĂNG

Tp. HCM, ngày 04 tháng 08 năm 2014
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƢỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-3

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ dạy và giúp đỡ tận tình của các
thầy cơ giảng dạy sau đại học - Trường đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí
Minh.
Tơi xin đặc biệt cảm ơn thầy Lý Anh Tú, thầy Lê Cao Đăng, và các giảng viên
bộ môn Vật lý kỹ thuật y sinh đã tận tình hướng dẫn truyền đạt những kiến thức và
kinh nghiệm q báu giúp tơi có đầy đủ kiến thức và nghị lực để hoàn thành luận
văn này. Đồng thời những kiến thức và kinh nghiệm đó sẽ hữu ích cho tôi sau này
trong cuộc sống.
Và xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và những người thân trong gia đình đã tin
yêu và cho tôi sức mạnh tinh thần, vật chất trong quá trình học tập nghiên cứu.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong việc thực hiện luận văn, song khơng thể
tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của q Thầy Cơ và
các bạn.
Tp.HCM, ngày 04 tháng 8 năm 2014
Học viên

Nguyễn Trọng Liêm

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-4

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Nội dung chính của luận văn sẽ trình bày sơ lược về âm học, tìm hiểu về cảm
biến âm - microphone electrets, thiết kế và chế tạo máy đo cường độ âm.
Do đó mục tiêu của luận văn nghiên cứu hai phần. Thứ nhất là nghiên cứu đầu
vào của lĩnh vực đo âm: đó là cảm biến âm hay microphone electret và đặc tính
microphone này. Đây là microphone rất phổ biến ngày nay nhờ khả năng lọc và có
độ chính xác cao. Thứ hai là ứng dụng microphone trong thiết kế và chế tạo máy
đo độ ồn. Luận văn đã đạt được kết quả của yêu cầu đề ra là chế tạo máy đo độ ồn.
Tuy nhiên kết quả chưa đạt được như mong muốn, độ chính xác của máy đo chưa
cao, sai lệch khoảng ±3 dB so với độ lệch ± 1 dB của các máy đo khác trên thị
trường. Đó chính là nhược điểm của máy đo. Sự khiếm khuyết này là nhỏ và có
thể khắc phục được bằng cách tối ưu mạch khuếch đại sau microphone. Một
nhược điểm nhỏ khác của máy đo là dùng linh kiện xuyên lỗ nên làm tăng kích
thước của mạch điện. Bên cạnh đó máy cũng có những ưu điểm đáng kể như mạch
sử dụng vi xử lý gọn, tốc độ xử lý cao (vi xử lý có tốc độ lên đến 16MHz) nên có
khả năng đo được độ ồn ở tần số cao hơn 10 kHz (và tùy thuộc vào đáp ứng của
microphone). Ưu điểm thứ 2 là mạch có khả năng kết nối máy tính và lưu dữ liệu
theo thời gian thực. Ưu điểm cuối cùng là giá thành ch bng ẳ n ẵ giỏ cỏc mỏy
o ph thụng khác trên thị trường.

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-5

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
ABSTRACT

The main contents of the thesis are to present acoustic fundamental, way to
design and how to calculate and make a sound pressure level. Via the speech,
principle of sound sensor (electret microphone) also is presented.
Thereby, target main of the thesis includes two parts, first is to study how a
sound sensor, microphone electret works and its features. This is very popular
microphone due to ability to filter, high accuracy, light and compact. Second task
is to implement the sensor to design and produce a sound pressure level.
This thesis has achieved the required result set is to create a noise measurement.
However, the result hasn’t achieved as good as originally expected, the meter
accuracy is not good enough, an offset of ±3 dB compared to ±1 dB of other sound
meters on market. This defect is minor and can be overcome by optimizing the
microphone’s amplifier later on. Another disadvantage of the device is using viahole components that increase size of the circuit. Besides, there are some
significant advantages of the tool as circuit uses compact, high-speed processor
(speed up to 16 MHz) and be capable of measuring noise at frequency higher than
10 kHz (and depend on response of microphone as well). Second advantage is
capable of connecting to personal computer and log data in real time. Last thing is
its price much cheaper from one-fourth to one-half compared to common sound
meter device.

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-6

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn
của thầy TS. Lý Anh Tú. Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào.
Học viên

Nguyễn Trọng Liêm.

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-7

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
MỤC LỤC
PHẦN 1: TỔNG QUAN
CHƢƠNG 1: ÂM HỌC VÀ TIẾNG ỒN ............................................................11
I.

Tổng quan về âm học ............................................................................................11

1. Âm học....................................................................................................................11
2. Âm thanh và tiếng ồn ..............................................................................................11
3. Lược sử âm học ......................................................................................................12
4. Những đặc tính của sóng âm ..................................................................................13
5. Nguồn âm vá sóng âm tương ứng ...........................................................................14
6. Các hiện tượng chính trong âm học ........................................................................15
7. Các phương trình của sóng âm ...............................................................................17
II. Khái niệm độ ồn ....................................................................................................21
1. Năng lượng âm .......................................................................................................21
2. Công suất âm ..........................................................................................................21
3. Cường độ âm...........................................................................................................22
III. Tiếng ồn và con ngƣời ..........................................................................................23
1. Tai người .................................................................................................................23
2. Tương quan giữa tai và âm thanh ...........................................................................25
3. Ảnh hưởng tiếng ồn đến tâm lý ..............................................................................25
4. Bênh về tai ..............................................................................................................26
5. Nguyên lý đo độ ồn.................................................................................................28
6. Các phương pháp đo độ ồn .....................................................................................29
7. Ưu và nhược điểm ..................................................................................................29
8. Máy đo độ ồn ở Việt Nam ......................................................................................30
CHƢƠNG 2: CẢM BIẾN ÂM ............................................................................. 31
I.

Microphone electret ..............................................................................................31

II. Cấu tạo và nguyên lý của microphone ................................................................ 32
1. Cấu tạo ....................................................................................................................32
2. Nguyên lý hoạt động ...............................................................................................32

III. Thông số quan trọng của microphone ................................................................34
1. Độ nhạy của microphone ........................................................................................34
HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-8

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
2. Tần số đỉnh .............................................................................................................35
3. Delta LF – roll off ...................................................................................................35
4. Delta peak ...............................................................................................................36
5. Đáp ứng tần số ........................................................................................................36
PHẦN 2: THIẾT KẾ MÁY ĐO ĐỘ ỒN
CHƢƠNG 3: LINH KIỆN CHÍNH DÙNG CHO THIẾT KẾ .........................39
I.

Microphone electret .............................................................................................39
1. Kích thước của microphone ....................................................................................39
2. Đáp ứng tấn số của microphone .............................................................................41
3. Đặc tính nhiễu của microphone ..............................................................................41

II.

Vi xử lý dùng cho máy đo độ ồn là ATMEGA 8 bit ..........................................42
1. Cấu trúc ATmega8159 ............................................................................................43
2. Bộ nhớ chương trình ...............................................................................................45
3. Ngắt trên AVR ........................................................................................................46

4. Chuyển đổi ADC trên AVR ....................................................................................49

III.

Giao tiếp RS-232 ...................................................................................................51
1. Giao tiếp..................................................................................................................51
2. Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS232 ...................................................................51
3. Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232 ......................................................52
4. Các mức điện áp đường truyền ...............................................................................52
5. Cổng RS232 trên PC ...............................................................................................53
6. Quá trình dữ liệu .....................................................................................................54
7. Sơ đồ ghép nối RS232 ............................................................................................55
8. Phần mền giao tiếp..................................................................................................56
CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ............................................................57
1. Sơ đồ khối máy đo ..................................................................................................57
2. Sơ đồ nguyên lý máy đo .........................................................................................58
3. Nguyên lý đo độ ồn.................................................................................................58
4. Mạch mô phỏng bằng phần mềm proteus 8.0 .........................................................60
5. Giao diện với máy tính qua cổng COM..................................................................61
HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-9

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
6. Các thông số của máy đo ........................................................................................62
7. Hiệu chuẩn ..............................................................................................................63

CHƢƠNG 5: THIẾT KẾ CHƢƠNG TRÌNH ....................................................64
1. Giải thuật giao diện .................................................................................................64
2. Giải thuật cho vi xử lý ............................................................................................66
CHƢƠNG 6: KẾT QUẢ ĐO VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ................................69
1. Kết quả đo đạc ........................................................................................................69
2. Đánh giá kết quả đo ................................................................................................70
CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN ....................................................................................73
1. Kết quả đạt được .....................................................................................................73
2. Hướng phát triển .....................................................................................................73
Tài liệu tham khảo ................................................................................................75
Phụ lục ................................................................................................................... 76
A. Danh mục linh kiện ...............................................................................................73
B. Sơ đồ mạch in ........................................................................................................77
C. Code nạp cho vi xử lý ........................................................................................... 79
D. Code của giao diện và kết nối máy tính .............................................................. 94
E. Mạch thực tế và cách dùng ................................................................................111
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ...............................................................................113

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-10

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
PHẦN 1: TỔNG QUAN
CHƢƠNG 1: ÂM HỌC VÀ TIẾNG ỒN

Âm học là một ngành khoa học về âm thanh và là một ngành của vật lý học.
Âm học bao gồm các lĩnh vực như nguồn phát âm, sự truyền âm, phát hiện và đo
âm. Âm học là lĩnh vực rất quan trọng vì nó liên quan trực tiếp đến thính giác của
con người. Mục tiêu của luận văn nghiên cứu hai phần: Thứ nhất là nghiên cứu
đầu vào của lĩnh vực đo âm, đó là cảm biến âm hay microphone electret và đặc
tính microphone này. Đây là microphone rất phổ biến ngày nay nhờ khả năng lọc
tố và có độ chính xác cao. Thứ hai là ứng dụng microphone trong thiết kế và chế
tạo máy đo độ ồn
I.

Tổng quan về âm học

1. Âm học (acoustics): Âm học là một nhánh của vật lý học, nghiên cứu về sự

lan truyền của sóng âm thanh trong các loại môi trường và sự tác động qua
lại của nó với vật chất cụ thể nó nghiên cứu về cường độ âm, nguồn sinh âm, sự
lan truyền và tác động của âm thanh
2. Âm thanh và tiếng ồn:
a. Âm thanh là khái niệm liên quan đến các hiện tượng ảnh hưởng đến thính giác và
các hiện tượng liên hệ đến dao động và sóng cơ học. Âm thanh là các dao động cơ
học (biến đổi vị trí qua lại) của các phân tử, nguyên tử hay các hạt làm nên vật
chất và lan truyền trong vật chất như các sóng. Âm thanh, giống như nhiều sóng,
được đặc trưng bởi tần số, bước sóng, chu kỳ, biên độ và vận tốc lan truyền (tốc
độ âm thanh).
Đối với thính giác của người, âm thanh thường là sự dao động, trong dải tần số
từ khoảng 20 Hz đến khoảng 20 kHz, của các phân tử khơng khí, và lan truyền
trong khơng khí, va đập vào màng nhĩ, làm rung màng nhĩ và kích thích bộ não.
Tuy nhiên âm thanh có thể được định nghĩa rộng hơn, tuỳ vào ứng dụng, bao gồm
các tần số cao hơn hay thấp hơn tần số mà tai người có thể nghe thấy, và khơng
chỉ lan truyền trong khơng khí, mà trong bất cứ vật liệu nào. Trong định nghĩa

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-11

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
rộng này, âm thanh là sóng cơ học và theo lưỡng tính sóng hạt của vật chất, sóng
này cũng có thể coi là dòng lan truyền của các hạt phonon, các hạt lượng tử của
âm thanh.
b. Tiếng ồn: là khái niệm thuộc về âm thanh nhưng âm thanh đó trở nên khó nghe
hoặc không ai muốn nghe. Cả tiếng ồn và âm nhạc đều là các âm thanh. Trong
việc truyền tín hiệu bằng âm thanh, tiếng ồn là các dao động ngẫu nhiên khơng
mang tín hiệu.
c. Ngày nay tiếng ồn và âm thanh có mặt khắp mọi nơi, đối với người này nó là âm
thanh nhưng đối với người khác nó là tiếng ồn. Ví dụ một cuộc tranh luận là âm
thanh nhưng đối với những người xung quanh đó là tiếng ồn.
3. Lƣợc sử âm học
-

Con người bắt đầu tìm hiểu các hiện tượng liên quan đến âm thanh vào đầu thế kỷ
6, khi đó trường phái Pythagore cũng đang tìm hiểu về dây rung và nguyên lý tạo
thang âm. Sau đó triết gia Hy Lạp Aristote (384-322 trước cơng ngun) và kiến
trúc sư người La Mã Vitruve (thế kỷ 1 trước công nguyên) cũng đưa ra các phát
biểu về liên quan đến bản chất của âm thanh.

-

Từ những kinh nghiệm tích lũy được của các thế kỷ trước và việc nghiên cứu về
tần số rung của dây đàn, nhà bác học Pháp Mersenne (1588-1648) và nhà bác học
Ý Galieo Galilei (1564-1642) đã đưa ra lý thuyết rõ ràng hơn về sóng âm và tần số
của sóng vào đầu thế kỷ 17. Và nhà bác học người Hà Lan Huygens (1692-1695)
đã hồn thiện kết quả này bằng việc giải thích các hiện tượng liên quan đến âm
thanh và ánh sáng vào năm 1960 và khởi đầu nền khoa học về âm thanh.

-

Trong thế kỷ 18, các nhà khoa học đã phát triển lý thuyết truyền âm và xây dựng
thuật toán cụ thể cho lý thuyết này. Người bắt đầu lý thuyết này là nhà bác học vĩ
đại người Anh Newton (1642-1727), sau đó đến nhà tốn học người Thụy Sĩ Euler
(1707-1783) và hai nhà toán học nổi tiếng người Pháp de Lagrange (1736-1813)
và d’Alembert (1717-1783).

-

Tiếp đến thế kỷ 19 là sự ứng dụng lý thuyết cơ bản và ứng dụng vào kỹ thuật thực
nghiệm. Trong đó 3 cơng trình phổ biến nhất là: phép phân tích âm thanh là cơng

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-12

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
trình của nhà vật lý Đức Helmholtz (1821-1894), nhà vật lý Pháp Savart (17911841) và nhà toán học Pháp rất nổi tiếng, Fourier (1768-1830), cơng trình nối tiếp

là về đo vận tốc truyền âm của nhà hóa học Pháp Regnault (1810-1878), và cách
hình dung những rung động của âm ba là cơng trình nghiên cứu của nhà vật lý
người Pháp gốc Đức K.R.Koenig.
-

Một cơng trình xuất chúng của nhà bác học Anh J.W.Strutt (Rayleigh) (18421919) trong thế kỷ 20 là “Lý thuyết về âm thanh”. Từ đó âm thanh được chia nhỏ
thành nhiều nhánh (âm học dưới biển, kiến trúc, phi tuyến….)

4. Những đặc tính của sóng âm:
-

Tần số, chu kỳ và bước sóng:
Tần số f của một phân tử là số dao động phân tử đó thực hiện được trong một
giây. Đơn vị của tần số là Hertz (Hz). Tai người có thể nghe được trong khoảng từ
20 đến 20 000 Hz và nhạy nhất ở tần số từ 1 đến 3 kHz. Để xử lý tiếng ồn trong
công nghiệp người ta chỉ quan tâm đến khoảng tần số từ 62 Hz đến 16 kHz vì
ngồi khoảng này độ nhạy của tai người giảm đi khá nhiều.
Sóng âm hình sin có dạng đơn giản
x(t) = Acosωt
trong đó A là biên độ của sóng âm và ω là vận tốc dao động
với ω = 2πf =

, [rad/s]

T là chu kỳ, là thời gian mà phân tử thực hiện một dao động
Với T = ,[s]
Bước sóng λ là khoảng cách giữa hai điểm tương tự trên hai đợt sóng kế tiếp nhau.
Tương quan giữa bước sóng λ và tần số f và vận tốc truyền v:
λ = = v.T , [m]
-

Vận tốc âm thanh:
Vận tốc âm thanh truyền trong khơng khí được tính bằng
v = 20.05√

, [m/s]

KT là nhiệt độ của khơng khí, đơn vị là Kelvin
HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-13

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
KT = 273.20 + TC
Vận tốc âm thanh truyền trong các môi trường vật liệu khác nhau thì khác nhau
nghĩa là bước sóng sẽ khác nhau trong các vật liệu khác nhau. Và bước sóng tỷ lệ
nghịch với tần số, tần số thấp thì tỷ lệ nghịch với bước sóng dài. Điều đó rất quan
trọng trong việc giảm tiếng ồn ở tần số thấp.
5. Nguồn âm vá sóng âm tƣơng ứng
-

Sóng phẳng: là sóng có đặc điểm mặt sóng phẳng và song song nhau. Sóng này
tồn tại trong những ống trịn và tại những tần số nhất định. Sóng phẳng có tính
chất giữ được biên độ sóng bất biến giữa khoảng cách nơi phát và nơi thu.
Một sóng phẳng có dạng tổng quát như sau:
P (x,t) = Aej (ωt – kx)

Trong đó A là hằng số biên độ và kx là pha ban đầu.

-

Sóng hình cầu: là sóng có bề mặt hình cầu và đồng tâm. Sóng này xuất hiện khi ta
xem nguồn âm có kích thước rất nhỏ so với nơi phát và nơi thu và nguồn âm được
xem là nguồn điểm. Biên độ áp suất âm thanh giảm đi R, là khoảng cách từ nguồn
âm đến nơi nhận. Sóng hình cầu có phương trình dạng:
P (R,t) = ej (ωt – kx)
A là biên độ áp suất, R là khoảng cách từ điểm phát đến điểm thu, kx là pha ban
đầu.

-

Sóng hình trụ: đặc trưng bởi bề mặt sóng hình trụ. Loại sóng này xuất hiện khi
nguồn âm tạo ra sóng hình cầu dài như khi âm thanh phát ra khi tàu chạy trên
đường ray xe lửa. Biên độ sóng hình trụ giảm √ , r là khoảng cách giữa tâm
nguồn phát và nguồn thu. Phương trình sóng hình trụ có dạng:
P (r,t) =

√

ej (ωt – kx)

r là khoảng cách giữa nguồn và điểm nhận, A là hằng số biên độ và kx là pha ban
đầu.
6. Các hiện tƣợng chính trong âm học:
Tương tự như ánh sáng, sóng âm sẽ bị hấp thụ, truyền qua và nhiễu xạ khi gặp mặt
phân cách giữa 2 mơi trường. Ngồi ra nó cịn gây ra hiện tượng vang dội.
HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-14

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
-

Tia vang (vọng): tia này xuất hiện khi phần lớn năng lượng tia đến sẽ phản xạ khi
gặp một bề mặt phân cách. Tiếng vang có thể gây ra từ một tia hoặc một chùm tia.
Những vật liệu cứng không xốp đều có thể tạo tiếng vang khi âm đến
Hệ số vang được tính:

αr =

Trong đó Wr là năng lượng âm vang, cịn Wi là năng lượng âm tới.

Hình 1: các loại tia thường gặp
-

Tia hấp thụ: năng lượng âm thanh bị hấp thụ khi tia tới gặp bề mặt cản làm bằng
chất liệu dễ hấp thụ, như thủy tinh, xốp, vải,….Năng lượng âm thanh bị hấp thụ
hay tiêu tán xảy ra trong quá trình ma sát.
Hệ số hấp thụ âm thanh được tính theo tỉ lệ phần trăm như bên dưới:
Α = (1-

) x 100

Hệ số này tăng theo tần số âm thanh, nghĩa là khi tần số càng cao thì âm thanh bị
hấp thụ càng nhiều.

Hình 2: Tia vang vọng
HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-15

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
-

Tia truyền qua: là khi âm thanh đi xuyên qua một bề mặt của vật liệu. lúc đó âm
thanh sẽ mất năng lượng theo phương trình:
TL = 10 log

, [dB]

Trong đó Wt là năng lượng âm thanh truyền qua và Wi là năng lượng âm thanh khi
đến vật rắn.

Hình 3: Tỷ lệ hấp thụ âm thanh
Mức tổn thất năng lượng do truyền qua nói chung tăng theo tần số. Các chất liệu
mà âm thanh có thể truyền qua có mật độ liên kết phân tử cao và không xốp như
kim loại, gỗ, thủy tinh,…
-

Tia nhiễu xạ: khi âm thanh gặp phải vật chắn có kích thước hữu hạn thì xảy ra
hiện tượng nhiễu xạ. Cha đẻ của nhiễu xạ là nhà bác học Hà Lan Huygens.
Nguyên lý của nhiễu xạ có đề cập sóng âm thanh bị suy giảm năng lượng khi đi
vịng qua một vật cản.

Hình 4: Sự mất mát năng lượng theo tần số
HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-16

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014

Hình 5: Tia nhiễu xạ
Hình vẽ cho thấy góc nhiễu xạ θd thay đổi theo góc tới θi. Nếu góc nhiễu xạ θd
càng nhỏ thì âm thanh đến sẽ rất khó đi vòng ra sau vật cản. Sự nhiễu xạ tăng theo
tần số và do đó làm giảm cường độ âm thanh sau khi nhiễu xạ. Do đó hiệu ứng
nhiễu xạ được xác định bằng sự mất mát năng lượng do vật cản:
IL = LP0 – LP2, [dB]
LP0 là mức áp suất âm đo được ở điểm nhận không vật cản
LP2 là mức áp suất âm đo được ở điểm nhận có vật cản
Độ chênh lệch của chúng chính là năng lượng mất khi bị nhiễu xạ.
7. Các phƣơng trình của sóng âm
Phần này sẽ đưa ra những phương trình tổng quát của sóng âm trong vùng tự do.
Sau đó sẽ áp dụng vào để tìm phương trình của sóng phẳng và phương trình của
sóng cầu. Hai sóng này là nền tảng để giải thích và phân tích nhiều hiện tượng
sóng âm phức tạp khác. Các phương trình bên dưới sẽ được thiết lập dựa vào định

luật đàn hồi và định luật Newton. Sau đó vấn đề sẽ được tổng quát bằng 2 phương
trình: bảo tồn khối lượng, phương trình Euler và phương trình trạng thái.
-

Phƣơng trình sóng một chiều: âm thanh lan truyền bằng khơng khí và có tỉ trọng
ρ (kg/m3). Ta xem sự lan truyền của khơng khí như một mặt sóng phẳng. Tại thời
điểm t = t0 phần tử khí nằm yên. Tại thời điểm t, lát khí dày ∂x di chuyển một
khoảng s. Vậy s là sự biến thiên về vị trí. Thể tích của lát khí:
∂V = A ∂x,

(1)

và khối lượng:
HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-17

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
m = ρ∂V = ρA∂x

(2)

Σ⃗ =

(3)

theo định luật Newton:
⃗

trong đó ⃗ là vận tốc. Khi mặt khí di chuyển, áp suất của nó cũng thay đổi nên ta
có:
Σ⃗ =-

(4)

Do đó:
-

⃗

=

(5)

Hay
⃗

⃗

⃗

=

⃗

+

⃗

.

(6)

(7)

Nếu ta bỏ đi số hạng thứ 2 thì
⃗

⃗

(8)
Nên (5) sẽ trở thành:
-

= ρA

(9)

Rồi dẫn đến:
(10)
Hay:
=-ρ .

hoặc

(11)

u= - ∫

(12)

Đây là mối tương quan cơ bản giữa áp suất và vận tốc, nó chỉ ra rằng vận tốc hạt
tỷ lệ với gradient áp suất.
Mặt khác từ định luật về sự đàn hồi của khí ta có: p = -K
HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-18

(13)
GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
Trong đó K là module độ nén (ứng suất/biến dạng), do ∂V = A∂s và ∂V0 = A∂x
nên :
p=-K
Và gradient của p là:

(14)

=-K

.

(15)

Đây là mối liên hệ thứ hai giữa s và p.
Từ hai phương trình tương quan giữa s và p (10) và (15) cho ta phương trình
chuyển động:
=

.

(16)

Từ phương trình (14) ta có:

=-K

(17)

Từ (10):

=-ρ

.

(18)

= (

).

(19)

Từ (17) và (18) cho ta phương trình sóng:

Từ phương trình sóng trên, ta có nhận xét:
Hệ số

là hằng số tỷ lệ với c2 (c là tốc độ truyền sóng)

Là phương trình đạo hàm riêng bậc 2
Áp suất lệ thuộc vào vị trí (x) và thời gian (t)
Có thể giải phương trình này bằng phương pháp tách biến số
Đây là sóng một chiều và có thể được tổng qt thành phương trình sóng ba chiều
được trình bày trong phần kế tiếp
-

Phƣơng trình sóng ba chiều: cần nhắc lại các tham số áp suất p, tỷ trọng ρ và vận
tốc ⃗ của hạt đều là biến số. Do đó ta phải tìm ra 3 phương trình trong đó có một
phương trình vector. Âm thanh là kết quả của sự nhiễu loạn khơng khí trong mơi
trường. Ba phương trình đó là:
Phương trình bảo tồn khối lượng:
⃗

(20)

Phương trình Euler (hay phương trình Newton đối với chất lỏng)
p
HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

⃗

= -⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ (φ)

T-19

(21)
GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
Phương trình trạng thái (đoạn nhiệt) K=γp
(22)
Kết hợp ba phương trình trên sẽ đưa đến phương trình sóng
(23)

Với tốn tử Laplace

-

Phƣơng tình Helmholtz: ở đây ⃗ và p là hàm một biến số không gian và một biến
số thời gian. Cho rằng áp suất thuộc loại sóng điều hịa ta có:
⃗ ,t) =

p
⃗ ,t) =

(24)

⃗)

(25)

⃗

Và
Với toán tử Laplace

⃗)

⃗)

(26)

là:
⃗)

⃗)

]=

(27)

Thay thế (26) và (27) vào phương trình sóng (23), ta được:
{

⃗ +

⃗)

=0

Đặt k2 =

với k được gọi là hằng số truyền sóng hay số sóng, phương trình Hemholtz có
dạng:

⃗

(⃗ )

Phương trình Hemholtz cho thấy sự lệ thuộc của áp suất đối với vị trí.
II. Khái niệm độ ồn
1. Để đặc trưng cho độ lớn hay mức cường độ âm thanh người ta đưa ra khái niệm độ
ồn. Khi nghiên cứu về sự thu nhận âm qua tai người, Alexander Graham Bell đã
khám phá ra rằng tai người phản ứng với âm lượng theo hàm loga. Từ đó nhà ơng
đề nghị một đơn vị tính mức năng lượng như sau:

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-20

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
Mức năng lƣợng Bel = log

Trong đó W0 là năng lượng tham chiếu và W là năng lượng được quan tâm.
Trong thực tế ta thường gặp những tỉ lệ tương đối nhỏ hơn nên người ta dùng một
đơn vị khác nhỏ hơn gọi là decibel (=1/10 bel), viết tắt là dB và được mô tả bằng
công thức:
Mức năng lượng dB = 10 log

[dB]

2. Mức công suất âm thanh:
Áp suất âm thanh p (gọi tắt là thanh áp): Âm thanh truyền lan đến đâu thì làm
thay đổi áp suất khơng khí ở đó. Áp suất do âm thanh tạo thêm ra một điểm gọi là
thanh áp ở điểm đó. Đơn vị thanh áp là bar. Một bar là thanh áp tác động lên một
diện tích 1cm2 một lực là 1 đin, 1bar = 1 đin/cm2.
Công suất âm thanh là năng lượng âm thanh đi qua một diện tích S trong thời
gian một giây.
Cơng suất âm thanh P có thể tính bằng cơng thức:
P = pSv.
Trong đó p là thanh áp, v là tốc độ dao động của một phần tử khơng khí tại đó và
S là diện tích. Cơng suất âm thanh tính theo watt (W).
Sau đây là công suất âm thanh của một số nguồn âm. Số liệu này chỉ có tính chất
tham khảo.
Máy bay phản lực: 10.000W, búa máy: 1W, ô tơ vận tải phóng nhanh: 0.12W, nói
chuyện bình thường: 0.0003W.
Để đánh giá được khả năng làm việc của một đối tượng (động cơ, quạt, dụng cụ
điện) người ta dùng đơn vị công suất. Tương tự cho công suất âm thanh, là thước
đo năng lượng âm trong một đơn vị thời gian
Mức cơng suất của âm thanh được tính bằng tỉ lệ năng suất âm thanh đối với năng
suất tham khảo:
LW = 10 log

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-21

[dB]

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
Trong đó W là năng suất âm thanh được quan tâm, W0 là năng suất âm thanh tham
chiếu, W0= 10-12 w.
3. Mức cƣờng độ âm thanh:
Cƣờng độ âm thanh I là lượng năng lượng được sóng âm truyền đi trong một đơn
vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vng góc với phương truyền âm. Đơn vị
cường độ âm là ốt trên mét vng (kí hiệu: W/m2).Giá trị của cường độ này tùy
thuộc vào hình dạng của sóng (sóng phẳng, hình cầu hoặc hình trụ).
Đối với tai con người, giá trị tuyệt đối của cường độ âm I không quan trọng
bằng giá trị tỉ đối của I so với một giá trị I0 nào đó chọn làm chuẩn. Người ta định
nghĩa mức cƣờng độ âm L là lơga rít thập phân của tỷ số I/I0.
L(B) = log(I/I0)
Trong đó I là cường độ âm thanh đo được, và I0 là cường độ âm thanh tham chiếu,
10-12 W/m2.
Đơn vị mức cường độ âm là Ben (kí hiệu: B). Như vậy mức cường độ âm
bằng 1,2,3,4 B... điều đó có nghĩa là cường độ âm I lớn gấp 10, 10 2, 103, 104...
cường độ âm chuẩn I0.
Trong thực tế người ta thường dùng đơn vị đêxiben (kí hiệu: dB), bằng 1/10 ben.
Số đo L bằng đêxiben lớn gấp 10 số đo bằng ben
L(dB)= 10log(I/I0)
Khi L= 1dB, thì I lớn gấp 1.26 lần I0. Đó là mức cường độ âm nhỏ nhất mà tai ta
có thể phân biệt được
Ba đại lượng áp suất âm thanh, công suất âm thanh, cường độ âm thanh gắn liền
với nhau: P = IS = pvS. Cả ba đều biểu thị đồ thị lớn nhỏ của âm thanh. Âm thanh
có nặng lượng càng lớn thì cơng suất, cường độ và áp suất của âm thanh càng lớn.

Cần lưu ý là thành áp tỷ lệ với căn bậc hai của công suất âm thanh, khi ta tăng
công suất âm thanh lên 1 lần thì thanh áp chỉ tăng 2 lần, nếu tăng cơng suất âm
thanh lên 9 lần thì thanh áp chỉ tăng 3 lần.

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-22

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
IV.

Tiếng ồn và con ngƣời
Trong lao động tiếng ồn đã gây ra nhiều bệnh về tai, ảnh hưởng đến tâm lý
của công nhân. Do đó nhiều nước phát triển đã nghiên cứu khá kỹ về ảnh hưởng
của tiếng ồn đến khả năng nghe của con người. Trước hết ta tìm hiểu sơ lược về
tai, mối tương quan giữa tai và âm thanh, cuối cùng là ảnh hưởng của tâm lý do
tiếng ồn.
1. Tai ngƣời: cấu trúc của tai được mô tả như hình bên dưới gồm ba thành phần
chính. Tài ngồi, tai giữa và tai trong.

Hình 6: Cấu tạo tai người
a. Tai ngồi: là phần ngồi thấy được của tai. Nó có nhiệm vụ thu thập âm thanh và
đưa âm thanh vào màng nhĩ. Lỗ tai có nhiệm vụ là bộ cộng hưởng ở tần số 3kHz,
tần số trung bình của vùng nghe được. Màng nhĩ là màng mỏng sẽ rung lên theo
áp suất âm thanh đi vào. Tần số cộng hưởng của màng nhĩ là 1.4 kHz. Áp suất trên
bề mặt của màng nhĩ lớn hơn 10 lần áp suất khí.

b. Tai giữa: là khoang khơng khí, ngăn cách với bên ngồi là màng nhĩ và tai trong
bằng cửa sổ hình trịn và hình trái bầu dục. Thành phần chính của tai giữa là ống
Eustache và ba lóng xương nhỏ. Ống Eustache có nhiệm vụ cân bằng áp suất hai
bên màng nhĩ. Màng nhĩ được nối vào xương búa, xương này nối với xương đe rồi
HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-23

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
đến xương bàn đạp và xương bàn đạp nối với cửa sổ hình bầu dục. Tai trong hoạt
động như một máy chuyển đổi trở kháng, nó chuyển trở kháng thấp của khơng khí
sang trở kháng cao của chất lỏng bạch huyết trong ốc tai. Nếu khơng có trở kháng
này sẽ tạo ra sự bất đối xứng và gây mất mát âm khoảng 30 dB vì cửa sổ hình bầu
dục nhỏ hơn màng nhĩ từ 15 đến 30 lần.
Tai giữa có nhiệm vụ truyền sóng từ tai ngồi vào tai trong và giúp nhiều cơ căng
thích ứng với sự thay đổi của cường độ âm nhưng sự thay đổi của cơ căng không
phải là tức thời. Ví dụ có một nguồn âm cực mạnh phát ra trong một thời gian
ngắn, các cơ căng khơng có thời gian để đáp ứng kịp nên tai phải chịu một áp lực
rất lớn trong một khoảng thời gian. Điều này rất nguy hiểm cho tai. Hoặc tiếng ồn
lớn vừa tắt, tai bị ù trong một thời gian vì các cơ căng cần thời gian để thích ứng.
c. Tai trong: bộ phận quan trọng nhất của tai trong là ốc tai sẽ thu nhận âm thanh.
Ốc tai được chia làm ba vịn (scala) nối với nhau: vịn tiền đình, vịn ốc tai và vịn
màn nhĩ. Vịn tiền đình và vịn màng nhĩ được cách nhau bởi màng nền. Hai vịn này
thông nhau ở vịn ốc tai cho phép bạch huyết trong ốc tai được lưu thông dễ dàng.
Màng nền dài khoảng 3cm và rộng khoảng 0.02 cm, trên màng nền chứa những tế
bào như lông mao kết nối với 24000 đầu dây thần kinh. Khi cửa sổ bầu dục

chuyển động làm cho màng nền chuyển động rồi truyền vào các tế bào rồi đi đến
dây thần kinh. Não cảm nhận chuyển động này như âm thanh.
2. Tƣơng quan giữa tai và âm thanh
Tai người hoạt động như một bộ phân tích tần số và cũng có khả năng lọc mức áp
suất âm thanh.
a. Phân tích giải tần số: Để hiểu rõ tính chất của một âm thanh, ta cần xác định mức
âm ở mỗi tần số. Những mức âm thường được tính theo quãng tám của tần số.
Người ta chia tần số nghe được thành mười quãng tám ở đó tần số trung tâm và bề
rộng băng dải được tiêu chuẩn hóa. Khoảng tần số nghe được từ 20 đến 20000 Hz
có dãi mười quãng tám gắn với các tần số 31.5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000,
4000, 8000 và 16000 hz.

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-24

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng


Luận văn thạc sỹ Vật lý kỹ thuật 2014
Trong thực tế các thiết bị đo âm thường được gắn các bộ lọc có khả năng phân tích
âm thanh ở 1/3 quãng tám hoặc 1/10 quãng tám và được gọi là phân tích tần số ở
dải hẹp.
b. Xử lý mức âm thanh: tiếng ồn phát ra từ những nguồn âm khác nhau được đo
như những hàm của tần số rồi được bình quân theo một đường cân bằng đặc biệt.
Các đường cân bằng đó và mức âm thanh kết hợp được chuẩn hóa để đánh giá ảnh
hưởng của tiếng ồn lên thính giác người.
Người ta đã chuẩn hóa ba đường cân bằng A, B và C. Mạng cân bằng A được
dùng cho âm thanh yếu dưới 55 dB, mạng cân bằng B dùng cho âm thanh trong

khoảng 55 đến 85 dB và mạng C dành cho âm thanh mạnh trên 85 dB. Hiện nay
mạng A là mạng phổ biến nhất và được dùng để đo đạc ảnh hưởng của tiếng ồn
đến thính giác con người vì sự tương quan khá tốt của mạng A và sự đáp ứng chủ
quan của tiếng ồn
3. Ảnh hƣởng tiếng ồn đến tâm lý
Như được đề cập tiếng ồn là sự quấy nhiễu hoặc quá tải của âm lượng đến tai
người nghe.
a. Tiếng ồn nghe đƣợc: cùng một loại tiếng ồn mỗi người sẽ cảm thấy mức độ khó
chịu khác nhau do ảnh hưởng từ mơi trường sống lúc nhỏ nên sẽ có trải nghiệm
riêng khác nhau. Tuy nhiên có những đặc điểm chung của tiếng ồn mà sẽ làm hầu
hết mọi người khó chịu. Đó là:
Tiếng ồn tập trung năng lượng trong một dải tần số hẹp sẽ làm người ta cảm thấy
ồn hơn là tiếng ồn trải ra trong dải tần rộng hơn.
Tiếng ồn có thời gian tăng trưởng nhanh sẽ cho cảm giác ồn hơn tiếng ồn có thời
gian tăng trưởng chậm
Tiếng ồn có tính gián đoạn ngẫu nhiên sẽ làm cho ta cảm thấy ồn hơn tiếng ồn ổn
định hoặc đều.
Và tiếng ồn ở tần số cao (hơn 1.5 kHz) sẽ ồn hơn tiếng ồn ở tần số thấp
b. Âm nền khó nghe: ta thường gặp nhiều trường hợp âm nền quá lớn làm cho cuộc
đối thoại trở nên khó khăn. Trong môi trường lao động, âm nền lớn dễ gây nguy

HVTH: Nguyễn Trọng Liêm – 11124635

T-25

GVHD: TS Lý Anh Tú
ThS. Lê Cao Đăng