Tiêu đề: Bàn về sóng dừng trong thân sáo
(Đây là bản chưa hoàn thiện nhưng có đủ thông tin xác thực để chứng minh là sách giáo khoa vật lí 12 nâng cao viết sai, bản chỉnh sữa sẽ đo đầy đủ bảy nốt cao độ của sáo, và đồng thời đưa thêm tài liệu có cùng quan điểm của người viết và hình vẽ minh họa hiện tượng sóng dừng trong ống sáo cũng như rà soát lại nội dung để bài viết thêm thuyết phục bạn đọc)
bản word 2003
https://www.fshare.vn/file/BV85TE7KYU3Mhttps://doc-0g-0o-docs.googleusercontent.com/docs/securesc/q71b2sjaj9i39bj11tn9pj2c553nu7n3/vpl5llft8o8uhe8bqedqttejfpdrkc7e/1451721600000/10834288973866736169/10834288973866736169/0B4OBQVQegNz1bVpPM1BVWVlSRW9kSWpIMEhJaW1LWjlzX05v?e=download&nonce=faq2ub2h96epu&user=10834288973866736169&hash=oiin2s37660r5db32o5k12asbb2gf7ekMở đầu: “Bài 17. Sóng âm. Nguồn nhạc âm
mục 5. Nguồn nhạc âm” cho rằng hiện tượng sóng dừng trong ống sáo một đầu kín, một đầu hở.
Nội dung: Nguyên lí tạo thành sóng dừng trong ống sáo dưới góc nhìn lí thuyết vật lí sách giáo khoa Vật lí 12 Nâng cao.
Trang 96 sgk Vật lí 12 nâng cao có ghi rõ: “Ống sáo và các loại kèn khí như kèn clarinet, xaxôphôn đều có bộ phận chính là một ống có một đầu kín, một đầu hở”, “ sẻ xảy ra hiện tượng sóng dừng nếu chiều dài của ống bằng số lẻ lần một phần tư bước sóng:
l= mλ/4 với m = 1, 3, 5…”
“ống sáo có một đầu kín, một đầu hở chỉ có thể phát ra các họa âm bậc lẽ”
Nguyên lí phát âm của sáo dưới góc nhìn thực tế Âm nhạc.
Đối với một sáo thông thường cả sáo ngang và sáo dọc đều có một lỗ miệng sáo và 7 lỗ định âm gần nhau (không tính các lổ định âm thăng, giáng) và cách xa miệng sáo hơn (sáo có thể có năm lổ định âm đối với sáo theo thang năm âm trong âm nhạc phương đông). Đối với sáo tông đô (c) thì khi bịt hết sáu lỗ gần miệng sáo để hở lỗ định âm xa miệng sáo nhất thổi nhẹ thì âm phát ra nốt đô, thổi “mạnh” hơn âm sẽ phát ra nốt đô cao hơn nốt đô thổi “nhẹ” một quảng 8 và có tần số gấp đôi. Nếu mở thêm một lổ kế tiếp, bịt năm lỗ gần miệng sáo khi thổi nhẹ sẽ phát ra nốt rê, thổi “mạnh” hơn sẽ phát ra nốt rê cao hơn nốt rê thổi “nhẹ” một quảng tám và có tần số gấp đôi. Tương tự sẽ có các nốt mi, fa, son, la, si khi thổi “nhẹ” và thổi mạnh hơn sẽ có các nốt mi, fa, son, la, si cao hơn một quảng tám và có tần số (gần) gấp đôi khi ta bịt 5, 4, 3, 2, 1, 0 lỗ ở gần miệng sáo.
Luận: Như vậy lý thuyết sách giáo khoa và thực tế có mâu thuẩn vì âm vực (tầm cữ âm) của sáo thực tế là khoảng hai quảng tám. Còn theo lí thuyết Vật lí sách giáo khoa thì chỉ có thể có một quảng tám vì các họa âm bậc lẽ sẽ không trùng với cao độ ở quảng tám kế tiếp.
Giải thích: Thực sự thì sóng dừng trong ống sáo cả hai đầu đều hở. Một đầu hở luôn luôn là miệng sáo và đầu hở còn lại là một trong bảy lổ định âm.
Khi thổi “nhẹ” thì Âm cơ bản có biên độ lớn nhất, các họa âm bậc 2, 3, 4 … có biên độ rất nhỏ so với âm cơ bản nên họa âm cơ bản này quyết định độ cao của tiếng sáo mà thính giác ta cảm nhận được. Khi thổi “mạnh” hơn thì họa âm bậc hai có biên độ lớn nhất và họa âm bậc 1, 3, 4, 5… có biên độ rất nhỏ so với họa âm bậc hai nên họa âm bậc hai này quyết định độ cao của tiếng sáo mà thính giác ta cảm nhận được.
Vậy tại sao sáo chỉ có thể có âm vực 2 quảng tám mà không có quảng tám thứ 3 ?
Như vậy nếu thổi mạnh hơn nữa thì họa âm thứ ba sẽ có biên độ lớn nhất thực tế rất khó thổi để tăng biên độ họa âm này. Mặt khác quảng tám thứ ba có các nốt có tần số gấp 4 tần số các nốt tương ứng ở quảng tám thứ nhất và gấp đôi tần số các nốt tương ứng ở quảng tám thứ hai. Vậy muốn có quảng tám thứ ba thì họa âm bậc bốn sẽ có biên độ lớn nhất, thực tế không thể thổi mạnh và giữ đều hơi để lên cao độ ở quảng này.
Chứng minh:
Thí nghiệm đo tần số một vài cao độ của sáo:
Dụng cụ: Sáo và máy đo tần số
Thao tác: thổi sáo và ghi kết quả tần số ở cao độ si, la, rê, đô.
Bảng kết quả:
Quảng tám trầm hơn (thổi nhẹ):
Cao độ l= λ/2 (cm) Tần số (Hz) Vận tốc truyền âm (m/s)
si 11,5 1010 232,30
la 14 894 250,32
rê 23,5 610 286,90
đô 27,5 538 295,90
Quảng tám cao hơn (thổi mạnh):
Cao độ l= λ (cm) Tần số (Hz) Vận tốc truyền âm (m/s)
si 11,5 1990 228,85
la 14 1776 248,64
Nhận xét: Vận tốc truyền âm theo tính toán gián tiếp thông qua tần số và bước sóng nhỏ hơn vận tốc truyền âm trong không khí ngoài môi trường và kết quả cho thấy l càng nhỏ, thổi càng mạnh thì vận tốc truyền âm càng nhỏ, vậy:
- Vận tốc truyền âm theo tính toán gián tiếp thông qua tần số và bước sóng là vận tốc truyền âm của không khí trong ống sáo.
- Dòng khí chuyển động trong ống sáo tạo nên áp suất động, làm áp suất tỉnh nhỏ hơn so với không khí ngoài môi trường theo định luật Bécnuli làm cho không khí trong thân sáo sẽ kém đàn hồi hơn.
- l càng ngắn, thổi càng mạnh thì không khí trong thân sáo chuyển động càng nhanh dẫn đến càng kém đàn hồi.
Dự đoán: Nếu thổi vào một ống khí có chiều dài bằng chiều dài l của sáo bịt kín một đầu (ví dụ: thổi vào đầu có bịt nút chặn của sáo ngang)khi phát âm do sóng dừng sẽ có âm thanh trầm hơn(vì l=λ/4), tần số lớn hơn một nữa so với thổi sáo có hai đầu hở (vì vận tốc truyền âm trong ống khí lớn hơn trong ống sáo do không khí bị nén dẫn đến áp suất tĩnh tăng nên không khí trong ống khí đàn hồi hơn, nên sẽ lớn hơn vận tốc truyền âm trong ống sáo). Và nếu thổi mạnh hơn thì âm sẽ bổng hơn và có tần số gấp khoảng ba lần tần số ban đầu (l=3λ/4, độ đàn hồi không khí trong ống khí thay đổi).
Thực nghiệm đã kiểm tra với thao tác thổi dọc vào đầu có bịt nút chặn của sáo ngang hoàn toàn đúng với dự đoán.
Kết: Nội dung SGK nói về hiện tượng sóng dừng trong ống sáo một đầu kín một đầu hơ mâu thuẩn với nhạc lí và thực nghiệm cũng như thực tế. Kiến nghị cần kiểm tra lại bằng thí nghiệm chính xác hơn.
Mở rộng: Dự đoán của người viết là kèn khí clarinet và xaxôphon có thể là cả hai đầu đều hở vì âm vực (tầm cữ âm) của hai nhạc cụ này không phải là một quảng tám, và khi thổi “mạnh” thì các nốt tương ứng vẫn có cao độ tăng thêm một quảng tám như sáo. Tương tự thì tiêu, và một số loại kèn khí có thể hở cả hai đầu.
Trường hợp sóng dừng trong ống một đầu kín, một đầu hở là các trường hợp như kèn tu huýt, ống khí thổi từ miệng.
