Vì sao còi xe đi ngang qua đổi giọng: hiệu ứng Doppler dễ hiểu

Còi xe đi ngang qua đổi giọng vì hiệu ứng Doppler: khi xe tiến lại gần, các đỉnh sóng âm bị dồn sát nhau nên ta nghe cao hơn thực tế; khi xe đi xa, các đỉnh sóng bị giãn ra nên ta nghe trầm hơn. Bản thân chiếc còi không hề đổi tiếng. Cú "rơi giọng" nghe rõ nhất đúng khoảnh khắc xe lướt qua ta.

Thấy ở đâu, lúc nào

Đứng ở lề quốc lộ khi một chiếc xe khách vừa bấm còi vừa lao qua, ta nghe "iiiiii-uuuuu": nửa đầu cao, nửa sau trầm hẳn. Xe cứu thương, xe cứu hoả hú còi qua ngã tư cũng vậy. Ở ga tàu nhỏ, đoàn tàu không dừng kéo còi khi chạy qua sân ga cho nghe cú đổi giọng rất rõ. Cả tiếng động cơ xe máy phóng nhanh qua con hẻm, tiếng một chiếc máy bay bay thấp, tiếng ong vụt qua tai cũng có chút đổi giọng như thế.

Ba điều kiện làm hiệu ứng nghe rõ:

• Nguồn âm chạy nhanh: xe 30 km/h đổi giọng ít, xe 100 km/h đổi giọng rõ.
• Âm có cao độ ổn định: tiếng còi, tiếng hú đều; tiếng ồn lộn xộn khó nhận ra hơn.
• Ta đứng gần đường đi của nguồn âm: càng gần, cú đổi giọng càng đột ngột.

Cơ chế: sóng bị dồn phía trước, giãn phía sau

Âm thanh là những đợt nén và giãn của không khí lan ra từ nguồn với tốc độ khoảng 340 m/s, không phụ thuộc nguồn đang đứng yên hay chạy. Cao độ ta nghe được do tần số: số đợt nén đập vào tai mỗi giây.

Hãy nghĩ tới một chiếc thuyền con đứng yên giữa ao, cứ mỗi giây gõ nhẹ xuống nước một lần. Các vòng sóng loang ra đều nhau, đồng tâm. Giờ cho thuyền vừa đi vừa gõ. Mỗi vòng sóng mới được tạo ra ở chỗ thuyền đã tiến lên một đoạn, nên phía trước mũi thuyền các vòng sát nhau, phía sau đuôi các vòng thưa ra. Người đứng trên bờ phía trước thấy sóng vỗ vào chân dồn dập hơn; người phía sau thấy thưa hơn.

Còi xe cũng vậy. Xe chạy về phía ta thì mỗi đợt nén tiếp theo được phát ra ở gần ta hơn đợt trước, nên các đợt nén đến tai ta sít nhau hơn: tần số cao hơn, giọng cao hơn. Xe chạy ra xa thì ngược lại.

Công thức, nói bằng lời

Với nguồn âm chạy thẳng về phía người nghe đứng yên:

tần số nghe được = tần số còi × v ÷ (v − u)

Trong đó v là tốc độ âm (khoảng 340 m/s), u là tốc độ xe. Khi xe chạy ra xa thì đổi dấu trừ thành dấu cộng. Nói bằng lời: tốc độ xe càng gần tốc độ âm, tiếng phía trước càng bị dồn cao.

Bảng: xe chạy càng nhanh, giọng rơi càng sâu

Bảng dưới tính cho tiếng còi phát đều, người nghe đứng sát mép đường, lấy tốc độ âm 343 m/s. "Nửa cung" là khoảng cách giữa hai phím đàn liền nhau, cả phím trắng lẫn đen.

Hai nửa cung là quãng giữa nốt "đô" và nốt "rê". Năm nửa cung là quãng "đô" lên "pha", một bước nhảy mà ai cũng nghe ra. Người có tai nhạc tốt thậm chí ước lượng được tốc độ xe chỉ bằng cú rơi giọng.

Một chút lịch sử

Nhà vật lý người Áo Christian Doppler nêu ý tưởng này năm 1842, ban đầu để giải thích màu của các ngôi sao đôi (phần giải thích về màu sao sau này hoá ra không đúng, nhưng nguyên lý thì đúng). Năm 1845, nhà khí tượng Hà Lan Buys Ballot kiểm chứng bằng âm thanh theo một cách rất đời: ông cho các nhạc công thổi kèn một nốt cố định trên toa tàu chạy gần Utrecht, còn những người có tai nhạc đứng bên đường ray ghi lại nốt họ nghe được khi tàu đến và đi. Kết quả khớp với dự đoán. Từ đó hiện tượng mang tên Doppler.

Biến thể và ứng dụng

Người nghe chạy, nguồn đứng yên

Hiệu ứng cũng xảy ra khi ta di chuyển và nguồn âm đứng yên. Ngồi trên xe chạy ngang qua một cái loa phát nhạc bên đường, ta nghe bài hát cao lên rồi trầm xuống. Con số hơi khác so với trường hợp nguồn chạy, nhưng ở tốc độ xe cộ thì chênh lệch rất nhỏ.

Không chỉ âm thanh

Ánh sáng và sóng vô tuyến cũng có hiệu ứng Doppler. Súng bắn tốc độ của cảnh sát giao thông phát sóng vô tuyến vào xe và đo độ lệch tần số của sóng dội về. Radar thời tiết dùng nó để biết mưa đang bị gió đẩy về phía nào. Siêu âm Doppler trong bệnh viện đo được dòng máu chảy nhanh hay chậm trong mạch. Các nhà thiên văn đo ánh sáng của thiên hà xa bị lệch về phía đỏ để biết chúng đang lùi xa.

Khi nguồn âm chạy nhanh hơn âm thanh

Nếu nguồn âm đạt tới tốc độ âm, các đỉnh sóng phía trước chồng khít lên nhau thành một mặt sóng xung kích. Đó là chuyện của tiếng nổ siêu thanh, thuộc một chủ đề khác; với xe cộ trên đường, ta còn rất xa ngưỡng ấy.

Con vật cũng dùng

Một số loài dơi điều chỉnh tiếng kêu của mình để bù cho hiệu ứng Doppler khi bay nhanh, sao cho tiếng dội từ con mồi rơi đúng vào vùng tai chúng nhạy nhất. Đây là một trong những ví dụ đẹp về việc sinh vật "biết" vật lý từ trước con người.

Những hiểu lầm thường gặp

• "Xe càng tới gần, tiếng càng cao dần." Không. Khi xe chạy thẳng về phía ta với tốc độ đều, cao độ nghe được giữ nguyên ở mức cao. Thứ tăng dần là độ to. Não ta hay lẫn "to dần" thành "cao dần". Cao độ chỉ đổi nhanh trong vài giây xe lướt ngang qua.
• "Tài xế cũng nghe còi đổi giọng." Người ngồi trên xe chạy cùng còi nên không thấy gì thay đổi. Hiệu ứng chỉ có khi giữa nguồn và người nghe có chuyển động tương đối.
• "Âm thanh phía trước xe đi nhanh hơn." Tốc độ âm trong không khí không phụ thuộc tốc độ xe. Thứ thay đổi là khoảng cách giữa các đỉnh sóng, tức bước sóng và tần số.
• "Đứng xa đường thì đổi giọng ít hơn." Mức đổi tổng cộng như nhau, nhưng diễn ra từ từ hơn vì xe không chạy thẳng về phía ta mà xiên qua. Đứng sát đường, cú rơi giọng rất gắt; đứng xa, giọng trượt xuống nhẹ nhàng.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Nghe ở nơi an toàn

1. Đứng ở chỗ có rào chắn hoặc vỉa hè rộng, cách mép đường ít nhất vài mét, hoặc trên cầu vượt cho người đi bộ. Không đứng trên lòng đường, không đứng sát đường ray.
2. Chờ một chiếc xe máy hoặc ô tô chạy đều. Nhắm mắt lại và chỉ chú ý vào cao độ tiếng máy, bỏ qua độ to.
3. Nhận ra ba giai đoạn: cao và đều khi xe đến, trượt xuống khi lướt qua, trầm và đều khi xe đi.
4. Thử ngân nhẹ theo nốt lúc xe đến và nốt lúc xe đi, bạn sẽ thấy hai nốt khác nhau rõ.

Làm hiệu ứng Doppler tại nhà

• Bật một âm báo thức có cao độ đều trên chiếc điện thoại cũ, cho vào một túi vải mềm buộc chặt vào sợi dây dài khoảng một mét.
• Ra khoảng sân rộng, không có người đứng gần, quay túi thành vòng tròn ngang ngực. Người đứng cách vài mét sẽ nghe tiếng "ụa-ụa-ụa" lên xuống theo từng vòng quay. Người quay thì nghe gần như không đổi.
• Có thể chụp phổ âm bằng ứng dụng đo tần số trên điện thoại thứ hai để thấy vạch tần số lượn lên xuống.

Lưu ý: buộc dây chắc, quay chậm vừa phải, giữ khoảng cách với người xem và đồ dễ vỡ. Trẻ nhỏ làm cùng người lớn.