Bài giảng Dao động và Sóng (Phần 10)

Benjamin Crowell

Chương 4

Sóng phản xạ

Lời nói là cái tách biệt dứt khoát nhất đưa con người ra khỏi giới động vật. Không có loài nào khác có khả năng làm chủ cú pháp, và mặc dù tinh tinh có khả năng học từ vựng của dấu hiệu tay, nhưng có một sự khác biệt không thể nhầm lẫn giữa một đứa trẻ và một con vật con: bắt đầu từ khi sinh ra, con người đã trải nghiệm với sự sản sinh của những âm nói phức tạp.

Vì âm thanh giọng nói là theo bản năng đối với chúng ta, nên chúng ta hiếm khi nghĩ về chúng một cách có ý thức. Làm thế nào chúng ta điều khiển các sóng âm tài tình như thế ? Đa số chúng ta thực hiện điều đó bằng cách thay đổi hình dạng của một bộ máy gắn kết của những hộp rỗng trong ngực, cổ họng, và đầu của chúng ta. Không rõ vì sao, bằng cách di chuyển ranh giới của không gian này vào và ra, chúng ta có thể tạo ra mọi âm thanh nguyên âm. Tính cho đến lúc này, chúng ta vẫn chỉ đang nghiên cứu những tính chất của sóng có thể hiểu như thể chúng tồn tại trong một không gian mở, vô hạn. Trong chương này, chúng ta bàn về cái xảy ra khi một sóng bị giới hạn trong một không gian nhất định, hay khi một dạng sóng chạm phải ranh giới giữa hai môi trường khác nhau, như khi sóng ánh sáng chuyển động qua không khí chạm phải một ô cửa sổ bằng thủy tinh.

a/ Một người mò ngọc trai đã chụp ảnh con cá này, và ảnh phản xạ của nó, từ dưới nước. Ảnh phản xạ nằm ở phía trên, và được hình thành bởi sóng ánh sáng đi lên bề mặt nước, nhưng sau đó bị phản xạ trở lại vào trong nước.

4.1 Sự phản xạ, truyền và hấp thụ sóng

Sự phản xạ và truyền sóng

Sóng âm có thể vọng trở lại từ một vách đá, và sóng ánh sáng bị phản xạ khỏi bề mặt của một hồ nước. Chúng ta sử dụng từ phản xạ, thường chỉ áp dụng cho sóng ánh sáng trong ngôn ngữ hàng ngày, để mô tả bất kì trường hợp nào như thế của một sóng nảy trở lại từ một rào cản. Hình b cho thấy một sóng tròn đang bị phản xạ khỏi một bức tường thẳng đứng. Trong chương này, chúng ta sẽ tập trung chủ yếu vào sự phản xạ của sóng chuyển động trong không gian một chiều, như trong hình c.

Sự phản xạ sóng không có gì bất ngờ với chúng ta. Sau hết thảy, một đối tượng vật chất như một quả bóng cao su sẽ nảy trở lại theo kiểu giống hệt. Nhưng sóng không phải là những vật thể, và có một số bất ngờ đang chờ chúng ta.

Trước hết, chỉ một phần của sóng thường bị phản xạ. Hãy nhìn ra cửa sổ, chúng ta thấy sóng ánh sáng đi qua nó, nhưng một người đứng bên ngoài cũng sẽ có thể thấy ảnh phản xạ của cô ta ở trong kính. Sóng ánh sáng chạm tới thủy tinh một phần bị phản xạ và một phần truyền qua (đi qua) thủy tinh. Năng lượng của sóng ban đầu bị tách thành hai phần. Điều này khác với hành trạng của một quả bóng cao su, nó phải đi theo chiều này hoặc chiều kia, chứ không thể cả hai.

Thứ hai, xét cái bạn nhìn thấy khi bạn đang bơi dưới nước và bạn nhìn trở lên mặt nước. Bạn thấy ảnh phản xạ riêng của mình. Điều này hoàn toàn phản trực giác, vì chúng ta trông đợi sóng ánh sáng bật về phía trước để tự do trong không khí rộng mở bên trên. Một viên đạn bắn hướng lên mặt nước sẽ không bao giờ bật trở lại khỏi ranh giới nước-không khí! Hình a cho thấy một thí dụ tương tự.

Đâu là sự khác biệt giữa hai môi trường gây ra sóng một phần phản xạ tại ranh giới giữa chúng ? Có phải mật độ của chúng ? Hay thành phần hóa học của chúng ? Cuối cùng thì tất cả vấn đề là tốc độ của sóng trong hai môi trường. Sóng một phần bị phản xạ và một phần truyền qua ranh giới giữa các môi trường trong đó nó có tốc độ khác nhau. Chẳng hạn, tốc độ của sóng ánh sáng trong cửa kính nhỏ hơn trong không khí khoảng 30%, giải thích tại sao cửa sổ luôn luôn gây ra sự phản xạ. Hình d/1 và 2 cho thấy ví dụ của những xung sóng bị phản xạ tại ranh giới giữa hai lò xo cuộn có trọng lượng khác nhau, trong đó tốc độ sóng khác nhau.

Những sự phản xạ như b và c, trong đó một sóng gặp phải một vật nặng cố định, thường có thể hiểu về cơ sở là giống như các trường hợp d/1 và 2 trong phần sau của nó, nơi hai môi trường gặp nhau. Ví dụ c, chẳng hạn, giống như một phiên bản cực đoan hơn của ví dụ d/1. Nếu như cuộn lò xo nặng trong d/1 được chế tạo nặng hơn nữa, thì nó sẽ đi đến tác dụng giống như một bức tường cố định mà lò xo nhẹ trong hình c gắn vào đó.

Trong hình c, xung phản xạ bị lộn ngược xuống dưới, nhưng chiều sâu của nó bằng với chiều cao của xung ban đầu. Hỏi năng lượng của xung phản xạ so sánh như thế nào với năng lượng của xung ban đầu ?

Ví dụ 1. Cá có tai nghe bên trong

Tại sao loài cá không có lỗ tai ? Tốc độ của sóng âm trong cơ thể cá không khác biệt nhiều với tốc độ của chúng trong nước, nên sóng âm không bị phản xạ mạnh khỏi lớp da của cá. Chúng truyền thẳng qua cơ thể của nó, cho nên loài cá có thể có tai nghe bên trong.

Ví dụ 2. Tiếng hát của cá voi truyền đi khoảng cách xa

Sóng âm truyền đi ở tốc độ khác nhau rất nhiều trong đất đá, trong nước, và trong không khí. Tiếng hát cá voi do đó bị phản xạ mạnh cả tại đáy và trên mặt biển. Sóng âm có thể truyền đi hàng trăm dặm, bị phản xạ nhiều lần giữa đáy và mặt biển, và vẫn có thể phát hiện được. Thật không hay, các chất thải từ tàu thuyền đã gần như làm tuyệt diệt loài động vật có vú lí thú này.

Ví dụ 3. Truyền thông vô tuyến đường dài

Truyền thông vô tuyến có thể xảy ra giữa hai trạm nẳm ở hai bên đối ngược nhau của hành tinh. Cơ chế giống như đã giải thích trong ví dụ 2, nhưng ba môi trường có liên quan là Trái đất, khí quyển và tầng điện li.

Sonar là một phương pháp cho tàu thuyền và tàu ngầm phát hiện ra nhau bằng cách tạo ra sóng âm và lắng nghe tiếng vọng lại. Hỏi một vật ở duới nước phải có những tính chất gì để không bị nhìn thấy đối với sonar ?

Việc sử dụng từ “phản xạ” thường mang lại ý tưởng sự hình thành ảnh bởi một cái gương, nhưng điều này có thể gây rắc rối, vì chúng ta thường không nhắc tới “phản xạ” khi chúng ta nhìn vào các bề mặt không sáng bóng. Tuy nhiên, phản xạ là cách thức chúng ta nhìn thấy bề mặt của tất cả các vật, không chỉ các vật được đánh bóng. Khi chúng ta nhìn vào vỉa hè, chẳng hạn, thật ra chúng ta đang nhìn sự phản xạ của Mặt trời khỏi bê tông. Lí do chúng ta không nhìn thấy ảnh của Mặt trời tại chân của chúng ta đơn giản là vì bề mặt gồ ghề làm nhòe hình ảnh đi quá nhiều.

d/1. Một sóng trong lò xo nhẹ, trong đó tốc độ sóng lớn hơn, truyền sang bên trái và sau đó một phần phản xạ và một phần truyền qua tại ranh giới với cuộn lò xo nặng hơn, cuộn có tốc độ sóng thấp hơn. Sóng phản xạ bị lộn ngược. 2. Một sóng truyền sang phải trong lò nặng bị phản xạ một phần tại ranh giới với lò xo nhẹ hơn. Sóng phản xạ không bị lộn ngược

Sự phản xạ lộn ngược và không lộn ngược

Hãy để ý cách thức xung sóng bị phản xạ trở lại sang bên phải trong ví dụ d/1 lộn ngược trở xuống, trong khi xung sóng phản xạ sang bên trái trong ví dụ 2 vẫn ở dạng thẳng đứng ban đầu của nó. Điều này cũng đúng đối với những sóng khác. Nói chung, có hai loại phản xạ có thể có, một phản xạ trở lại vào môi trường nhanh hơn và một phản xạ trở lại vào môi trường chậm hơn. Một loại sẽ luôn luôn là phản xạ lộn ngược và một loại không lộn ngược.

Điều quan trọng phải nhận ra là chúng ta nói về sự phản xạ lộn ngược và không lộn ngược trên một sợi dây, chúng ta có đang nói về sóng bị lật ngang qua hướng của chuyển động hay không (tức là lộn ngược xuống trong những hình vẽ này). Xung phản xạ sẽ luôn luôn bị đảo từ trước ra sau, như biểu diễn trong hình e. Đây là vì nó đang truyền theo một hướng khác. Mặt trước của xung là cái bị phản xạ trước, nên nó vẫn ở phía trước khi nó bắt đầu chạy lùi sang trái – đúng là “phía trước” bây giờ là ở hướng ngược lại.

e/ 1.  Một phản xạ không lộn ngược. Xung phản xạ đảo từ trước ra sau, nhưng không bị lộn ngược xuống. 2.  Một phản xạ lộn ngược. Xung phản xạ bị đảo từ trước ra sau và trên xuống dưới.

f/ Một xung đang truyền qua một môi trường hấp thụ cao.

Sự hấp thụ sóng

Từ trước đến nay, chúng ta đã ngầm giả định rằng năng lượng sóng vẫn giữ nguyên là năng lượng sóng, và nó không bị chuyển hóa thành bất kì dạng nào khác. Nếu điều này đúng, thì thế giới sẽ trở nên càng lúc càng tràn ngập sóng âm, chúng có thể không bao giờ thoát ra vào chân không của vũ trụ ngoài kia. Trong thực tế, bất kì sóng cơ nào gồm một kiểu dao động đang lan truyền của một số môi trường vật chất, và các dao động của vật chất luôn luôn tạo ra nhiệt, như khi bạn uốn cong một thanh sắt tới lui làm cho nó nóng lên. Như vậy, chúng ta có thể trông đợi trong các sóng cơ như sóng nước, sóng âm hay sóng trên một sợi dây, năng lượng sóng sẽ chuyển hóa từ từ thành nhiệt. Đây được xem là sự hấp thụ sóng.

Sóng đó chịu một sự giảm về biên độ, như chỉ rõ trong hình f. Sự giảm biên độ gắn liền với sự thay đổi nhỏ tương đương ở từng đơn vị của khoảng cách đi được. Ví dụ, nếu một sóng giảm từ biên độ 2 xuống biên độ 1 trên quãng đường 1 mét, thì sau khi truyền thêm 1 mét nữa, nó sẽ có biên độ là 1/2. Nghĩa là, sự giảm biên độ là theo hàm mũ. Điều này có thể chứng minh như sau. Theo nguyên lí chồng chất, chúng ta biết rằng một sóng có biên độ 2 phải hành xử giống như sự chồng chất của hai sóng giống hệt nhau có biên độ 1. Nếu một sóng đơn biên độ 1 giảm xuống biên độ 1/2 trên một quãng đường nhất định, thì hai sóng biên độ 1 chồng chất lên nhau tạo ra biên độ 1 + 1 = 2 phải giảm xuống biên độ 1/2 + 1/2 = 1 trên cùng quãng đường đó.

Khi một sóng chịu sự hấp thụ, nó mất năng lượng. Có phải điều này có nghĩa là nó chậm đi ?

Trong nhiều trường hợp, hiệu ứng nhiệt do ma sát này khá yếu. Sóng âm trong không khí, chẳng hạn, tiêu tán thành nhiệt cực kì chậm, và âm thanh của bản thánh ca trong một giáo đường có thể vang vọng đến cỡ 3 hay 4 giây trước khi nó trở nên không nghe thấy nữa. Trong thời gian này, nó đã đi hơn 1 km ! Mặc dù sự tiêu tán rất thường xuyên này của năng lượng chủ yếu xuất hiện dưới dạng nhiệt của các bức tường nhà thờ và bởi sự rò rĩ âm thanh ra bên ngoài (nơi nó cuối cùng sẽ đi đến thành nhiệt). Dưới những điều kiện thích hợp (không khí ẩm và tần số thấp), một sóng âm trong một ống thẳng trên lí thuyết có thể truyền đi hàng trăm kilo mét trước khi bị tắt đi đáng kể.

g/ Tia X là sóng ánh sáng có tần số rất cao. Chúng bị hấp thụ mạnh bởi xương, nhưng bị hấp thụ yếu bởi da thịt.

Nói chung, sự hấp thụ sóng cơ phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hóa học và cấu trúc vi mô của môi trường. Các gợn sóng trên mặt của hóa chất chống đông, chẳng hạn, tắt đi cực kì nhanh so với các gợn sóng trên nước. Đối với sóng âm hay sóng mặt trong chất lỏng và chất khí, vấn đề là tính nhớt của chất, tức là nó chảy dễ dàng giống như nước hoặc thủy ngân hay khó chảy hơn như mật đường hoặc chất chống đông. Điều này giải thích tại sao sự mong đợi trực giác của chúng ta về sự hấp thụ mạnh của âm thanh trong nước là không đúng. Nước là chất hấp thụ âm thanh (như tiếng hát cá voi và sonar) rất yếu, và trực giác không đúng của chúng ta phát sinh do để ý vào tính chất không hợp lí của nước: mật độ cao của nước, nó không có liên quan, thay vì độ nhớt thấp của nó, đó là vấn đề chính.

Ánh sáng là một trường hợp lí thú, vì mặc dù nó có thể truyền qua vật chất, nhưng bản thân nó không phải là dao động của bất kì một chất liệu vật chất nào. Do đó chúng ta có thể nhìn ngắm ngôi sao Sirius, cách chúng ta 10¹⁴ km, và chắc chắn rằng không có ánh sáng nào của nó bị hấp thụ trong chân không của không gian vũ trụ trong hành trình 9 năm của nó đi tới chúng ta. Kính thiên văn vũ trụ Hubble thường quan sát ánh sáng ở trong hành trình của nó đi tới chúng ta kể từ lịch sử sơ khai của vũ trụ, cách nay hàng tỉ năm. Tất nhiên năng lượng của ánh sáng có thể bị tiêu tán nếu như nó thật sự đi qua vật chất (và ánh sáng phát ra từ các thiên hà xa xôi thường bị hấp thụ nếu như có đám mây khí hay bụi chen giữa đường truyền của chúng).

Ví dụ 4 Sự cách âm

Thông thường, những người nhạc sĩ nghiệp dư tiến hành cách âm cho nhà để xe của họ có xu hướng nghĩ rằng họ dễ dàng che phủ các bức tường với chất liệu dày đặc nhất có thể có. Thật ra, âm thanh không bị hấp thụ mạnh lắm ngay cả khi truyền qua vài ba inch gỗ. Một chiến lược cách âm tốt hơn là tạo ra một sandwich các lớp chất liệu xen kẽ trong đó tốc độ âm thanh rất khác nhau, để khuyến khích sự phản xạ.

Thiết kế cổ điển là các lớp sợi thủy tinh và gỗ dán. Tốc độ của âm thanh trong gỗ dán rất cao, do tính cứng của nó, còn tốc độ của âm thanh trong sợi thủy tinh về cơ bản bằng với tốc độ của nó trong không khí. Cả hai chất đều là chất hấp thụ âm khá tốt, nhưng sóng âm truyền qua một vài inch của chúng vẫn không bị hấp thụ một cách thích đáng. Điểm kết hợp chúng là một sóng âm cố gắng thoát ra sẽ bị phản xạ mạnh tại từng ranh giới sợi thủy tinh-gỗ dán, và sẽ bật tới lui nhiều lần giống như một quả bóng bàn. Do tất cả các chuyển động tới lui, nên âm thanh có thể đi đến truyền đi một quãng đường tổng cộng bằng với hàng chục lần chiều dày thật sự của lớp cách âm trước khi nó thoát ra. Điều này tương đương với việc có được chất hấp thụ âm dày gấp hàng chục lần.

Ví dụ 5. Bong bóng bơi

Bong bóng bơi của một con cá, đã nói tới trong bài tập 2 ở chương 2, thường đặt ngay liền kề tai của cá. Như đã trình bày trong ví dụ 1 ở trang trước, cơ thể cá gần như trong suốt đối với âm thanh, nên thật sự khó mà thu được bất kì năng lượng sóng âm nào tự đọng lại trong cá sao cho cá có thể nghe nó! Cơ sở vật lí ở đây hầu như giống hệt như cơ sở vật lí đã trình bày trong ví dụ 4 ở trên, với cái bong bóng cá chứa đầy khí đóng vai trò của một chất mật độ thấp

Ví dụ 6. Truyền sóng vô tuyến

Một đài truyền thanh, như một đài phát thanh thương mại hay một đài phát thanh “cùi bắp” nghiệp dư, phải có một chiều dài dây dẫn hay dây cáp nối máy khuếch đại với ănten. Dây cáp và ănten đóng vai trò như hai môi trường khác nhau cho sóng vô tuyến, và do đó sẽ có sự phản xạ một phần của sóng khi chúng đi từ dây cáp sang ănten. Nếu sóng phản xạ tới lui tới lui nhiều lần giữa máy khuếch đại và ănten, thì rất nhiều năng lượng của chúng sẽ bị hấp thụ. Có hai cách khắc phục vấn đề. Một khả năng là thiết kế ănten sao cho tốc độ của sóng trong nó càng gần càng tốt với tốc độ của nó trong cáp; điều này làm giảm tối thiểu lượng phản xạ. Một phương pháp nữa là nối máy khuếch đại với ănten bằng một loại dây hay cáp không hấp thụ mạnh các sóng. Sự phản xạ một phần khi đó không có liên quan, vì tất cả năng lượng sóng cuối cùng sẽ thoát ra qua ănten.

Một sóng âm chịu sự phản xạ đảo ngược áp suất sẽ có những chỗ nén của nó chuyển thành giãn và ngược lại. Năng lượng và tần số của nó so như thế nào với năng lượng và tần số của âm ban đầu ? Nó sẽ nghe khác đi chút nào không ? Điều gì xảy ra nếu bạn hoán đổi hai dây dẫn nơi chúng nối với một loa stereo, mang lại sóng dao động theo kiểu ngược lại ?

Còn tiếp...

Phần 9