Tốc độ truyền âm là gì? Công thức tính và ứng dụng thực tế

Tốc độ truyền âm là một khái niệm quan trọng trong âm học và vật lý. Nó đề cập đến vận tốc mà sóng âm thanh lan truyền trong các môi trường khác nhau như không khí, nước hay kim loại.  Hiểu rõ tốc độ truyền âm giúp ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Bài viết này TKTech Vietnam sẽ cung cấp kiến thức toàn diện về tốc độ truyền âm cùng các ví dụ minh họa thực tế.

Tốc độ truyền âm là gì? 

Tốc độ truyền âm là tốc độ di chuyển của sóng âm thanh trong một môi trường nhất định. Nó được đo bằng đơn vị mét trên giây (m/s) hoặc kilômét trên giây (km/s).

Giá trị cụ thể của tốc độ âm thanh thường phụ thuộc vào loại môi trường mà sóng âm thanh đang truyền qua. Cụ thể:

• Môi trường truyền: Âm thanh di chuyển nhanh nhất trong chất rắn, chậm hơn trong chất lỏng và chậm nhất trong khí.
• Nhiệt độ: Tốc độ âm thanh tăng theo nhiệt độ.
• Độ ẩm: Tốc độ âm thanh giảm khi độ ẩm tăng.
• Thành phần hóa học của môi trường: Tốc độ âm thanh khác nhau trong các loại khí và chất lỏng khác nhau.

Tốc độ âm thanh trong các môi trường?

Nhìn chung, tốc độ truyền âm trong môi trường rắn lớn hơn môi trường lỏng, và lớn hơn môi trường khí.

Tốc độ truyền âm trong nước

Công thức Newton-Laplace (tốc độ truyền âm trong nước)

v = √(γRT)

Trong đó:

• v: Tốc độ truyền âm (m/s)
• γ: Tỷ số nhiệt dung của nước (khoảng 1,4)
• R: Hằng số khí lý tưởng (8,31 J/(mol·K))
• T: Nhiệt độ tuyệt đối của nước (K)

Ví dụ: 

Tính tốc độ truyền âm trong nước ở 25°C (298,15 K):

v = √(1,4 * 8,31 * 298,15) ≈ 1482 m/s

Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ âm trong nước. Càng cao nhiệt độ thì tốc độ càng tăng. Ví dụ ở 0°C tốc độ là 1402 m/s, ở 100°C tốc độ là 1553 m/s.

Độ mặn cũng làm tăng tốc độ âm trong nước. Trong nước biển có độ mặn cao hơn, tốc độ âm sẽ nhanh hơn so với nước ngọt cùng nhiệt độ.

Áp suất càng cao thì tốc độ âm càng tăng. Ở độ sâu lớn dưới biển, áp suất nước cao nên tốc độ âm cũng cao hơn so với ở mặt nước.

Tốc độ truyền âm trong không khí

Công thức Newton-Laplace (tốc độ truyền âm trong không khí)

v = √(γ x R x T)

Trong đó:

• v: Tốc độ âm thanh (m/s)
• γ: Tỷ số nhiệt dung (khoảng 1,4 cho không khí)
• R: Hằng số khí lý tưởng (8,31 J/(mol·K))
• T: Nhiệt độ tuyệt đối của không khí (K

Ví dụ: 

Tính tốc độ âm thanh trong không khí ở 20°C (293,15 K):

v = √(1,4 * 8,31 * 293,15) ≈ 343,2 m/s

Nhiệt độ không khí càng cao thì tốc độ âm càng tăng. Nguyên nhân là do khi nhiệt độ tăng, phân tử khí giãn nở ra làm tăng khoảng cách trung bình giữa chúng.

Độ ẩm càng cao thì tốc độ âm lại giảm đi. Hơi nước có khối lượng phân tử lớn hơn không khí khô nên làm chậm quá trình truyền âm.

Thành phần khí cũng ảnh hưởng đến tốc độ. Ví dụ CO2 có khối lượng phân tử lớn hơn không khí nên khi có nhiều CO2 thì tốc độ âm sẽ giảm.

Tốc độ truyền âm trong chất rắn

Công thức Navier-Stokes (tốc độ truyền âm trong chất rắn)

v = √(E/ρ)

Trong đó:

• v: Tốc độ truyền âm (m/s)
• E: Module đàn hồi (Pa)
• ρ: Mật độ vật liệu (kg/m³)

Ví dụ:

Tính tốc độ truyền âm trong thép ở 20°C:

• Module đàn hồi của thép (E) ≈ 200 GPa = 200 × 10^9 Pa
• Mật độ của thép (ρ) ≈ 7800 kg/m³

v = √(200 × 10^9 Pa / 7800 kg/m³) ≈ 5130 m/s

Tốc độ âm phụ thuộc vào loại vật liệu, nhìn chung càng đặc và đồng nhất thì tốc độ càng cao. Trong gỗ (3700 m/s) và đá không đồng nhất thì tốc độ thấp hơn kim loại.

Mật độ vật liệu càng cao thì tốc độ âm càng nhanh. Đó là lý do tốc độ âm trong thép nhanh hơn nhôm.

Nhiệt độ ảnh hưởng khác nhau đối với từng vật liệu. Trong nhôm và đá thì tốc độ giảm khi nhiệt độ tăng, nhưng trong thép thì tốc độ lại tăng theo nhiệt độ.

Lưu ý: Đây là giá trị trung bình, tốc độ thực tế có thể thay đổi tùy theo môi trường cụ thể. Để chuyển đổi tốc độ âm thanh từ m/s sang km/s, chia cho 1000. Từ km/s sang m/s, nhân với 1000.

Với các máy hiệu chuẩn âm thanh chuyên dụng, các kỹ sư có thể tinh chỉnh thiết bị đo âm thanh độ ồn về mức chính xác nhất

Tốc độ âm thanh và tốc độ ánh sáng

Tốc độ âm thanh và tốc độ ánh sáng khác nhau rất lớn vì tốc độ âm thanh chậm hơn tốc độ ánh sáng rất nhiều. Sự khác biệt tốc độ này dẫn đến một hiện tượng mà chúng ta có thể quan sát được. 

Ánh sáng di chuyển từ tia chớp đến mắt ta với tốc độ rất nhanh, trong khi âm thanh từ tiếng sấm di chuyển đến tai chậm hơn rất nhiều. Hơn nữa, âm thanh có thể truyền qua môi trường rắn, lỏng và khí, trong khi ánh sáng chỉ truyền qua được môi trường trong suốt.

Dưới đây là bảng so sánh giữa tốc độ ánh sáng và tốc độ âm thanh:

Nhìn chung, tốc độ ánh sáng rất lớn, xấp xỉ 300.000 km/giây trong chân không và hầu như không thay đổi trong các môi trường khác nhau. Ngược lại, tốc độ âm thanh dao động từ trăm đến nghìn m/giây tùy thuộc rất nhiều vào môi trường cũng như nhiệt độ xung quanh. Sự khác biệt lớn về tốc độ này là do ánh sáng và âm thanh có bản chất vật lý khác nhau.

Ứng dụng của tốc độ âm thanh

Tốc độ truyền âm thanh đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn đường và định vị trong âm học hàng hải và dưới nước. Các hệ thống sonar và radar dùng sóng âm để phát hiện và xác định vị trí của các đối tượng dưới nước bằng cách đo thời gian âm thanh di chuyển. Ngoài ra, với sự hiểu biết về tốc độ âm trong nước, các nhà nghiên cứu có thể tính toán chính xác khoảng cách đến các mục tiêu dưới nước.

Trong lĩnh vực y tế, siêu âm là một kỹ thuật quan trọng sử dụng sóng âm để tạo ra hình ảnh của các cơ quan bên trong cơ thể. Điều này được thực hiện bằng cách phân tích sự khác biệt về tốc độ âm trong các mô mềm và xương, cho phép bác sĩ phát hiện bất thường hoặc khúc xạ bất thường của sóng âm.

Tốc độ âm thanh cũng đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực địa vật lý và thăm dò. Các nhà khoa học sử dụng sóng âm để khảo sát địa chất, phát hiện mỏ dầu khí và khoáng sản dưới lòng đất. Bằng cách xác định tốc độ âm trong các lớp đá khác nhau, họ có thể ước tính thành phần và cấu trúc địa chất.

Trong kỹ thuật xây dựng, đo tốc độ âm trong bê tông là một phương pháp đánh giá chất lượng và phát hiện khuyết tật. Ngoài ra, kiểm tra phi phá hủy các kết cấu cũng dựa vào phân tích sự khác biệt tốc độ âm trong vật liệu để xác định các lỗi hoặc vết nứt tiềm ẩn.

Cuối cùng, hiểu biết về tốc độ truyền âm là cần thiết để mô hình hóa sự lan truyền tiếng ồn trong không khí và thiết kế các hệ thống âm thanh hiệu quả. Các kỹ sư dựa vào tốc độ âm trong không khí để tính toán cách âm và thiết kế phòng thu âm thanh chất lượng cao.

Hy vọng những chia sẻ về tốc độ truyền âm trong các môi trường khác nhau mà tôi cung cấp đã giúp bạn hiểu rõ hơn về chủ đề này. Nếu bạn có nhu cầu cần đo âm thanh, hãy liên hệ với TKTech chúng tôi qua hotline 028. 668 357 66 để được hỗ trợ tư vấn.