by 2. Âm thanh và sự uốn nắn đường đi của âm thanh
Con người liên thông với môi trường xung quanh bằng ngũ giác. Trong đó thị giác và thính giác gần như là hai cảm nhận chính khi con người tiếp xúc với môi trường. Thị giác là sự cảm nhận nhờ vào phản xạ của ánh sáng được đưa lên bộ não xử lý trước cảm nhận của âm thanh. Thị giác qua đôi mắt cho ta sự nhận thức tức thời đến màu sắc rực rỡ và sự hùng vĩ của thiên nhiên cũng như sự linh động ba chiều của môi trường xung quanh. Sự phong phú và đa dạng của những thông tin thị giác ồ ạt áp đảo thính giác. Cho nên để có một cảm xúc toàn vẹn với thính giác chúng ta thường nhắm mắt lại, cắt đứt quấy nhiễu của thị giác, sâu sắc lắng nghe những nhịp điệu âm thanh len lỏi vào tâm thức. Khi âm thanh được sắp xếp theo một giai điệu trầm bổng thì chúng sẽ biến thành những dòng nhạc lời thơ khơi gợi lên nhiều nỗi hoài niệm hay cảm xúc dâng trào. Tiếng Việt là một ngôn ngữ giàu chất thơ có âm điệu nhẹ nhàng trầm bổng, "Tôi đưa em sang sông, chiều xưa mưa rơi âm thầm, để thấm ướt chiếc áo xanh, và đẫm ướt mái tóc em…" (Nhạc Nhật Ngân và Y Vũ). Âm thanh nối kết với cảm xúc một cách thầm lặng.Nhìn theo quy luật âm dương, nếu thị giác có tính dương thì thính giác mang tính âm. Không có gì ngạc nhiên khi các chuyên gia tâm lý hay thần kinh học dùng âm nhạc tạo ra cảm xúc nhất định để khảo sát một trạng thái hay phản ứng tâm lý. Tiếng động hay tiếng kêu dù đơn điệu cũng đem lại một thoáng bồi hồi, ngược dòng thời gian mang ta về một kỷ niệm xa xưa gặp lại những hồi ức pha chút bâng khuâng; có thể đó là tiếng chuông chùa hoàng hôn, tiếng dế đêm thâu hoặc tiếng gà gáy trong sương sớm. Tú Xương từng khắc khoải trong những niềm tiếc nuối, "Vẳng nghe tiếng ếch bên tai. Giật mình còn tưởng tiếng ai gọi đò". Ngược lại, âm thanh khi là một tạp âm như tiếng ồn của xe, tiếng rít của gió hay tiếng nổ của bom thì cảm nhận của ta biến chuyển từ bứt rứt đến hãi hùng. Thính giác thật sự có một tầm quan trọng đến tinh thần và sự hài hòa của tâm lý con người.
Cũng như quang phổ của sóng điện từ, âm phổ của âm thanh có tần số từ thấp đến cao (Phụ lục a). Mắt con người cảm nhận được một băng tần rất nhỏ của quang phổ sóng điện từ; đó là vùng ánh sáng khả thị thể hiện bằng màu sắc. Tai con người cảm nhận vùng âm thanh nghe được trong băng tần 20 Hz cho đến 20.000 Hz (Hình 2). Băng tần này bị thu ngắn khi tuổi đời gia tăng. Có loài vật có thể nghe được những âm thanh thấp hơn 20 Hz hay cao hơn 20.000 Hz. Tiếng bass của nhạc, tiếng động cơ xe tải hay tiếng lè nhè của gã say rượu là âm thanh có tần số thấp (100 – 500 Hz). Nói đến âm thanh có tần số cao ta nhớ ngay đến giọng ca trong như ngọc và cao vút của ca sĩ Thái Thanh hay Dolly Parton, tiếng hót của loài chim, và cao hơn nữa thì phải nói đến tiếng rít của gió và âm thanh cọ xát chát chúa của hai thanh sắt. Giọng đàn ông trầm (tần số thấp) hơn giọng đàn bà. Những nốt của chiếc đàn piano có tần số từ 30 đến 4000 Hz. Dưới 30 Hz hay trên 4000 Hz, tai con người vẫn cảm nhận âm thanh nhưng không biệt được độ cao thấp. Tiếng hát của Dolly Parton có thể đạt đến 1.000 Hz. Cao hơn nữa thì cần trải nghiệm của Tô Đông Pha, "hốt văn sư tử Hà Đông hống" (bỗng nghe sư tử Hà Đông rống) từ chất giọng the thé của các bà hàng xóm lúc cãi nhau, tần số có thể chạm đến 4.000 Hz! Cho nên, những nốt nhạc trên 4000 Hz chỉ là những "loạn âm". Sự bứt rứt khó chịu hay sự an bình thư giãn gây ra bởi âm thanh đều tùy thuộc vào tần số.
Hình 2: Vùng khả thính của tai con người chỉ chiếm một phần nhỏ của âm phổ từ 20 đến 20.000 Hz (20 KHz). Chỉ có một số loài vật mới nghe được vùng hạ âm (nhỏ hơn 20 Hz) hay siêu âm (cao hơn 20.000 Hz). (Nguồn: Google)
Cùng với sự phát triển của nền công nghiệp, tiếng ồn như là một sản phẩm phụ phiền toái trở nên một phần của cuộc sống. Hơn nửa thế kỷ qua, kỹ sư âm học đã áp dụng nhiều phương pháp giảm thanh ngăn chặn tiếng ồn nhưng vẫn không bắt kịp trước sự thay đổi nhanh chóng của xã hội và nhu cầu to lớn của con người. Tiếng gầm thét của các loại máy bay dân dụng khổng lồ như Boeing 747 Dreamliner, máy bay vận tải Antonov hay tiếng rầm rập đinh tai nhức óc của chiếc xe lửa cao tốc Shinkansen (Nhật Bản) chạy 350 km/h là những ô nhiễm môi trường đe dọa sức khỏe con người và sự an vui trong đời sống. Dù những chiếc xe hơi, xe máy hiện đại được lắp ráp với những cỗ máy êm tai và bộ phận giảm thanh nhưng số lượng xe càng ngày càng nhiều và tiếng ồn gia tăng. Giờ cao điểm kéo dài hơn, thời gian và không gian mà con người có thể tìm được sự yên bình với những tiếng động nhẹ nhàng của thiên nhiên dần dà thu hẹp rồi biến mất.
Con người đã chế tạo ra nhiều thiết bị hay vật liệu để uốn nắn đường đi ánh sáng hay dập tắt nó (hấp thụ) cho nhiều mục đích. Các nhà vật lý và kỹ sư âm học cũng làm điều tương tự để chế ngự đường đi của âm thanh và chế tạo những thiết bị giảm thanh phức tạp. Thật ra, sự uốn nắn đường đi của âm thanh có một lịch sử lâu đời ngàn năm. Những kỹ sư âm học và kiến trúc sư châu Âu từ thời Trung Cổ đã là bậc thầy trong việc điều chỉnh đường đi của âm thanh qua sự phản hồi hay hấp thụ năng lượng âm thanh trong các kiến trúc giáo đường. Giáo đường được xây cất sao cho lời giảng của linh mục được phản hồi từ trần nhà, tường xung quanh để truyền tải đến tai mọi người. Mái vòm khổng lồ của đại thánh đường Firenze hay chiều cao và kích thước của đại thánh đường Milano tại Ý là những kiệt tác không chỉ của vẻ đẹp kiến trúc mà còn của âm hưởng học. Sau giáo đường, xây dựng nhạc viện hiện đại là một thử thách khác đối với kỹ sư và khoa học gia âm học. Họ nghiên cứu sự liên hệ giữa tiếng vang (reverberation) của từng nốt nhạc với kích thước nhạc viện và số lượng khán giả. Mỗi nốt nhạc cần có tiếng vang không dài quá cũng như không ngắn quá. Nếu thính phòng quá lớn thì âm thanh kéo dài, những nốt nhạc đi sau chồng lên tiếng vang của nốt đi trước, trở nên "loạn âm". Con người là một thể mềm hấp thụ âm thanh hiệu quả. Đồ đạc là vật phản hồi hay hấp thụ. Nếu số lượng người quá đông hay đồ đạc quá nhiều trong một thính phòng nhỏ thì tiếng vang quá ngắn, bài nhạc trở nên nhạt nhẽo. Trong nhà, phòng tắm cho tiếng vang nhiều hơn phòng ngủ. "Văn nghệ nhà tắm" là một hiện tượng phổ biến. Người ta thích ca linh tinh trong phòng tắm hơn phòng ngủ vì ai cũng thích nghe tiếng vang lời ca của mình hòa trong những dòng nước ấm áp ngọt ngào dù giọng ca đôi khi chỉ là chất giọng của loài vịt...
3. Bộ lọc âm thanh từ một tác phẩm nghệ thuật
Nghệ thuật và khoa học là hai phạm trù khác nhau, nhưng chúng có những không gian tương tác nhất định. Leonardo da Vinci được biết như là một nhân vật nối kết giữa khoa học và nghệ thuật. Ngoài bức tranh nổi tiếng Mona Lisa với nụ cười mỉm thánh thiện lừng danh, ông còn là tác giả của những bức họa y khoa vô cũng tỉ mỉ và chính xác. Khoa học được áp dụng vào nghệ thuật trên nhiều phương diện như tổng hợp vật liệu hay các loại sơn bền tốt cho hội họa, tạo ra những lớp phủ để bảo vệ các tác phẩm nghệ thuật hay cung cấp những vật liệu cần thiết cho ngành điêu khắc. Những định luật vật lý về màu sắc, quy luật hóa học pha chế màu từ các loại dung môi đã giúp họa sĩ vẽ nên những bức họa nổi tiếng và tồn tại qua nhiều thế kỷ. Nhưng hiếm khi một tác phẩm nghệ thuật không những trở thành đối tượng nghiên cứu khoa học mà còn dẫn đến một đề tài "nóng" được thảo luận và khảo sát trong giới khoa học kéo dài qua nhiều thập niên.Eusebio Sempere (1923-1985), một điêu khắc gia, họa sĩ nổi tiếng người Tây Ban Nha thuộc trường phái tối giản (minimalism) đã dựng lên một vật thể nghệ thuật bằng những ống thép bình thường (Hình 3) đặt trong một công viên tại thành phố Madrid (Tây Ban Nha). Những ống thép có đường kính 2,9 cm và đặt theo một khoảng cách 10 cm trên một bệ tròn. Tiến sĩ Francisco Meseguer, nhà vật lý quang học của Viện Khoa học Vật liệu tại Madrid, trong một buổi tối "chén chú chén anh" một người bạn đề nghị ông khảo sát tính chất âm học cái tác phẩm "tối giản" của Sempere. Ông và cộng sự kéo nhau ra ngoài công viên đặt ống loa và micrô xung quanh vật thể. Một bên, ống loa phát ra những tần số âm thanh khác nhau từ thấp đến cao. Bên kia, bộ cảm âm (micrô) thu nhận âm từ ống loa đi xuyên qua các ống thép. Cuộc thực nghiệm dã ngoại của Meseguer và cộng sự cho ra kết quả thú vị và được nhanh chóng đăng tải lên tạp chí Nature qua dạng một bức thư báo cáo ngắn xuất bản năm 1995. Ba năm sau, nhóm này đăng môt bài báo cáo bài bản hơn trên tạp chí Physical Review Letters.
Hình 3: Tác phẩm nghệ thuật của Eusebio Sempere. (Nguồn: Google)
Từ quan điểm khoa học, tác phẩm của Sempere là một cấu trúc có thành phần được sắp xếp theo một trật tự có khoảng cách (chu kỳ) nhất định và có thể xem là một hệ thống tinh thể phonon. Trong đó, những ống thép là những "nguyên tử" giống như nguyên tử chlorine (Cl) và sodium (Na) trong muối hay nguyên tử carbon (C) trong kim cương.Nhóm Meseguer sử dụng sóng âm có tần số 1 đến 4 kHz cho thí nghiệm. Kết quả cho thấy phần lớn âm thanh len lỏi đi qua các ống thép, nhưng âm thanh có tần số 1,67 kHz bị ngăn chặn và không được micrô ghi nhận. Tác phẩm của Sempere có đặc điểm như một bộ lọc âm thanh. Như vậy, âm thanh có tần số 1,67 kHz đã đi về đâu? Khi sóng âm tác động lên một vật thể, sóng sẽ đi xuyên qua vật thể (truyền âm), phản hồi hay hấp thụ. Phần âm thanh đi qua hệ thống ống thép đã được micrô ghi nhận thì không có gì đáng nói. Phần âm thanh không được ghi nhận chỉ có thể phản hồi hay bị hấp thụ. Các ống thép quá cứng cho việc hấp thụ âm thanh nhưng chúng lại là những vật làm phát tán sóng âm rất hữu hiệu. Cho nên, âm thanh chỉ có thể phản hồi theo một hướng khác chệch ra ngoài vị trí đặt chiếc micrô. Câu hỏi kế tiếp là tại sao có băng tần phản hồi và băng tần mà sóng có thể xuyên qua như không có vật gì cản trở?
Để hiểu rõ kết quả của nhóm Meseguer, hãy tưởng tượng ta đi lang thang trong một ngôi rừng cao su, nơi những cây cao su giống nhau được trồng thành hàng theo một trật tự. Ngoài bìa rừng, một dàn nhạc giao hưởng đầy đủ mọi nhạc cụ đang trình diễn những bài nhạc cổ điển. Khi âm thanh của dàn nhạc chạm vào đôi tai thì chúng đã bị biến đổi. Hệ quả là trong rừng ta chỉ nghe được tiếng trầm của cây đàn cello và tiếng bổng của cây violin, âm thanh của các nhạc cụ khác giữa hai cực trầm và bổng này không được truyền đến đôi tai. Việc băng tần "biến mất" cũng tương tự như hiện tượng được ghi nhận bởi nhóm Meseguer từ tác phẩm Sampere.
Để hình dung được tác động của sóng trên các ống thép, ta hãy hình tượng mặt hồ gợn sóng bởi những làn gió nhẹ. Sóng nước tác động lên một cây cột cắm vào đáy hồ, cây cột sẽ làm phân tán sóng theo hưóng ngược lại. Khi nhiều cây cột được cắm theo một trật tự có hàng có dọc thì sóng tác động lên từ cột này sang cột khác. Nhờ vào cách sắp xếp có trật tự theo một khoảng cách (chu kỳ) nhất định, sự phân tán sóng tràn ngập trong toàn thể hệ thống các cây cột. Sóng phân tán tác động lên nhau gây ra hiện tượng giao thoa (nhiễu). Trong hiện tượng giao thoa khi hai luồng sóng phân tán nhấp nhô gặp nhau có 3 trường hợp xảy ra: (1) nếu điểm đỉnh của chúng gặp nhau ta sẽ có giao thoa tăng (constructive interference) và (2) nếu điểm đỉnh của luồng sóng này gặp điểm đáy của luồng sóng kia ta sẽ có giao thoa giảm (distructive interference) và (3) những tình huống giao thoa đâu đó giữa (1) và (2).
Trở lại kết quả của nhóm Meseguer, ta phải giải thích tại sao tác phẩm ống thép ngăn chặn sóng âm có tần số 1,67 kHz nhưng cho sóng âm ở các tần số khác xuyên qua. Để hiểu rõ thí nghiệm của nhóm Meseguer một cách định lượng chúng ta cần áp dụng định luật nhiễu xạ Bragg. Theo định luật Bragg, khi sóng có bước sóng bằng 2 lần khoảng cách giữa hai ống thép thì ta có sự giao thoa tăng (trường hợp 1) (Phụ lục d, công thức P4). Luồng sóng này phản hồi, nghĩa là không xuyên qua hệ thống ống thép. Những luồng sóng với bước sóng khác sẽ lọt vào trường hợp 2 và 3 và sẽ đi xuyên qua hệ thống các ống thép.
Nói một cách khác, khi sóng tác động lên một hệ thống có thành phần được sắp xếp có trật tự theo một chu kỳ (khoảng cách giữa các thành phần) thì vùng cấm xuất hiện. Nghĩa là, vùng cấm là nơi sóng có tần số fo bị "cấm" xuyên qua vật thể, nhưng sóng có tần số lớn hoặc nhỏ hơn fo thì có thể xuyên qua, tương tự như chùm tia X bị nhiễu hay không bị nhiễu trong Hình P2 (Phụ lục d). Vật thể này có thể xem như bộ lọc tần số, ngăn chặn một tần số nhưng cho các tần số khác đi qua. Như được trình bày trong Phụ lục e, kết quả tính toán dùng định luật Bragg cho thấy fo = 1,715 kHz rất gần với trị số thực nghiệm 1,67 kHz.
Sau cuộc thực nghiệm dã ngoại của nhóm Meseguer một số thực nghiệm được triển khai cho các loại ống kim loại lớn nhỏ, xen kẽ các ống thép có kích cỡ khác nhau theo một chu kỳ nhất định. Một công trình khác cho thấy cách sắp xếp các ống theo hình tam giác thay cho hình vuông (Hình 4) sẽ có hiệu quả ngăn chặn âm thanh trên một băng tần rộng tương đương với bức tường gạch. Cây trồng hay bụi cây có đường kính và chiều cao khác nhau được trồng theo một trật tự cũng cho thấy hiệu quả ngăn chặn và phân tán âm thanh. Mục đích của các thực nghiệm nhằm tạo những ứng dụng thực tế như việc giảm tiếng ồn của xe, đồng thời giảm chi phí so với việc xây dựng những bức tường gạch và tạo ra một cảnh quan đẹp dọc theo các tuyến đường cao tốc. Trong các nhà máy, người ta dùng các ống thép để làm giảm nguồn ô nhiễm tiếng động cơ. Để chặn những tiếng ồn này người ta có thể thiết kế các ống thép có đường kính và khoảng cách thích hợp theo định luật Bragg.
4. Tinh thể phonon băng tần rộng
Một số công trình nghiên cứu như đã đề cập cho thấy hệ thống tinh thể phonon có thể ngăn chặn những tần số riêng lẻ nhưng có một câu hỏi thường xuyên đặt ra là: liệu một hệ thống được tạo dựng bằng những vật liệu đơn giản "công nghệ thấp" như ống kim loại có thể ngăn chặn, qua sự phản âm hay hấp thụ âm, trong tần số khả thính của con người (20 Hz – 20.000 Hz)? Câu trả lời mang một ý nghĩa quan trọng cho các nhà khoa học, kỹ sư xây dựng, kiến trúc sư trong việc kế hoạch đô thị, thiết kế cao ốc để tìm một lời giải trong việc loại trừ tiếng ồn. Theo kết quả tính toán của Kushwaha thì việc này khả thi. Mặc dù không phủ lấp được toàn thể băng tần khả thính nhưng với ống kim loại có 6 đường kính khác nhau thì một bức tường ống có thể loại trừ tiếng ồn trong băng tần 200 Hz cho đến 4750 Hz.Sự kết hợp các ống có nhiều đường kính khác nhau cho ra nhiều kết quả thú vị. Trong một công trình của đại học Bách khoa Valencia (Tây Ban Nha), một tinh thể phonon hấp thụ âm thanh được chế tạo bằng những ống trụ plastic có đường kính lớn dần từ ngoài vào trong tạo thành một vành đai. Trong vành đai là tập hợp các ống trụ tạo thành tâm lõi (Hình 5). Khi sóng âm tiếp cận vành đai, sóng bị bẻ cong hướng về tâm lõi giống như ánh sáng bị khúc xạ. Tại tâm lõi, mọi năng lượng sóng bị hấp thụ bởi sự cọ xát của sóng với các ống trụ. Người ta gọi thiết bị này là "lỗ đen âm học" theo định nghĩa "lỗ đen" trong vũ trụ. Tiến sĩ Olga Umnova (Đại học Salford, Anh) tạo dựng một cấu trúc tương tự nhưng to hơn để khảo sát sự hấp thụ năng lượng gây ra bởi tiếng nổ của bom. Người ở trong hầm trú ẩn có thể tử vong vì sức ép của quả bom nổ. "Lỗ đen âm học" có thể hấp thụ được năng lượng sức ép này khi đặt xung quanh hầm trú ẩn tránh được thương vong.
Tiếng ồn là tập hợp âm thanh hỗn loạn của nhiều tần số khác nhau. Một bài nhạc cũng là một tập hợp âm thanh nhiều tần số nhưng theo một giai điệu hài hòa êm tai. Nhưng khi có ông hàng xóm thích vặn nhạc to vang dội cả một khu xóm thì dù ta có đóng kín cửa những tiếng đệm bass "bùng bùng…" vẫn len lỏi xuyên vào nhà. Bài ca trở nên què quặt gây ra sự khó chịu như tiếng động cơ của chiếc xe tải chạy trên cao tốc hay tiếng còi hụ của tàu thủy. Người ta xây bức tường gạch để chặn tiếng ồn, nhưng các âm có tần số thấp như tiếng bass, tiếng động cơ, tiếng còi, vẫn có thể vượt rào.
Việc thay thế những bức tường gạch tốn kém bằng một barie tinh thể phonon với hàng cây xanh hay các ống thép là việc khả thi. Nhưng ngăn chặn tiếng ồn có tần số thấp với tinh thể phonon có nhiều khó khăn. Theo định luật Bragg, để gây ra sự phản hồi sóng ở tần số 100 Hz, khoảng cách giữa hai ống phải là 1,7 m. Ở khoảng cách này, đường kính của ống phải đủ lớn (~ 1 m) để lắp vào các khoảng trống cho việc phản hồi sóng có nhiều hiệu quả hơn. Thiết kế này cồng kềnh và không thực tế. Nhưng khi ống thép được triển khai thành một vật có thể vừa phản hồi ở tần số cao vừa hấp thụ âm ở tần số thấp thì hai cơ chế này sẽ tạo ra một hệ thống có sức ngăn chặn âm thanh trên một băng tần rộng. Việc hấp thụ âm thanh đã được áp dụng nhiều trong ngành xây dựng. Những thể xốp nhiều khe rãnh, lỗ trống vi mô, hay bông sợi thủy tinh là vật liệu truyền thống hấp thụ âm thanh được đặt vào tường hay trên trần nhà. Sóng âm đi vào những con đường ngoằn ngoèo của các khe rãnh hay lỗ trống và dần dần bị hấp thụ qua sự cọ xát với vật liệu.
Việc hấp thụ sóng còn xảy ra qua cơ chế cộng hưởng. Mọi vật thể hay cấu trúc đều có tần số cộng hưởng riêng của chúng. Khi có một rung động tương tác lên vật thể hay cấu trúc ở tần số rung giống như tần số tự nhiên của vật thể, nói nôm na là cùng một nhịp đập, thì sự cộng hưởng xảy ra. Khi đó năng lượng rung sẽ bị hấp thụ bởi vật thể hay cấu trúc đó. Một thí dụ dễ hiểu về cộng hưởng là một đoàn quân vài ngàn người cùng diễn hành qua một cây cầu. Khi nhịp đi của đoàn quân có tần số tương tự như tần số cộng hưởng tự nhiên của cây cầu thì năng lượng va đập vào cầu của hàng ngàn đôi chân được chiếc cầu hấp thụ và có khả năng làm sập cầu. Một thí dụ khác mà người đọc có thể xem trên youtube là một nguồn âm đặt trước một cái ly thủy tinh. Khi tần số âm thanh phát ra giống như tần số tự nhiên của cái ly thì sự cộng hưởng xảy ra, cái ly hấp thụ năng lượng sóng khiến nó bị vỡ tan.
Vật cứng như kim loại chỉ có tác dụng phản hồi nhưng vật mang tính đàn hồi như cao su hay các loại plastic mềm có khả năng hấp thụ năng lượng sóng theo cơ chế cộng hưởng. Người ta đã sử dụng các vật liệu truyền thống hấp thụ âm hay các mảnh vụn cao su được nghiền từ vỏ bánh xe phế thải lấp đầy khoảng trống của ống thép hay viền xung quanh một lớp cao su mỏng bên ngoài ống thép. Những vật liệu này hấp thụ sóng âm nhưng không cho hậu quả "khốc liệt" như cây cầu hay cái ly mà chỉ biến năng lượng sóng thành nhiệt. Bề mặt ống thép cũng được sửa đổi như cắt dọc theo chiều dài của ống để tiết diện của có hình chữ C hay trên bề mặt được khoan những lỗ trống (Hình 6) để tạo sự cộng hưởng. Khi có những thay đổi này mô hình toán học cho thấy ngoài vùng cấm chính theo định luật Bragg có một vùng cấm thứ hai ở băng tần thấp hơn xuất hiện do sự cộng hưởng.
Nhưng trước công trình này 3 năm, một mô hình toán học tương tự đã được công bố và thực chứng bởi các dữ liệu thực nghiệm từ một "bức tường" rất độc đáo làm từ các ống tre (Hình 7). Nhóm này dùng các ống tre tạo thành một hệ thống tinh thể phonon có vùng cấm phản hồi sóng như tác phẩm Sampere. Khi các ống tre được đục các lỗ trống dọc theo chiều dài ống thì vùng cấm thứ hai xuất hiện ở băng tần thấp hơn vùng cấm thứ nhất. Ống tre có lỗ trống như một ống sáo có tác dụng như vật cộng hưởng Helmholtz hấp thụ năng lượng ở một tần số nhất định (Phụ lục f). Công trình nghiên cứu này mang đến cho ta một ý tưởng "xanh" đem hương vị của hoa đồng cỏ nội để thanh lọc những tiếng ồn của chốn phồn hoa đô hội. Ta có thể chọn những ống tre, ống trúc to nhỏ khác nhau, đặt chúng ở những khoảng cách dài ngắn khác nhau, khoan những lỗ trống nhiều ít khác nhau để tối ưu hóa "bức tường" của tinh thể phonon ống tre. Trong lòng một đô thị ồn ào bụi khói ta vẫn có thể tạo ra một khu vườn Nhật Bản nhiều cây xanh được bao quanh bởi bức tường tre đơn giản nhưng chặt chẽ tuân thủ những quy luật vật lý để cho ta một không gian trầm lắng. Trong không gian này những tiếng động có lẽ chỉ là tiếng róc rách của con suối nhỏ nhân tạo hay là tiếng vẫy đuôi của con cá koi hớp nước bắt mồi. Tại sao không?
Ngoài lỗ trống tầm milimét, những khe hay lỗ trống có kích thước nhỏ hơn 1 mm, trong khoảng micromét, cũng có thể khắc trên bề mặt tấm kim loại mỏng, plastic hay giấy bìa để hấp thụ âm thanh bởi cơ chế cộng hưởng. Ở thập niên 70 của thế kỷ 20, một giáo sư người Trung Quốc, Dah-You Maa, đã dùng các phương trình toán học để lý giải hiện tượng hấp thụ qua các khe hở micromét. Theo ông, khe trống hay lỗ trống với kích cỡ vài trăm micromét (100 – 300 µm) có thể hấp thụ năng lượng sóng trên một băng tần rộng mà không cần đến những vật liệu như thể xốp, cao su hay bông sợi thủy tinh hỗ trợ. Lý thuyết Maa đã được thương mại hóa, tạo ra những pa-nô kim loại hay plastic trong hay đục nhiều màu sắc vừa đẹp mắt vừa hấp thụ tiếng ồn trong lĩnh vực xây dựng.
Theo dòng nghiên cứu của giáo sư Maa, một công trình gần đây đáng chú ý có ứng dụng thực tiễn do nhóm nghiên cứu của Đại học Bách khoa Valencia (Tây Ban Nha) thực hiện. Nhóm này dùng những ống nhôm được khắc với mật độ dày đặc những khe ngắn và hẹp (Hình 8a). Những khe này có tác dụng hấp thụ sóng âm. Ba dải ống nhôm được sắp xếp theo một trật tự thành một hệ thống tinh thể phonon phản hồi sóng. Họ hoàn thành một hệ thống vừa hấp thụ vừa phản hồi âm thanh ở băng tần có tần số thấp (1.000 – 5.000 Hz). Hệ thống này có chức năng ngăn chặn âm thanh tương tự như bức tường bê tông có kích thước giống nhau (Hình 8b).
(a) (b)
Hình 8: (a) Khe hở trên bề mặt ống nhôm có chiều dài b = 1,61 mm và chiều ngang a = 48,1 μm và (b) Hàng rào hấp thụ âm thanh làm bằng 3 dải ống nhôm khắc khe hở có đường kính 16 cm, cao 3 m, đặt cách nhau 22 cm.
Phụ lục
a. Âm phổ
Tương tự như sóng điện từ, sóng âm (thanh) có tần số trải dài từ hertz (Hz) đến tetrahertz (THz). Tần số khả thính của con người chỉ là một phần nhỏ của âm phổ nằm trong phạm vi từ 20 Hz đến 20.000 Hz (20 kHz) (Hình P1).
Hình P1: Âm phổ và các ứng dụng tiêu biểu. Frequency: Tần số; Infrasound: hạ âm; Sound: âm; Ultrasound: siêu âm; Hypersound: siêu vượt âm; Heat: nhiệt. Music: âm nhạc; Ultrasound imaging: Tạo ảnh siêu âm; Thermal devices: thiết bị nhiệt; Sonar: máy định vị thủy âm. Phononic crystals: tinh thể phonon.
Hertz (Hz) là đơn vị của tần số, 1 Hz = 1 dao động/giây. 1 kHz (kiloHertz) = 1.000 Hz, 1 MHz (MegaHertz) = 106 Hz, 1 GHz (GigaHertz) = 109 GHz, 1 THz (TeraHertz) = 1012 Hz.
Bước sóng λ và tần số f liên hệ qua công thức
λ = c/f (P1)
c là vận tốc sóng âm.
Trong không khí c = 343 m/s, và tần số khả thính là 20 đến 20.000 Hz, tương đương với bước sóng 17 m đến 1,7 cm.
d. Định luật Bragg
Khoa học gia lúc nào cũng có nhu cầu "nhìn" và muốn nhìn thấu đáo đến tận cùng nguyên tử. Những hạt cát lóng lánh trên bờ biển, hay các hạt kim cương lung linh đã được các nhà khoa học đã dùng tia X để quan sát. Nhưng không phải tia X nào cũng có thể quan sát được tinh thể mà phải theo định luật của William Henry Bragg và người con trai William Laurence Bragg (công thức P2). Họ cùng nghiên cứu và cũng là giáo sư trường Đại học Adelaide (South Australia, Úc), và nhận giải Nobel Vật lý năm 1915 cho công trình này.
Khi chùm tia X có những bước sóng khác nhau bắn vào tinh thể thì sóng sẽ chạm vào nguyên tử của các tầng tinh thể gây ra sự nhiễu xạ. Chỉ có tia X có bước sóng tuân theo công thức P2 sẽ bị nhiễu cho sự giao thoa tăng (constructive diffraction) và phản xạ xảy ra. Tia X có bước sóng khác không bị nhiễu sẽ đi qua (truyền xạ) tinh thể (Hình P2).
Hình P2: Chùm tia X (1) có nhiều bước sóng khác nhau được bắn vào một tinh thể ở góc tới θ. Chỉ có chùm tia (2) có bước sóng tuân theo định luật Bragg bị nhiễu xạ có sự giao thoa tăng. Những chùm tia khác (3) không bị nhiễu đi xuyên qua (truyền xạ) tinh thể. Chùm tia (2) và (3) tạo một góc 2θ. Đường gạch ngang biểu hiện những mặt bằng nguyên tử.
Người đọc có thể tham khảo sách giáo khoa để hiểu cách tìm công thức P2 dựa theo Hình P3
nλ = 2d sinθ (P2)
n = 1, 2, 3 , …; λ là bước sóng; d là khoảng giữa hai tầng nguyên tử; góc θ là góc tới của tia X.
Khi sóng tác dụng thẳng góc với bề mặt tinh thể, θ = 90°, sinθ = 1, ta có
nλ= 2d (P3)
hay là d = nλ/2. Như vậy, khi n =1 khoảng cách nhỏ nhất giữa các tầng tinh thể thỏa mãn định luật Bragg là
d= λ /2 (P4)
Hình P3: Hai chùm tia X bắn vào tinh thể ở một góc tới θ , chạm vào nguyên tử tinh thể (O) rồi phản xạ theo định luật Bragg.
f. Vật cộng hưởng Helmholtz
Lỗ trống trên bề mặt của ống có tác dụng cộng hưởng theo cơ chế Helmholtz, còn gọi là vật cộng hưởng Helmholtz (Helmholtz resonator) (Hình P4). Chai bia, lon nước ngọt, chiếc tù và, cây sáo trúc, đàn guitar là những biến thể của vật cộng hưởng Helmholtz. Dùng chai bia như một thí dụ, tần số cộng hưởng của chai bia được diễn tả bởi phương trình sau,
f = (c/2π)(S/Vl)1/2 (P5)
f : tần số cộng hưởng, S: diện tích cổ chai, l: chiều cao cổ chai và V: thể tích thân chai.
Hình P4: Vật cộng hưởng Helmholtz.
Khi ta thổi ngang miệng chai bia ta gây sự dao động không khí trong thân chai và khi sự dao động này đạt đến tần số cộng hưởng của chai bia (công thức P5) thì âm thanh phát ra ở tần số này. Nếu ta đổ nước vào chai thì V sẽ nhỏ hơn, theo công thức P5 trên thì trị số của f sẽ tăng và âm thanh phát ra ở cung bậc cao hơn.
Tác giả bài viết:
Trương Văn Tân
Tác giả cuốn sách "Vật liệu và thiết bị nano", NXB Tổng Hợp Tp HCM 2016.
Nguồn bài viết: Tại đây
0 comments: