Sóng âm là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Tóm tắt: Sóng âm là dao động cơ học không gian–thời gian dưới dạng sóng dọc, lan truyền trong môi trường khí, lỏng hoặc rắn, tạo biến thiên áp suất và mật độ; ứng dụng trong y sinh, công nghiệp và viễn thám.

Định nghĩa sóng âm

Sóng âm là dao động cơ học lan truyền theo hướng dọc, trong đó các phân tử môi trường (khí, lỏng hoặc rắn) dao động lên xuống song song với hướng lan truyền sóng. Sóng âm truyền tải năng lượng và thông tin dưới dạng biến thiên áp suất và mật độ thay đổi đột ngột.

Âm thanh con người nghe được thường có tần số từ 20 Hz đến 20 kHz. Các tần số thấp hơn gọi là hạ âm (infrasound), ngưỡng dưới 20 Hz; cao hơn là siêu âm (ultrasound), trên 20 kHz, có ứng dụng rộng trong y học và công nghiệp.

Môi trường truyền âm cần có tính đàn hồi và khối lượng phân tử để dao động; trong chân không sóng âm không thể truyền đi do thiếu chất mang dao động.

Đặc tính vật lý cơ bản

Ba thông số cơ bản mô tả sóng âm:

• Tần số (f): số dao động mỗi giây, đơn vị Hz.
• Bước sóng (λ): khoảng cách giữa hai điểm dao động cùng pha, λ = c/f.
• Vận tốc truyền (c): tốc độ lan truyền của biến thiên áp suất trong môi trường.

Một đại lượng quan trọng khác là cường độ âm (I) đo công suất truyền qua đơn vị diện tích vuông góc với phương lan truyền. Cường độ và mức áp suất âm được liên hệ qua công thức:

$I = \frac{p_{\mathrm{rms}}^2}{\rho c}$

trong đó prms là áp suất hiệu dụng, ρ mật độ môi trường, và c vận tốc âm.

Phương trình sóng âm

Sóng âm trong môi trường đồng nhất và không có nguồn (nếu bỏ qua tổn hao) thỏa mãn phương trình sóng một chiều:

$\frac{\partial^2 p}{\partial x^2} = \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 p}{\partial t^2}$

Trong không gian ba chiều, áp lực p tuân theo:

$\nabla^2 p - \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 p}{\partial t^2} = 0$

Phương trình này cho thấy mỗi điểm trong môi trường đóng vai trò trung tâm phát sóng, với dạng nghiệm tổng hợp của sóng phẳng, sóng cầu hoặc sóng hình trụ, tùy điều kiện biên và nguồn phát.

Tần số, bước sóng và biên độ

Khoảng nghe được và ứng dụng đặc thù tương ứng với tần số:

Biên độ sóng quyết định mức áp suất tối đa pmax và năng lượng sóng mang theo, quy đổi theo decibel (dB SPL) để đo lường trong thực tế (NIST Acoustic Measurements).

Truyền âm trong môi trường

Sóng âm khi lan truyền trải qua các hiện tượng:

• Hấp thụ: Mất năng lượng do ma sát nội phân tử, phụ thuộc tần số cao tăng hấp thụ.
• Tán xạ: Sóng phân tán khi gặp vật cản kích thước tương đương bước sóng.
• Lan truyền đa đường: Phản xạ và khúc xạ tạo nhiều đường lan truyền đến người nghe, gây nhiễu pha.

Phản xạ, khúc xạ, và nhiễu xạ

Phản xạ tại bề mặt cứng tuân theo góc tới bằng góc phản xạ. Khúc xạ tại biên phân cách hai môi trường tần số khác nhau, đo theo định luật Snell:

$\frac{\sin\theta_i}{c_1} = \frac{\sin\theta_t}{c_2}$

Nhiễu xạ quan trọng khi sóng gặp khe hẹp hoặc vật cản, lan truyền vào vùng bóng tối. Hiệu ứng này ứng dụng trong thiết kế phòng thu và sonar (IEEE Xplore).

Ứng dụng y tế và công nghiệp

• Siêu âm y tế: Hình ảnh mô mềm, siêu âm Doppler đo lưu lượng máu, phá sỏi thận ( WHO Ultrasound).
• Siêu âm công nghiệp: Kiểm tra khuyết tật vật liệu, đo độ dày, hàn tự động.
• Sonar: Định vị tàu ngầm và vật thể dưới nước, khảo sát đáy biển ( US Navy Sonar).

Đo lường và thiết bị

Microphone ghi áp suất âm trong không khí; hydrophone sử dụng piezoelectric sensor thu sóng âm dưới nước; đầu dò siêu âm dùng transducer PZT chuyển đổi điện–áp suất.

• **Độ nhạy**: đo theo dB re 1 V/Pa.
• **Dải tần**: micro 20 Hz–20 kHz; hydrophone 1 Hz–1 MHz.

Tác động sinh học và an toàn

Sóng âm cường độ cao gây tổn thương mô qua hiệu ứng nhiệt và cơ học. Quy định an toàn IEC 60601 giới hạn áp suất đỉnh và năng lượng tích lũy (IEC).

Hướng nghiên cứu tương lai

Meta-materi acoustic và âm học định hướng dùng cấu trúc siêu vật liệu để kiểm soát sóng, tập trung năng lượng tại điểm mong muốn. AI xử lý tín hiệu siêu âm hội tụ tăng độ phân giải hình ảnh và giảm tổn thương mô ( Nature Materials).

Phát triển sóng âm cho truyền thông không dây dưới nước và y sinh trị liệu bằng siêu âm tập trung (HIFU) cho bước sóng ngắn, ứng dụng điều trị ung thư không xâm lấn.

Tóm tắt: Sóng âm là dao động cơ học không gian–thời gian dưới dạng sóng dọc, lan truyền trong môi trường khí, lỏng hoặc rắn, tạo biến thiên áp suất và mật độ; ứng dụng trong y sinh, công nghiệp và viễn thám.