Âm thanh là gì - Làm cách nào để đo được âm thanh

Âm thanh là gì?

Âm thanh (sóng âm) là một loại sóng truyền trong môi trường (không khí hoặc khí quyển), loại sóng âm này thường là sóng dọc (sóng nén) trong đó các hạt cực nhỏ (hạt thể tích) tạo ra môi trường dao động theo các hướng nhất định gọi là hướng truyền sóng, tại đây chứa một lượng dày đặt các hạt thể tích, tại đây áp suất cao hơn áp suất khí quyển và tại điểm phân tán âm, áp suất sẽ thấp hơn. Sự thay đổi áp suất này được gọi là áp suất âm "p" và thường được biểu thị là gốc của áp suất âm vuông (giá trị hiệu dụng rms) đơn vị được tính bằng pascal (Pa) hoặc N/m² 

Dải tần số của âm thanh mà con người có thể nghe được và cảm nhận được 20Hz đến 20kHz, dải áp suất âm từ 20µPa đến 20Pa, tỷ lệ áp suất âm thanh từ nhỏ nhất đến lớn nhất là 10^6. Âm thanh phát ra với cường độ lớn và gây khó chịu cho tai người được gọi là tiếng ồn , tai người có thể nghe âm thanh ở các dải tần khác nhau và nhận biết những điểm khác biệt của chúng dựa vào những đặc điểm vật lý 

Cao độ của âm thanh (Pitch of sound)

Đôi lúc bạn thường nhận xét về một ca sĩ có giọng ca cao hoặc một số người có giọng nói trầm (âm thấp) đây được gọi chung là cao độ của âm thanh. Điểm gây ra sự khác biệt này là do tần số âm thanh khác nhau mặc dù hình dạng sóng âm phát ra tương tự nhau 

*Đặc trưng của cao độ là do tần số âm thanh 

Độ lớn của âm thanh (Loudness of sound)

Ở một số người khi phát âm "A" bạn sẽ nghe thấy âm thanh khá lớn, tuy nhiên một số người củng phát âm như vậy nhưng âm thanh nghe được nhỏ hơn khi ở cùng cao độ của âm (cùng tần số). Điều này được lí giải do giọng nói lớn phát ra với biên độ dao động lớn hơn nên tai ta nghe được to rõ và ngược lại 

*Đặc trưng của độ lớn là do biên độ 

Giai điệu và chất lượng âm thanh

Một cách đơn giản nhất để có thể cảm nhận được giai điệu và chất lượng của âm thanh đó là nghe âm thanh phát ra từ cùng loại nhạc cụ. Chắc hẳn bạn sẽ cảm nhận được khi sử dụng hai chiếc ghita cùng chơi ở một âm lượng và một cao độ như nhau nhưng âm thanh lại có sự khác biệt rõ rệt điều này là do cấu tạo của nhạc cụ khác nhau tùy vào nhà sản xuất làm cho âm thanh chuyển động khác nhau 

Không có những chỉ tiêu cụ thể để đánh giá được giai điệu và chất lượng của âm thanh nhưng nó lại có thể cảm nhận bằng các sự khác biệt tinh tế trong các sóng âm. Bởi vì âm thanh mang thuộc tính của sóng nên nó sẽ bị phản xạ, truyền xuyên và nhiễu xạ khi di chuyển càng xa nguồn phát âm (điều này giải thích cho ví dụ ở trên) 

Để hiểu rõ hơn các định nghĩa này mời bạn theo dõi ảnh dưới đây 

Tham khảo thêm: Danh mục sản phẩm máy đo cường độ âm

Đơn vị đo âm thanh

Khi thực hiện một phép đo âm thanh, chúng ta thường nói về khả năng đáp ứng tần số và độ lớn của âm thanh. Thông thường tần số "Hz" được biết đến như một đơn vị đo cơ bản nhất, độ lớn của âm thanh có thể xác định bằng thang đo Logarit do phạm vi thay đổi của hàm này rất rộng 

Một đơn vị khác củng có thể được dùng để thể hiện giá trị của tiếng ồn là Bell. Tuy nhiên, đơn vị B(Bell) lại quá lớn về mặt giá trị do đó đơn vị dB đã ra đời để có thể sử dụng dễ dàng hơn (1dB bằng một phần mười B) 

Ngoài ra, khi việc đo lường âm thanh ngày càng được coi trọng một khái niệm mới ra đời được gọi là mức cường độ âm (sound level) đơn vị của mức cường độ âm củng được tính bằng decibel (dB) 

Làm cách nào để có thể đo được âm thanh

Để đo được giá trị âm thanh bạn cần phải thu được tín hiệu âm, tín hiệu âm có thể thu được bằng việc sử dụng cảm biến âm thanh hay còn gọi là micro. Micro có thể được phân thành ba loại là micro điện động, micro điện dung và micro áp điện mỗi loại sẽ phù hợp với các hình thức làm việc khác nhau. Micro điện động ra đời sớm hiện nay vẫn còn được sử dụng rộng rãi chủ yếu là trong giới âm nhạc, trong khi micro áp điện được sử dụng rộng rãi cho các máy đo độ ồn ở tần số thấp 

Trong giới đo lường và phân tích âm thanh, loại micro được sử dụng rộng rãi nhất là micro tĩnh điện (điện dung) vì chúng có thể dễ dàng thu nhỏ kích thước để tích hợp với các máy đo cường độ âm hiện đại ngày na. Micro điện dung có thể đáp ứng tần số phẳng trên một dải tần số rộng và cung cấp độ ổn định khi thu gấp nhiều lần so với các loại micro khác (bạn có thể tham khảo cấu trúc của micro điện dung phần bên dưới) 

Micro điện dung thường nằm trong 2 nhóm khác nhau: loại bias và loại electret 

Các đặc điểm cần quan tâm của một micro đo độ ồn

1. Kích thước của micro

Kích thước của micro là yếu tố ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của phép đo. Thông thường micro có sẵn ở nhiều kích cỡ khác nhau như 1 inch, 1/2 inch, 1/4 inch, 1/8 inch. Tuy nhiên, khi thực hiện các phép đo âm thanh kích thước lý tưởng nhất của cảm biến đo nên là 1/2 inch. Ở kích thước nhỏ, trường âm thanh không bị nhiễu khi thực hiện phép đo ở tần số cao, điều này tốt tuy nhiên việc giảm kích thước lại khiến độ nhạy giảm và khó sử dụng 

Đối với các phép đo mà việc hạn chế nhiễu âm được đặt lên hàng đầu, cần chọn loại micro có kích thước nhỏ 

2. Loại đáp ứng

Thông thường sẽ có hai loại: trường áp suất (pressure field) và trường tự do (free field). Thông thường chúng ta sẽ sử dụng loại micro trường tự do, tuy nhiên trong một số trường hợp đặc biệt như khi đo trong các đường ống, đường hầm phép đo trường áp suất sẽ được ưu tiên 

Khi micro được đặt trong trường âm thanh, áp suất âm P tác động lên màng loa của micro sẽ trở thành tổng (P = Po + ?Po) của áp suất âm Po (trường áp suất âm). Các phương pháp để gia tăng "?Po" có thể được tạo từ việc đặt micro khác nhau theo tần số và góc tới 

Micro loại trường áp suất âm là loại có khả năng đáp ứng tần số đầu ra phẳng so với Po+?Po 

Micro loại trường tự do là loại có khả năng đáp ứng tần số đầu ra phẳng so với Po của góc tới 0° 

Ngay cả đối với micro loại trường tự do, các đặc điểm ở dải tần số cao sẽ giảm khi góc tới khác 0°, như hình dưới đây 

3. Đáp ứng tần số

Loại micro phù hợp cho các phép đo độ ồn và phân tích dải tần phải có khả năng đáp ứng tần số bao phù toàn dải băng thông cần đo, khả năng đáp ứng tần số càng phẳng càng tốt. Khi đáp ứng với dải tần số cao được yêu cầu, vì sợ làm nhiễu trường âm thanh nên bạn phải xem xét lại kích thước micro như đã được thảo luận trong phần (1). 

Như đã nói rõ ở phần (2), bởi vì băng thông trên toàn dải có thể bị giới hạn trong đó đáp ứng tần số thẳng của khu vực khác với đáp ứng tần số phẳng của âm tần, nên phải chú ý đến mối quan hệ giữa nguồn âm thanh và micro 

4. Đặc điểm nhiệt độ

Các đặc điểm nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự hoạt động ổn định của micro. Để quá trình thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao nhất nên chọn các thiết bị có hệ số nhiệt khi hoạt động càng nhỏ càng tốt, tránh tình trạng phải thu thập dữ liệu nhiều lần do hoạt động không ổn định vì dữ liệu cần đo có thể không tái tạo lại được 

5. Tiếng ồn bên trong

Tiếng ồn bên trong (Intrinsic noise hoặc inherent noise) là độ lớn của tín hiệu được phát ra từ bên trong micro, bất cứ âm thanh nào cho dù có được đưa vào micro hay không, nếu nhỏ giá trị này (ngay cả một âm thanh rất nhỏ) củng có thể được tách ra và phát hiện. Trên thế giới hiện này ghi nhận inherent noise nhỏ nhất của một micro đo tiếng ồn là khoảng 11dBA với loại có kích thước 1/2 inch 

Tham khảo thêm: Bộ 3 thiết bị chuyên dụng phân tích âm thanh máy móc công nghiệp