Tài liệu Vật lý lý sinh y học

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC --------------------- GIÁO TRÌNH VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC (Dành cho Sinh viên Đại học chính quy ngành: Bác sỹ đa khoa, y học dự phòng, răng hàm mặt) THÁI NGUYÊN - 2011 E ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC BỘ MÔN VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC --------------------- GIÁO TRÌNH VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC (Dành cho Sinh viên Đại học chính quy ngành: Bác sỹ đa khoa, y học dự phòng, răng hàm mặt) Tham gia biên soạn : TS. Bùi Văn Thiện (Chủ biên) Ths. Nguyễn Quang Đông Ths. Nguyễn Xuân Hòa Thư ký biên soạn: Ths. Nguyễn Quang Đông THÁI NGUYÊN - 2011 GIÁO TRÌNH VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC Chủ biên: TS. Bùi Văn Thiện Tham gia biên soạn: TS. Bùi Văn Thiện ThS. Nguyễn Quang Đông ThS. Nguyễn Xuân Hòa ThS. Nguyễn Minh Tân CN. Vũ Thị Thúy Thư ký biên soạn: ThS. Nguyễn Quang Đông ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................1  PHẦN: VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG................................................................................2  Phần thứ nhất: CƠ HỌC .............................................................................................3  Bài mở đầu: CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG ..........................................................3  Chương 1: DAO ĐỘNG VÀ SÓNG...........................................................................6  1.1. Chuyển động dao động.................................................................................6  1.2. Chuyển động sóng........................................................................................8  1.3. Sóng âm......................................................................................................10  1.4. Hiệu ứng doppler và ứng dụng...................................................................16  Chương 2: CƠ HỌC CHẤT LƯU ............................................................................19  2.1. Đặc điểm của chất lưu................................................................................19  2.2. Tĩnh học chất lưu .......................................................................................19  2.3. Động lực học chất lưu lý tưởng..................................................................21  2.4. Hiện tượng nhớt - ứng dụng......................................................................23  Phần thứ hai: NHIỆT HỌC .......................................................................................25  Mở đầu: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN......................................................................25  Chương 3: CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ ..........................28  3.1. Thuyết động học chất khí và khí lý tưởng .................................................28  3.2. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng ...................................................30  Chương 4: CHẤT LỎNG..........................................................................................32  4.1. Cấu tạo và chuyển động phương tử của chất lỏng .....................................32  4.2. Các hiện tượng mặt ngoài của chất lỏng....................................................33  4.3. Hiện tượng mao dẫn...................................................................................39  4.4. Hiện tượng sôi, hiện tượng bay hơi............................................................43  Phần thứ ba: ĐIỆN TỪ..............................................................................................45  Chương 5: TĨNH ĐIỆN.............................................................................................45  5.1. Khái niệm mở đầu ......................................................................................45  5.2. Định luật culông (coulomb) .......................................................................46  5.3. Điện trường của các điện tích điểm ...........................................................48  5.4. Điện thế, hiệu điện thế ...............................................................................50  i Chương 6: DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI ...................................................................49  6.1. Những khái niệm mở đầu...........................................................................49  6.2. Những đại lượng đặc trưng của dòng điện.................................................50  Chương 7: TỪ TRƯỜNG DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI ..........................................54  7.1. Thí nghiệm về tương tác từ của dòng điện.................................................54  7.2. Định luật ampe (amper) về tương tác từ của dòng điện.............................55  7.3. Vectơ cảm ứng từ, vectơ cường độ từ trường ............................................56  Chương 8: CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ.............................................................................62  8.1. Thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ ...............................................62  8.2. Các định luật cơ bản về cảm ứng điện từ...................................................63  8.3. Một số trường hợp đặc biệt của cảm ứng điện từ ......................................65  Phần thứ tư: QUANG HỌC ......................................................................................67  Chương 9: CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC - DỤNG CỤ QUANG HỌC .........67  9.1. Các định luật cơ bản của quang hình học ..................................................67  9.2. Dụng cụ quang học.....................................................................................71  Chương 10: BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG ...........................................................82  10.1. Thuyết sóng điện từ về bản chất của ánh sáng.........................................82  10.2. Hiện tượng giao thoa ánh sáng.................................................................85  10.3. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng..................................................................92  10.4. Hiện tượng phân cực ánh sáng.................................................................98  10.5. Thuyết lượng tử về bản chất của ánh sáng...............................................99  PHẦN: LÝ SINH Y HỌC.....................................................................................105  Chương 11: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC.106  11.1. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học và ứng dụng trong y học................106  11.2. Nguyên lý thứ hai nhiệt động học và ứng dụng trong y học ............108  Chương 12: VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SINH VẬT ...........113  12.1. Các hiện tượng vận chuyển vật chất cơ bản trong cơ thể sinh vật.........113  12.2. Sự vận chuyển của vật chất qua màng tế bào .......................................121  Chương 13: LÝ SINH TUẦN HOÀN VÀ LÝ SINH HÔ HẤP .............................134  13.1. Lý sinh tuần hoàn ...................................................................................134  13.2. Lý sinh hô hấp........................................................................................146  ii Chương 14: ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC .....154  14.1. Ứng dụng của sóng âm...........................................................................154  14.2. Ứng dụng của siêu âm............................................................................162  Chương 15: CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TRÊN CƠ THỂ SỐNG .........................168  15.1. Hiện tượng điện sinh vật - cơ chế phát sinh và lan truyền...................168  15.2. Cơ chế dẫn truyền sóng hưng phấn từ thần kinh đến cơ........................175  15.3. Tác dụng của dòng điện lên cơ thể và ứng dụng trong điều trị......................184  Chương 16: QUANG SINH HỌC ..........................................................................189  16.1. Cơ chế hấp thụ ánh sáng và phát sáng ...................................................189  16.2. Tác dụng của ánh sáng lên cơ thể sống..................................................199  16.3. Mắt và dụng cụ bổ trợ ............................................................................203  16.4. Laser và ứng dụng trong y học...............................................................216  Chương 17: Y HỌC PHÓNG XẠ VÀ HẠT NHÂN ..............................................226  17.1. Tia phóng xạ...........................................................................................226  17.2. Tác dụng sinh học của bức xạ ion hoá......................................................234  17.3. Ứng dụng của tia phóng xạ trong y học và an toàn phóng xạ................237  Chương 18: BỨC XẠ RƠNGHEN (TIA X) VÀ ỨNG DỤNG .............................243  18.1. Hiện tượng bức xạ tia x và ứng dụng trong y học..................................243  18.2. Kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính và ứng dụng.............................................248  Chương 19: PHƯƠNG PHÁP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN ........................253  19.1. C¬ së vËt lý cña ph−¬ng ph¸p céng h−ëng tõ h¹t nh©n..........................253  19.2. Chôp ¶nh c¾t líp céng h−ëng tõ h¹t nh©n ..............................................259  TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................264  iii LỜI NÓI ĐẦU Vật lý học là một ngành khoa học tự nhiên nghiên cứu những tính chất, quy luật cơ bản và khái quát nhất của thế giới vật chất. Những thành tựu của vật lý được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong Y học, những ứng dụng của Vật lý học như: sử dụng các kĩ thuật vật lý trong chẩn đoán và điều trị, điện tim, điện tâm đồ, điện não đồ, điều trị bằng nhiệt, bằng từ trường, ứng dụng của âm và siêu âm, chụp X quang, sợi quang học trong mổ nội soi, ứng dụng của phóng xạ, chụp hình cắt lớp vi tính, chụp cộng hưởng từ hạt nhân, mắt và các dụng cụ quang học, ứng dụng của ánh sáng trong điều trị, những ứng dụng của laser ... đã làm cho ngành Y có một sự phát triển vượt bậc, giúp các thầy thuốc chẩn đoán chính xác và điều trị có hiệu quả cao. Giảng dạy môn Vật lý - Lý sinh y học nhằm trang bị cho sinh viên ngành Y những kiến thức vật lý cơ bản nhất liên quan phục vụ ngành nghề Y – Dược, rèn luyện cho sinh viên phương pháp tư duy khoa học, kết hợp giữa lý thuyết với thực tiễn, đồng thời giúp họ có thể học các môn học khác như: Sinh, Hoá, Hoá - Lý, Vật lý trị liệu - phục hồi chức năng, Chẩn đoán hình ảnh, y học hạt nhân,… và các môn học khác có liên quan. Giáo trình này được biên soạn theo chương trình đào tạo mới xây dựng của trường Đại học Y Dược - Đại học Thái Nguyên. Do đối tượng đào tạo chủ yếu là sinh viên miền núi, nên khả năng tiếp thu kiến thức vật lý có nhiều hạn chế. Vì vậy việc biên soạn một giáo trình Vật lý - Lý sinh y học vừa đảm bảo tính cơ bản và hệ thống kiến thức, phù hợp với chương trình khung của Bộ, vừa phù hợp với đối tượng đào tạo theo tín chỉ là một việc làm cần thiết. Trong quá trình biên soạn giáo trình, do khả năng và kinh nghiệm còn hạn chế, chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của các đồng nghiệp và các em sinh viên để giáo trình ngày càng được hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 28 tháng 8 năm 2011 BỘ MÔN VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC 1 PHẦN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 Phần thứ nhất: CƠ HỌC Bài mở đầu: CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG 1.1. Chuyển động cơ học Là sự thay đổi vị trí của vật hay một bộ phận của vật trong không gian theo thời gian. 1.2. Chất điểm Là một vật có khối lượng nhưng có kích thước nhỏ không đáng kể so với những khoảng cách mà ta đang khảo sát. Một tập hợp chất điểm gọi là hệ chất điểm (Một vật có thể coi là tập hợp của vô số chất điểm). Chất điểm có tính tương đối. Ví dụ: Electron chuyển động trên quĩ đạo quanh hạt nhân; Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời được coi là chất điểm. 1.3. Hệ qui chiếu Vật được chọn làm mốc, cùng với hệ toạ độ và z một chiếc đồng hồ gắn liền với nó, để xác định vị trí của vật khác, gọi là hệ qui chiếu. 1.4. Phương trình chuyển động của chất điểm M(x, y, z) Trong hệ toạ độ Đề các, vị trí của chất điểm M tại một thời điểm nào đó được xác định bởi 3 toạ độ x, x G y, z hoặc bởi bán kính véc tơ r , đều là những hàm của thời gian. y x = x(t); y = y(t); z = z(t) G G r = r(t) Các phương trình trên gọi là các phương trình chuyển động của chất điểm. 1.5. Quỹ dạo chuyển động Quỹ đạo chuyển động là đường mà chất điểm vạch ra trong không gian khi chuyển động. Muốn xác định được dạng quỹ đạo, ta phải tìm phương trình quỹ đạo. Phương trình quỹ đạo là phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các toạ độ. Ví dụ: y = ax2 + bx +c (Quỹ đạo parabol) 3 1.6. Tính chất tương đối của chuyển động Chuyển động có tính tương đối, tuỳ theo hệ qui chiếu ta chọn, một vật có thể coi là đứng yên hay chuyển động. Ví dụ: Một người đang đứng yên trên tàu hoả, nhưng lại chuyển động so với cột cây số bên đường. 1.7. Đơn vị đo lường Mỗi một thuộc tính của một đối tượng vật lý được đặc trưng bởi một hay nhiều đại lượng vật lý. Một trong những vấn đề cơ bản của vật lí học là đo lường các đại lượng vật lý. Người ta phải chọn một đại lượng làm mẫu gọi là đơn vị. Từ năm 1965 người ta đã chọn hệ đo lường quốc tế SI (System International - Hệ quốc tế). Bảng 1.1. Bảy đại lượng vật lý cơ bản trong hệ SI Tên đại lượng Ký hiệu Tên đơn vị Ký hiệu đơn vị Chiều dài L met m Khối lượng M kilogam kg Thời gian T giây s Cường độ dòng điện I ampe A Cường độ sáng J candela Cd Nhiệt độ θ Kelvin K Lượng vật chất N mol Mol Muốn biểu diễn những số rất nhỏ hay rất lớn, người ta dùng luỹ thừa 10. Ví dụ: 3,6 mA = 3,6.10-3A 2,0 nm = 2,0.10-9m Bảng 1.2 Thừa số Tên tiền tố Ký hiệu Thừa số Tên tiền tố Ký hiệu 1012 Tera T 10-1 dexi D 109 Giga G 10-2 centi C 106 Mega M 10-3 mili M 103 Kilo K 10-6 micro μ 102 Hecto H 10-9 nano N 101 Deca D 10-12 pico P 4 1.8. Thứ nguyên Thứ nguyên của một đại lượng vật lí là công thức nêu lên sự phụ thuộc của đại lượng đó vào các đại lượng cơ bản. Ví dụ: Vận tốc = Chiều dài/ Thời gian Ta kí hiệu thứ nguyên vận tốc là: [Vận tốc] = L/T = LT-1 Đơn vị của vận tốc là: m/s. Nhờ khái niệm thứ nguyên ta có thể kiểm nghiệm lại độ đúng đắn của một công thức vật lý vì hai vế của một công thức vật lý phải có thứ nguyên như nhau. Ví dụ: Công thức chu kỳ của con lắc: T = 2π Thứ nguyên của hai vế là: T = l . g L = T. L.T -2 Như vậy về mặt thứ nguyên công thức trên là hợp lý. 1.9. Các đại lượng vật lý Mỗi thuộc tính của một đối tượng vật lý (Một vật thể, một hiện tượng, một quá trình ...) được đặc trưng bởi một hay nhiều đại lượng vật lý. Ví dụ: Khối lượng, thời gian, thể tích, lực, năng lượng ... Các đại lượng vật lí có thể là vô hướng hay đại lượng véc tơ (hữu hướng). 1.9.1. Xác định một đại lượng vô hướng Nghĩa là xác định giá trị của nó, có những đại lượng vô hướng không âm như: Thể tích, khối lượng... , có những đại lượng vô hướng mà giá trị có thể âm hay dương, ví dụ như: điện tích, hiệu điện thế... 1.9.2. Xác định một đại lượng véc tơ Nghĩa là xác định điểm đặt, phương, chiều, và độ lớn của véc tơ đặc trưng G JG cho đại lượng đó. Ví dụ: lực F , cường độ điện trường E ... 5 Chương 1 DAO ĐỘNG VÀ SÓNG 1.1. CHUYỂN ĐỘNG DAO ĐỘNG 1.1.1. Dao dộng là gì? Chuyển động dao động là sự chuyển động lặp đi lặp lại vị trí cân bằng sau những khoảng thời gian nhất định. + Ví dụ: - Dao động của lò xo: JJG Ở trạng thái cân bằng: Fhl = 0. Dùng ngoại lực kéo lò xo lệch khỏi VTCB một đoạn x rồi thả ra, vật nặng chuyển động về vị trí cân bằng O do tác dụng của JJG một lực đàn hồi Fdh . Lực đàn hồi bằng nhưng ngược chiều với ngoại lực. JJG G Fdh = − k .x (1.1) Dấu (-) do lực đàn hồi luôn ngược chiều với vectơ dịch chuyển x k: hệ số đàn hồi của lò xo. Phụ thuộc bản chất của lò xo Đến vị trí cân bằng Fdh = 0. Nhưng do quán tính, vật tiếp tục chuyển động sang trái một đoạn đúng bằng x (nếu bỏ qua ma sát của không khí). Lúc đó lại xuất hiện lực đàn hồi do lò xo phải kéo, lò xo trái đẩy, vật lại qua vị trí cân bằng rồi sang phải. Quá trình cứ lặp lại như vậy nhiều lần sau từng khoảng thời gian bằng nhau. Người ta gọi chuyển động đó là chuyển động dao động. - Con lắc đơn Lấy một sợi dây mảnh, không co giãn, chiều dài l. Một đầu dây buộc vào vật nặng khối lượng m, đầu kia buộc vào bản cố định. Ta có một con lắc đơn. Thoạt đầu dưới tác dụng của trọng lực JG P con lắc đứng yên. 6 Hình 1.1 Tác dụng một ngoại lực làm cho con lắc lệch ra khỏi phương thẳng đứng một góc lệch α . Sau đó thôi tác dụng ngoại lực. Ở vị trí mới, trọng lực P của vật nặng được phân chia ra 2 thành phần: JG P = Pt + Pn (1.2) P t: theo phương kéo dài của dây treo P n: có tác dụng kéo con lắc về vị trí cân bằng Ở vị trí cần bằng P n=0. Nhưng do còn quán tính nó lại tiếp tục sang trái (giả thiết như ban đầu bài toán đề ra: dây treo mảnh, góc α nhỏ, bỏ qua ma sát của không khí). Con lắc lệch sang trái một góc đúng bằng α và lúc đó P n lại xuất hiện kéo vật về vị trí cân bằng. Cứ như vậy chuyển động của con lắc lặp đi lặp lại sau những khoảng thời gian như nhau. Lực P n là lực gây ra chuyển động dao động: Pn = P.sin α (1.3) Vì α nhỏ ⇒ sin α ≈ α . Ta có: Pn = P. α (1.4) Pn gọi là lực chuẩn đàn hồi 1.1.2 Phương trình dao động điều hoà Trong 2 ví dụ trên nếu không có ma sát của môi trường thì độ dịch chuyển x và góc lệch α về 2 phía đối với vị trí cân bằng là bằng nhau. Dao động sẽ thực hiện trong một thời gian dài. Nếu ly độ x của dao động biến đổi điều hòa thì dao động gọi là dao động điều hoà. Trong dao động này độ lệch cực đại (hay biên độ) không đổi theo thời gian. Ngược lại nếu có ma sát của môi trường, độ lệch cực đại (hay biên độ) sẽ giảm dần, sau một thời gian sẽ ngừng chuyển động. Ta gọi là dao động tắt dần. * Thiết lập phương trình Ta lấy ví dụ về dao động của lò xo để thiết lập phương trình dao động điều hoà. Lực đàn hồi gây ra gia tốc cho chuyển động dao động. Theo định luật Hooke: F dh = -k. x (1.5) 7 Theo định luật Niutơn II: F = m.a . Hay: Ta có: a = d2x dt 2 => F = m. d2x dt 2 .. F = m. x .. ⇒: -k.x = m. x .. m. x + k.x = 0 (1.6) Đây là phương trình vi phân cấp hai có vế phải bằng 0. Vì m > 0 nên ta có thể chia cho m: .. x+ k .x = 0 m Đặt k = ω2 m .. Ta có: x + ω 2 .x = 0 (1.7) Giải ra ta được 2 nghiệm x1 = a.cos( ω.t + α ) (1.8) x2 = a.sin( ω.t + α' ) (1.9) Trong đó: a, α , α ' là những hằng số phụ thuộc vào điều điện ban đầu của bài toán. x: ly độ dao động a: ly độ dao động cực đại hay biên độ của dao động. a = xmax ứng với cos( ω.t + α ) = ± 1 ( ω.t + α ): là một góc, gọi là pha của dao động ω : tần số góc (tốc độ góc của vectơ biên độ dao động) ω2 = K m ; ω= 2.π T t: Thời gian dao động. T: Chu kỳ dao động. Là thời gian để dao động thực hiện một dao động toàn phần. α : là góc, là pha đầu của dao động, ứng với t = 0 1.2. CHUYỂN ĐỘNG SÓNG 1.2.1. Định nghĩa Chuyển động sóng là sự lan truyền dao động trong một môi trường đàn hồi (môi trường có liên kết giữa các phần tử). 8 1.2.2. Sự truyền sóng Giả sử có một môi trường đàn hồi các phân tử liên kết với nhau bằng những lực đàn hồi (môi trường rắn, lỏng, khí). Do ngoại lực tác dụng, các phân tử này rời khỏi vị trí cân bằng và bắt đầu dao động. Các dao động này do các liên kết phân tử, được lan truyền sang các phân tử xung quanh. Như vậy khi có sóng truyền qua trong môi trường các vùng dãn, nén liên tiếp tuần hoàn trong không gian và theo thời gian. 1.2.3. Các loại sóng Khi truyền trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, dao động sẽ lan truyền về mọi phía với vận tốc như nhau. Để đơn giản ta chọn một phương nào đó, gọi là phương truyền sóng. Nếu phương truyền sóng mà các phần tử của môi trường dao động vuông góc với phương truyền sóng, gọi là sóng ngang. Ví dụ: sóng ánh sáng, sóng trên mặt nước ... Nếu các phần tử của môi trường dao động song song với phương truyền sóng thì đó là sóng dọc. Ví dụ: sóng di chuyển của lò xo khi co dãn, sóng âm trong không khí. Phương dao động Phương dao động Phương truyền Phương truyền Sóng dọc Sóng ngang Hình 1.2 1.2.4. Các thông số cơ bản 1.2.4.1. Bước sóng ( λ ) Là khoảng cách ngắn nhất giữa các phân tử của môi trường dao động đồng pha hoặc là quãng đường sóng truyền đi được trong một chu kì. VD: Khoảng cách từ A → E ( Hình 1.3). Đơn vị đo: m, cm, μm , nm. 1.2.4.2. Chu kỳ dao động (T) Thời gian cần thiết để một điểm của môi trường thực hiện một dao động toàn phần. 1.2.4.3. Vận tốc truyền sóng (c) Quãng đường truyền sóng truyền được trong 3một đơn vị thời gian. Đơn vị đo: m/s. Chú ý: Vận tốc dao động của phân tử khác vận tốc lan truyền sóng. 9 1.2.4.4. Tần số (f) Là số lần dao động trong một giây. 1 T f= (1.10) Đơn vị đo: Hezt (Hz): 1 Hz = 1/s 1.2.4.5. Tần số góc (ω) ω= 2π = 2.π .ν T (1.11) Hình 1.3 Đơn vị đo: rad/s 1.3. SÓNG ÂM 1.3.1. Định nghĩa Sóng âm là những dao động truyền trong các môi trường vật chất đàn hồi (rắn, lỏng, khí). Sóng âm không truyền trong chân không. 1.3.2. Phân loại Tiêu chuẩn để phân loại sóng âm là tần số. Âm nghe được Hạ âm 0 Siêu âm 109 20.103 16 Siêu siêu âm 1013 Tần số (Hz) Với tần số 0 → 16 Hz: Vùng hạ âm; sóng đàn hồi gây ra do động đất, bão truyền trong nước biển … Với tần số 16 Hz → 20 KHz: Tai người bình thường nghe được. Với tần số 20KHz → 109 Hz: siêu âm, tai người không nghe được (một số loài vật như dơi, chó có thể nghe được ). Với tần số 109Hz → 1013 Hz: siêu siêu âm. 1013Hz là giới hạn trên vì bước sóng ở tần số này vào khoảng chiều dài khoảng cách giữa các phân tử chất rắn. 1.3.3. Các đặc trưng vật lý - Sóng âm có mang năng lượng. Năng lượng sóng âm gồm động năng dao động và thế năng đàn hồi của các phần tử môi trường. - Cường độ âm (I): được tính là năng lượng siêu âm truyền qua một đơn vị dịên tích đặt thẳng góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian. Đơn vị đo của cường độ âm là: W/m2. - Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào mật độ môi trường và tính chất đàn hồi của môi trường. Trong quá trình truyền âm, cường độ âm càng đi xa nguồn càng giảm mau vì các lí do sau: 10 + Các phần tử của môi trường dao động, ma sát với môi trường do đó có một phần năng lượng dao động phải dùng để thắng ma sát và biến thành nhiệt năng làm nóng môi trường. + Âm trong khi truyền gặp mặt phân cách 2 môi trường cũng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ tương tự ánh sáng. Chính hiện tượng phản xạ làm giảm rất nhiều cường độ sóng âm đi tới. - Mức cường độ âm: L = lg I I0 (1.12) Trong đó: I là cường độ âm tại điểm đang xét. I0 là cường độ âm chuẩn Đơn vị: Ben (B). Ngoài ra hay dùng đơn vị dexiben dB: 1B = 10dB - Phổ của âm: Là tổng hợp dao động của các thành phần âm (Có dạng tuần hoàn chứ không điều hòa). 1.3.4. Các đặc trưng sinh lý của âm 1.3.4.1. Độ cao của âm Cảm giác về độ cao của âm là do tần số của âm quyết định. Những dao động âm có tần số cao cho ta cảm giác thanh (trong). Những âm có tần số thấp cho ta cảm giác trầm (đục). Tai người chỉ nghe được những âm thanh có tần số từ 16 đến 20.000 Hz, nhưng giới hạn này cũng tuỳ theo lứa tuổi, người già chỉ nghe được những âm có tần số dưới 6.000 Hz. Một số súc vật có khả năng nghe được những âm có tần số cao hơn hoặc thấp hơn phạm vi nghe của người về tần số. Tuy nhiên người bình thường chỉ phân biệt được độ cao của âm trong phạm vi (40 - 4.000) Hz, âm tần số cao hơn chỉ cho cảm giác rít, chính vì vậy các nhạc cụ thường được tạo ra để phát các âm thanh có tần số trong khoảng đó. Để phân biệt được độ cao của âm, thời gian âm tác động lên cơ quan thính giác ít nhất phải từ 1 1 đến s. 100 40 Chẳng hạn với âm có tần số 40 Hz, gây nên cảm giác ở tai ta. Như thế âm này thực hiện được 40 × 1 = 1 dao động toàn phần. Nếu âm có tần số 6000 Hz thì 40 trong thời gian ấy âm đã thực hiện 150 dao động toàn phần. Từ kết quả này có thể suy ra: Ngưỡng của cảm giác độ cao là một dao động toàn phần của âm. Điều này cũng dễ dàng hiểu được một dao động mà chưa thực hiện đầy đủ một dao động toàn phần thì không thể xác định chu kỳ hay tần số của nó. 11 Ngoài ra, người ta thấy độ cao phụ thuộc phần nào vào cường độ âm. Trong một mức độ nhất định âm thấy như cao lên khi cường độ tăng và trầm xuống khi cường độ giảm. Điều này có lẽ là kết quả của sự thay đổi đặc tính đàn hồi của màng nhĩ do cường độ âm tác dụng lên màng. Sóng siêu âm có tần số lớn hơn 20.000 Hz, không gây cảm giác âm thanh cho người. 1.3.4.2. Âm sắc Những âm phát ra từ âm thoa cho ta một cảm giác đơn giản, chúng ứng với những dao động hình sin. Gọi p0 là biên độ áp suất âm gây tại màng nhĩ, t là thời gian, f là tần số âm thì p là áp suất âm thoa gây tại màng nhĩ có thể biểu diễn bằng phương trình : p = p0 sin 2πft (1.13) Đại đa số các âm là những âm phức tạp, gây cho ta những cảm giác phong phú hơn. Chẳng hạn như âm của các dụng cụ âm nhạc, âm do người phát ra. Dùng thiết bị phân tích âm có nhiều bộ phận cộng hưởng âm khác nhau có thể phân tích âm phức tạp ra thành nhiều âm đơn giản gọi là phổ điều hoà; đặc biệt có thể phân tích âm phức tạp thành âm đơn giản mà tần số của chúng là bội số nguyên của âm đơn giản có tấn số nhỏ nhất. x a c b t d Hình 1.4 Trên hình (1.4) trình bày một dạng âm phức tạp (a) và các thành phần phân tích của nó (b), (c), (d). Âm có tần số nhỏ nhất gọi là âm cơ bản, các âm khác gọi là họa âm. 12 Tai ta nhận được hai âm cùng độ cao của hai loại nhạc cụ khác nhau mà phân biệt được là vì mỗi mỗi âm đó đã gây cho chúng ta cảm giác âm nhạc khác nhau. Như vậy mỗi âm có một bản sắc riêng biệt hay nói khác đi mỗi âm có một âm sắc riêng biệt. Về phương diện vật lý hai âm phức tạp khác nhau mà có cùng tần số thì khác nhau bởi thành phần dao động điều hoà hình sin đã tạo nên chúng; vì vậy âm sắc được đặc trưng bằng thành phần dao động điều hoà hình sin. Nếu như thực hiện vẽ đồ thị các dao động âm, ta thấy ngay âm sắc còn đặc trưng bằng dạng đồ thị dao động, chẳng hạn trên hình (1.5) trình bày đồ thị dao động của hai nốt nhạc cùng độ cao của đàn piano (a) và kèn clarinet (b). a b 0 .0 1 s Hình 1.5 Sự phân tích âm về độ cao và âm sắc, theo thuyết của Helmholtz, liên quan chặt chẽ với những đặc tính của những sợi đàn hồi của màng nhĩ (chiều dài, chiều dầy và mức độ căng). Khi tác dụng lên màng nhĩ, dao động âm cơ bản hay phức tạp gây nên ở màng những dao động cộng hưởng của những sợi xác định mà tần số riêng của chúng tương ứng với tần số phổ điều hoà của dao động âm. Khi ấy những xung động thần kinh xuất hiện trong những tế bào sợi tương ứng sẽ đi vào phần trung ương của cơ quan phân tích âm và do đó gây nên cảm giác về độ cao và âm sắc. Những nghiên cứu hiện đại khẳng định rằng những dao động âm khác nhau về tần số được tiếp nhận bằng những phần khác nhau của màng nhĩ giống như thuyết của Helmholtz. Tuy nhiên điều này không phải chỉ coi như những dao động cộng hưởng của các sợi dây của màng, mà là kết quả tác dụng đồng thời của nhiều dao động xuất hiện ở limphô nội dịch và sự biến dạng đàn hồi những phần xác định của màng. Hiện tượng này được coi là khâu đầu tiên của quá trình sinh lý thụ cảm âm phức tạp. 13 1.3.4.3. Độ to Độ to của âm là đặc trưng cảm giác về sự mạnh hay yếu của dao động âm được cảm nhận bởi tai ta. Hiển nhiên rằng tại một tần số nhất định của dao động âm, âm có cường độ càng lớn sẽ gây nên cảm giác âm thanh “càng to” đối với tai và ngược lại. Người ta thấy rằng một âm có cường độ I khi thay đổi một lượng ΔI đủ để con người nhận thức được rằng âm đó có thay đổi về độ to, cần phải có: ΔI > 0,1 I (1.14) Đây chính là biểu thức thể hiện ngưỡng của cảm giác thay đổi độ to. Những âm có tần số khác nhau tuy có cùng cường độ nhưng lại gây nên những cảm giác to nhỏ khác nhau, điều đó cho ta thấy độ nhạy cảm hay độ “thính” của tai phụ thuộc vào tần số âm. Từ đó người ta xây dựng nên khái niệm “độ to” (loudness) của âm. Thực tế cho ta biết tai thính nhất đối với những âm có tần số trong khoảng từ 1000Hz đến 5000Hz. Trong khoảng này có thể nghe được những âm có cường độ vào khoảng 10-11 W/m2, ở cường độ âm ấy, các phân tử khí dao động với biên độ khoảng 10-5 μm và tạo nên áp suất ở màng nhĩ vào khoảng 10-5 N/m2. Những âm có cường độ quá nhỏ thì tai không nhận thấy được. Nếu ta tăng dần cường độ âm lên, đến một lúc mà bắt đầu từ đó trở đi tai bắt đầu đau chói; nếu tăng cường độ âm lên cao hơn nữa có thể gây nên sự phá hoại cơ quan thính giác. Nói khác đi, ở mỗi tần số âm, tồn tại ngưỡng cảm nhận được và ngưỡng gây đau tai. Ta có hai định nghĩa sau: - Cường độ âm nhỏ nhất đủ gây nên cảm giác âm ở tai gọi là giới hạn nghe hay ngưỡng nghe. - Cường độ âm lớn nhất mà nếu vượt quá cường độ đó sẽ gây nên cảm giác đau tai gọi là ngưỡng chói. Đối với mỗi người thì ngưỡng nghe, ngưỡng chói có giá trị riêng, tuy nhiên nhìn tổng quát thì gần nhau. Đối với tất cả mọi người ngưỡng nghe và ngưỡng chói phụ thuộc vào tần số âm. Đối với một người “trung bình” (theo thống kê) thì tại tần số 1000 Hz, ngưỡng nghe là 10-12 W/m2, ngưỡng chói là 1 W/m2. - Đơn vị phon cho độ to của âm Ta biết rằng khi cường độ âm thay đổi thì cảm giác về độ to cũng thay đổi theo. Định luật Weber - Fechner áp dụng cho quan hệ giữa cảm giác thay đổi độ to và cường độ âm như sau: 14