Đường
đi và đến của âm thanh

Trương
Văn Tân

Để
anh gọi, tiếng thơ buồn vọng lại
Nguyên
Sa

Sóng
âm thanh cần môi trường như không khí, nước hay thể
rắn để truyền âm. Vì vậy, vận tốc âm thanh gia giảm
theo điều kiện môi trường như áp suất và nhiệt độ.
Đường đi và đến của sóng âm do đó rất đa dạng
nhưng chặt chẽ tuân theo các quy luật vật lý. Chúng có
thể là đường thẳng hay đường cong nhiều dạng gây ra
những hiện tượng bất ngờ và thú vị. Chẳng hạn, vật
bơi trong lòng biển có thể “tàng hình” một cách
tự nhiên. Sóng âm/siêu âm là vũ khí của một số động
vật để tìm mồi. Chúng dường như am hiểu khoa học như
con người. Con người mô phỏng sonar của loài dơi hay cá
voi để chế tạo những thiết bị sonar tầm xa truy tìm
mục tiêu trong lòng biển dù đi sau các loài động vật
hàng chục triệu năm.

***

Khi
tôi đang sắp sửa viết lời mở đầu cho bài này thì
bỗng nhiên từ chiếc máy tính YouTube phát ra bài hát
“Hương
xưa”
của Cung Tiến mà tôi hằng yêu mến. Một ca khúc bất
hủ, có lẽ duy nhất trong thể loại tình ca, đã đi vào
lịch sử âm nhạc Việt Nam như một áng cổ thi được
trang trí bởi những nốt nhạc vang lên trong hoài niệm
của vùng ký ức xa xưa man mác giai điệu Serenade của
Schubert. Vào những lần khác tôi chỉ cảm nhận những ca
từ êm dịu của người nhạc sĩ tài hoa mà các nhà soạn
nhạc ngày nay dường như mất dần năng khiếu diễn biến
lời nhạc thành vần thơ. Nhưng lần này tôi lắng nghe từ
một góc cạnh khác; góc cạnh của âm thanh. Ca từ của
“Hương
xưa”
đầy âm sắc diễn tả một miền quê êm đềm trong
“tiếng tre êm ru” hòa lẫn “tiếng sáo vi vu”
và đâu đó “tiếng ru êm buồn” xen trong “tiếng
khung quay tơ”. Rồi bỗng nhiên tác giả đưa người
nghe tới một nơi nào đó xa xôi tận bên Trung Quốc khi
“lời Đường thi nghe vẫn rền trong sương mưa”
để hòa điệu với ”tình nhị
hồ vẫn уêu âm xưa” và thấp thoáng người đẹp
Tây Thi trong “cung
Nguуệt
Ϲầm
vẫn thương Ϲô
Tô”. Và cuối cùng thì “đời êm như tiếng hát
của lứa đôi”. Âm thanh trong bài hát có đủ mọi
tần số cao thấp lúc thì êm ru lúc thì vang rền trong
tiếng hoan ca…

Từ
ca khúc này tôi chợt nhớ đến tiếng sáo và tiếng hát
của chuyện tình Trương Chi Mỵ Nương. Câu chuyện không
có hậu vì sự hiểu lầm của nàng Mỵ Nương yêu kiều
nhưng nhiều hoang tưởng. Trương Chi chỉ thoạt nhìn dung
nhan tiên nữ của nàng thì đã sụt sùi đem lòng say mê.
Tiếc rằng, nàng Mỵ “sang chảnh” không kém các
thiếu nữ đang lớn thời nay thích rưng rưng lãng mạn
nhưng không thích kẻ xấu trai nên chàng đành ôm mãi mối
tình thiên thu. Câu chuyện trở thành thiên tình sử khơi
gợi nhiều cảm hứng kéo dài đến thi ca hiện đại khi
muốn diễn tả những cuộc tình bi đát đơn phương. Dù
có vụng về, tôi muốn đưa câu chuyện dưới góc nhìn
âm thanh. Sẽ có một số người đọc không hài lòng tại
sao lại phải phô bày một chuyện tình dưới ánh sáng
khoa học. Nhưng sự lãng mạn cũng có lôgic khoa học. Câu
chuyện chắc hẳn xảy ra vào những đêm của mùa hè. Vì
mùa hè nên Mỵ Nương có cơ hội mở cửa sổ vừa hóng
mát vừa thăng hoa cùng giọng hát tiếng sáo của chàng
Trương. Và cũng vì đêm mùa hè nên những âm thanh được
truyền tải rõ hơn. Khi bầu trời tắt nắng, về đêm ta
nghe tiếng chuông chùa rõ hơn lúc ban trưa. Chúng ta hãy
tìm hiểu tại sao âm thanh lại nghe rõ hơn vào những đêm
hè gió mát.

Âm
thanh đi và đến

Những quy luật quang học về ánh sáng ( hay nói rộng hơn là sóng điện từ ) hoàn toàn có thể vận dụng cho sóng âm. Sóng ở một môi trường tự nhiên này ( thí dụ, không khí ) đi vào một môi trường tự nhiên khác ( thí dụ, nước ) thì hiện tượng kỳ lạ khúc xạ xảy ra. Khúc xạ nghĩa là đường đi của sóng chệch hướng khi đi vào thiên nhiên và môi trường khác. Nguyên nhân là do sự biến hóa tốc độ của sóng. Định luật Snell lý giải hiện tượng kỳ lạ này bằng một công thức rất đơn thuần nhưng đủ sức mạnh để định lượng hóa sự chệch hướng của sóng được vận dụng cho ánh sáng ( sóng điện từ ) và sóng âm trong mọi trường hợp ( xem Phụ chú ). Tuy nhiên, giữa sóng điện từ và sóng âm có sự dị biệt lớn. Sóng điện từ hoàn toàn có thể vận động và di chuyển trong chân không nhưng sóng âm cần môi trường tự nhiên ( thể rắn, thể lỏng, thể khí ) để truyền tải. Hai người đứng trong chân không chuyện trò nhau thì không ai nghe được ai. Vì vậy, khác với ánh sáng, tốc độ truyền tải của sóng âm biến hóa với nhiệt độ và áp suất của môi trường tự nhiên. Nhiệt độ hay áp suất càng cao thì tốc độ càng cao. Vì sự nhạy cảm của sóng âm so với những điều kiện kèm theo của thiên nhiên và môi trường, đường đi và đến của sóng âm cho thấy nhiều hiện tượng kỳ lạ đặc trưng. Chúng ta hãy xem vì sao tiếng sáo và tiếng hát của Trương Chi lại điệu đàng Mỵ Nương đến thế .
Ban ngày, mặt đất được hâm sôi bởi tia nắng mặt trời. Nhiệt độ từ từ giảm theo chiều cao. Khi vận dụng định luật Snell, đường truyền âm theo đường cong hướng lên cao. Tiếng sáo chàng Trương sẽ ” trớt quớt ” không hề truyền đến nhà nàng giữa buổi trưa hè trời nắng gắt ( Hình 1 a ). Về đêm, tình thế đổi ngược. Không khí nóng ban ngày vận động và di chuyển lên cao và không khí mát bao trùm mặt đất. Nhiệt độ tăng dần từ thấp đến cao. Đường truyền âm theo đường cong bẻ ngoặc xuống mặt đất ( Hình 1 b ) ( xem Phụ chú ). Lời ca tiếng sáo của chàng Trương dịu như mật ngọt tuôn vào tai nàng Mỵ khiến nàng mất hồn mê mệt tương tư !

Đường truyền tải của sóng âm trong lòng biển phức tạp hơn trong không khí. Tùy theo địa hình khu vực, vùng biển nhiệt đới gió mùa, ôn đới hay Nam / Bắc cực, sóng âm đổi khác tùy theo nhiệt độ và chiều sâu của biển. Sự biến đổi này rất phong phú. Hình 2 cho thấy trường hợp tổng quát của sự biến hóa của tốc độ sóng theo chiều sâu của biển. Nhiệt độ nước trên mặt biển vào khoảng chừng 20 °C và tốc độ tương ứng là 1.500 m / s. Nhiệt độ nước giảm theo chiều sâu cho đến khi chiều sâu đạt tới 1.000 m. Vận tốc theo nhiệt độ giảm đến 1.490 m / s. Ở độ sâu 1.000 m và sâu hơn, nhiệt độ ở mức trung bình 4 °C. Yếu tố nhiệt độ không còn quan trọng nhưng áp suất nước mở màn có tác động ảnh hưởng. Áp suất ở 1.000 m là 100 atm gấp 100 lần áp suất không khí trên mặt biển ( 1 atm ) và liên tục ngày càng tăng với chiều sâu. Vận tốc ngày càng tăng với áp suất. Vì vậy, đường đi và đến của sóng tùy thuộc vào sự biến hóa của tốc độ sóng trong lòng biển. Và sự biến hóa tốc độ được gây ra bởi nhiệt độ và áp suất của thiên nhiên và môi trường. Nhưng dù ở trường hợp nào, định luật Snell vẫn là ánh đuốc cho việc thống kê giám sát con đường đi đến của sóng âm .

Hình
2: Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất của vận tốc
sóng âm trong lòng biển.(Sound speed: vận tốc sóng âm;
Water depth: chiều sâu của nước). (Nguồn: Google).

Sonar
(sound
navigation
and
ranging:
sóng dẫn đường và định tầm) là sóng âm dùng để
truy tìm và định vị vật thể trong nước giống như
radar trong không khí. Radar là sóng điện từ chỉ có thể
dùng trong không khí vì nước hấp thụ radar và triệt
tiêu chức năng của radar. Thiết bị sonar hay radar đều
có cùng một chức năng là truyền sóng đến mục tiêu và
nhận lại sóng phản hồi. Tín hiệu phản hồi của sóng
sonar hay radar được xử lý bằng những thuật toán giống
nhau để xác nhận mục tiêu qua khoảng cách, phương
hướng, tốc độ và hình dạng. Kỹ thuật radar và sonar
phát triển mạnh trong Thế chiến thứ 2 cho mục tiêu quân
sự. Ngày nay, những kỹ thuật này được áp dụng rộng
khắp trong các ứng dụng dân sự lẫn quốc phòng. Những
thiết bị sonar trở thành một công cụ không thể thiếu
cho ngành ngư nghiệp để truy tìm những đàn cá ngoài
khơi cũng như quan sát các hoạt động đi lại của tàu
ngầm hay tìm kiếm ngư lôi nằm phục kích trong lòng biển.

Trong việc giám sát đường đi của sóng âm như vừa đề cập, những nhà khoa học tìm được một trường hợp đặc trưng trong đó ảnh hưởng tác động nhiệt độ gây ra sự biến hóa của tốc độ sóng tạo ra ” vùng cấm ” trong lòng biển ( Hình 3 ). Vùng cấm là nơi mà sóng không hề lọt vào. Thiết bị sonar của chiếc tàu quan sát trên mặt biển không nhìn thấy tàu ngầm đang hoạt động giải trí hay một đàn cá bơi nhởn nhơ trong vùng cấm. Tàu ngầm hay đàn cá vì thế ” tàng hình ” trước luồng sóng truy lùng sonar. Đây là một trong nhiều tác dụng mê hoặc và đã trở thành điều thường thức trong những sách giáo khoa âm học … được tiên đoán bằng những con tính không quá phức tạp dựa trên định luật Snell theo những điều kiện kèm theo đổi khác đặc trưng của tốc độ sóng trong lòng biển [ 1 ] .

Hình
3: Một trường hợp đặc thù của ảnh hưởng nhiệt độ
nước trong lòng biển
đối với vận tốc sóng tạo ra
“vùng cấm” (////). (Nguồn: Google)

Nói đến ” tàng hình ” thì phát sinh những điều mê hoặc khác. Tàng hình là một điều tra và nghiên cứu nhiều thử thách trong khoa học vì nó tập trung chuyên sâu vào việc giảm thiểu sóng phản hồi quay về nguồn phát bằng cách ” dập tắt ” sóng ( hấp thụ sóng ) hay uốn sóng phản hồi theo hướng khác hoặc làm sóng trượt trên tiềm năng. Sóng được phát ra từ ” kẻ truy ” để săn lùng ” người ẩn ” ( tiềm năng ). Khi kẻ truy nhận được sóng phản hồi thì sẽ xác định được người ẩn giống như trò ú tim giữa mèo và chuột. Nếu người ẩn khôn ngoan tìm được cách uốn cong đường đi của sóng tránh sự phản hồi hay ” dập tắt ” sóng ( hấp thụ sóng ) phát ra từ kẻ truy thì người ẩn sẽ tàng hình .
Năm 2006, nhóm điều tra và nghiên cứu của giáo sư Pendry và Smith đã sản xuất một loại siêu vật tư hoàn toàn có thể uốn cong vi sóng ( microwave ) [ 2 ]. Vi sóng là sóng radar. Bài báo cáo giải trình khu công trình này làm chấn động cộng đồng khoa học. Phải chăng thời đại tàng hình đã mở màn ? Và con người ai cũng sẽ mua được chiếc áo choàng Harry Potter ; máy bay, tàu chiến, tàu ngầm sẽ tàng hình nhờ siêu vật tư ? Như Hình 4 cho thấy khi siêu vật tư của nhóm Pendry-Smith được phủ lên một vật thể ( tiềm năng ) thì những tia vi sóng bị uốn cong trong lớp phủ trượt lên trên vật đó, giống như dòng nước nhẹ nhàng chảy vòng quanh khối đá nhô lên giữa dòng suối. Sự phản hồi sóng không xảy ra. Vật thể được phủ sẽ tàng hình .

Hình 4: Những tia sóng truyền tải từ mặt sang trái. Khi đi vào lớp phủ của Pendry-Smith (màu xanh) tia sóng bị bẻ cong và trượt trên bề mặt của vật thể (màu cam). Sóng vẫn tiếp tục truyền tải từ mặt sang trái, không phản hồi. Cho nên vật thể tàng hình [2].

Khi siêu vật tư tàng hình trong vi sóng của Pendry-Smith được công bố thì những nhà vật lý âm học hấp tấp vội vàng ” ăn theo ” tạo ra siêu vật tư ” tàng âm ” ( tàng hình âm học ) [ 3 ] vì những quy luật dùng cho sóng điện từ cũng hoàn toàn có thể vận dụng cho sóng âm. Thật ra, như Hình 3 cho thấy âm học đã có hiện tượng kỳ lạ ” vùng cấm ” vạn vật thiên nhiên trước khi có ý tưởng sáng tạo siêu vật tư tàng hình. Vùng cấm là nơi mọi vật thể tàng hình trước sự truy lùng của sóng sonar. Theo sự tìm kiếm của người viết, trong nhiều bài báo cáo giải trình về siêu vật tư tàng âm có vẻ như ” vùng cấm ” âm học bị quên lãng. Tác giả những bài báo âm học chỉ chú ý vào những thành quả siêu vật tư của đồng nghiệp sóng điện từ mà quên rằng ” vùng cấm ” âm học từng hiện hữu và hoàn toàn có thể tiên liệu dựa theo công thức đơn thuần của Snell [ 1 ] .
Như vậy, có chăng con người hoàn toàn có thể ” hô biến ” mọi vật từ trên không đến lòng biển ? Câu vấn đáp ngắn gọn là : chưa. Thứ nhất, siêu vật tư tàng hình chỉ xảy ra ở một tần số nhất định của sóng điện từ hay sóng âm. Nếu kẻ truy dùng tần số khác thì người ẩn bị ” hiện hình “. Thứ hai, để hoàn toàn có thể uốn cong đường đi của sóng, lớp phủ cần một độ dày nhiều lần lớn hơn đường kính của vật. Quá cồng kềnh ! Do vậy, siêu vật tư tàng hình là một mẫu thí nghiệm trong phòng điều tra và nghiên cứu chỉ có ích cho việc khảo sát và phong cách thiết kế một môi trường tự nhiên để uốn cong đường đi và đến của sóng theo một chủ đích được đặt ra. Nó không mang tính thực dụng .
Khi quan sát kỹ Hình 3 tất cả chúng ta thấy ” vùng cấm ” như thể một siêu vật tư tàng hình vạn vật thiên nhiên khổng lồ có thể tích rộng vài ngàn đến mươi ngàn kilômét khối bao quanh chiếc tàu ngầm. Khác với siêu vật tư tàng hình / tàng âm của con người chỉ hoàn toàn có thể hoạt động giải trí ở duy nhất một tần số, ” vùng cấm ” hoàn toàn có thể hoạt động giải trí trên băng tần rộng bao trùm mọi tần số của âm thanh. Trong vùng nước bát ngát này những vật thể như đàn cá hay tàu ngầm hoàn toàn có thể tung hoành tùy thích mà không ai nghe thấy. Thật là mê hoặc nếu những nhà khoa học hoàn toàn có thể dùng sáng tạo độc đáo ” vùng cấm ” để phủ lên chiếc tàu ngầm. Tuy nhiên, tất cả chúng ta đụng vào một điều nan giải là làm thế nào ” ép ” một vùng rộng vài ngàn kilômét khối tạo thành một lớp phủ dày vài xentimét ? Chúng ta không vi phạm những quy luật vật lý nhưng lúc bấy giờ chưa có một chiêu thức khả thi để sản xuất một vật tư vừa mỏng dính vừa có hiệu năng tàng hình tương tự .

Truy
kích và truy sát

Con người có máy phát sonar lẫn radar. Các loài động vật hoang dã không hề phát sóng radar nhưng hoàn toàn có thể phát sóng sonar để tìm mồi. Từ thuở hồng hoang, theo thứ tự ưu việt về phương cách sử dụng sóng sonar của động vật hoang dã thì loài dơi đứng đầu, sau đó là động vật hoang dã biển như cá voi cá heo và vài loài chim. Đến thế kỷ 20 thì con người được lọt vào vị trí hạng nhì sau loài dơi nhờ những ý tưởng những dụng cụ phát sóng và năng lực giải quyết và xử lý tài liệu bằng máy tính có vận tốc cực nhanh. Dù sao, con người đứng sau loài dơi vẫn không phải là điều hổ thẹn vì dơi đã có 50 triệu năm tiến hóa. Có những loài dơi chỉ ăn trái cây, đi kiếm ăn ban ngày nên chỉ cần khứu giác và thị giác tốt. Loài dơi khác nhỏ hơn tìm mồi đêm hôm nên cần sóng âm để dò đường và tìm mồi. Cơ chế này có tên gọi là ” xác định bằng tiếng dội ” ( echolocation ) ( Hình 5 ). Món khoái khẩu của loài dơi này là bướm đêm ( moth ). Dơi vừa bay vừa liên tục phát sonar ở tần số siêu âm ( tai con người không nghe được ) từ miệng hay mũi. Đầu dơi qua sự tiến hóa hàng chục triệu năm đã biến mặt mũi của dơi thành bộ mặt ” hung quỷ ” không nhẵn, biến dạng, cực kỳ xấu xí với mục tiêu là sản xuất và phát ra những luồng sóng siêu âm hiệu suất cao có cường độ cao và xác định tiềm năng đúng mực ( Hình 6 ). Dơi lại có đôi tai to quá khổ như Trư Bát Giới để hoàn toàn có thể nhận lại âm phản hồi. Khác với những bộ phim ” Người dơi ” điển trai của Hollywood, sự tiến hóa của loài dơi không cần ” đẹp ” mà chỉ cần thích ứng thực trạng để sống còn .

Tại
sao tai dơi phải to như Trư Bát Giới? Là do sự đòi hỏi
của thiên nhiên. Khi sóng truyền đi thì cường độ sóng
giảm dần theo tỷ lệ nghịch của bình phương khoảng
cách (1/d2,
d
là khoảng cách). Thí dụ, dơi phát ra luồng siêu âm chạm
vào con bướm đêm cách 1 m thì cường độ sóng là 1. Khi
con mồi bay xa ra 2 m thì cường độ chỉ còn 1/4. Sóng
phản hồi từ con bướm chạm vào tai dơi lại giảm theo
tỷ lệ 1/4 của 1/4 (= 1/16). Như vậy, nếu con bướm khôn
ngoan bay nhanh ra xa cách con dơi 10 m, thì cường độ phản
hồi sẽ 10,000 lần nhỏ hơn. Vì vậy, tai dơi phải to để
tiếp thu càng nhiều những luồng sóng phản hồi yếu ớt.
Mặt khác, dơi phải phát sóng siêu âm có cường độ cao
để có luồng phản hồi mạnh hơn. Nhưng cường độ
càng cao, mà dơi mỗi đêm đi kiếm ăn phải sử dụng
sonar liên tục thì dơi sẽ chết non vì sẽ bị điếc tai
vĩnh viễn… Thật sự, dơi không điếc tai và đây là
một sự sắp xếp rất tài tình của quá trình tiến hóa.
Mỗi lần phát sóng thì thính giác của dơi tạm thời bị
cắt trong khoảnh khắc đó. Cơ chế này có lẽ giống như
người ngủ ngáy to làm phiền người nằm kế bên nhưng
tai của kẻ gây ồn thì không nghe thấy gì cả. Ngay cả
khi bị đạp lọt xuống giường thì vẫn còn vô tư dụi
mắt nghĩ rằng mình vô tội!

Ngoài ra, dơi còn c ó những đặc thù khác mà con người phải nhường bước cho loài dơi đứng hạng nhất trong cuộc chơi sonar. Cộng đồng dơi trung bình có hàng trăm ngàn con thậm chí còn hàng triệu sống trong một khoanh vùng phạm vi nhỏ hẹp. Như vậy liệu chúng hoàn toàn có thể lầm lẫn giữa tiếng dội sonar của mình và đồng loại tạo ra cảnh đụng chạm gây bát nháo như tai nạn đáng tiếc giao thông vận tải trong thành phố con người ? Điều này không xảy ra. Mỗi thành viên dơi tạo ra tần số riêng cho mình hoặc tích hợp vài tần số để vận động và di chuyển hoặc tìm mồi. Dơi thao tác này đã hàng triệu năm trước trong khi con người biết đến ” tần số riêng không liên quan gì đến nhau ” chỉ có vài mươi năm. Các trường bay ngày này có tần số riêng biệt để tinh chỉnh và điều khiển không lưu .
Việc dơi săn mồi là đề tài mê hoặc được khảo sát một cách khoa học [ 4 ]. Vì là sinh vật nhỏ nên cường độ sonar thấp hơn so với những loài sinh vật biển như cá voi hay cá heo. Hơn nữa, trong môi trường tự nhiên không khí, độ suy giảm cường độ sóng ( attenuation ) nhanh hơn trong nước. Dù vậy, dơi phát sóng siêu âm có tần số từ 20.000 đến 150.000 Hz ( = 20 – 150 kHz ) để liên lạc với nhau ở tầm 50 đến 100 m. Đồng thời, chúng lèo lái đường bay của mình trong khoảng chừng 15 – 20 m và săn mồi trong khoanh vùng phạm vi 5 m với vận tốc bay 4 – 5 m / s. Trong khoanh vùng phạm vi 1 m, dơi thu hoạch tài liệu của tiếng dội từ con mồi. Bộ óc tí hon của chúng có năng lực tạo hình với độ phân giải cao bằng cách giải quyết và xử lý tài liệu như máy tính con người, xác lập con mồi ăn được hay không, rồi chuẩn bị sẵn sàng tiến công. Tất cả mọi trường hợp này xảy ra trong màn đêm và trong vài lần 1/10 giây. Tầm 1 m rất ngắn nên luồng sonar của dơi tỏa ra ở góc rộng 60 °. Nhưng chúng hoàn toàn có thể cảm nhận được những chùm sóng phản hồi từ con mồi trong một góc nhỏ 1,5 ° [ 5 ]. Điều kinh ngạc là con bướm đêm bay chập chờn trước tàn cây nhiều lá phất phơ trước gió, nhưng việc tạo hình của dơi không bị nhầm lẫn giữa lá và mồi dù bị nhiễu vì mọi thứ đều hàng loạt rung động giống nhau. Con người chỉ có được năng lực này chưa đến 100 năm trước, khi con người mở màn biết dùng radar từ máy bay để thám thính chiếc xe tăng đang lẩn khuất trong một khu rừng .
Cuộc truy sát của dơi so với con bướm đêm giống như một trận đánh trên không của cuộc chiến tranh nhân dân ! Bây giờ ta hãy đứng về phía con bướm đêm để nhìn cuộc càn quét hung hăng của kẻ săn mồi ra làm sao. Trong 50 triệu năm, bướm đêm là con mồi đáng thương của loài dơi. Loài bướm tiến hóa song song với loài dơi. Loài dơi hoàn bị mạng lưới hệ thống sonar để bắt bướm và loài bướm cải biến hình dạng, công dụng của mình để tránh dơi. Cuộc ” chạy đua vũ trang ” giữa loài dơi và bướm lê dài 50 triệu năm vẫn chưa có hồi kết .
Bướm đêm có nhiều chủng loại, khác nhau về sắc tố, hình dáng, cấu trúc sinh học. Dơi ăn tất, không từ chủng loại nào. Vì là thân phận của kẻ bị ” xơi tái “, mỗi loại bướm có chiêu thức phòng thủ khác nhau. Có loài tiến hóa có năng lực cảm được sóng phát ra từ dơi để khi phát hiện siêu âm đặc trưng từ dơi chúng vội bay đi hướng khác. Một loài bướm vàng ở hòn đảo Madagascar có hai cái đuôi dài mọc từ đôi cánh, dài gấp sáu lần thân bướm và xoắn vào nhau thành chiếc ăng-ten [ 6 ]. Với cái đuôi xoắn, con bướm đêm Madagascar có một cấu trúc đối xứng nghệ thuật và thẩm mỹ thanh tao như cô gái trong điệu vũ ba lê, nghẹn ngào tương phản với hình dạng gớm ghiếc của kẻ săn mồi như ” the beauty and the beast ” ( người mẫu và quái thú ) ( Hình 7 ) .

Hình
7: Vẻ đẹp đối xứng của bướm đêm Madagascar với
chiếc đuôi ăng-ten. (Nguồn: Google)

Nhưng chiếc đuôi ăng-ten này không phải cho việc làm đẹp. Khi siêu âm của dơi chạm vào ăng-ten thì nó sẽ phản hồi trở lại ở tần số khiến cho dơi cảm nhận như thể cánh bướm chập chờn trước gió. Chàng dơi sẽ nhắm vào cái đuôi mà tiến công. Bướm thoát nạn, mất đuôi còn hơn mất mạng. Tiếc thay, đuôi chỉ mọc một lần và bướm sẽ không còn thời cơ lần hai. Trong thuật ngữ quân sự chiến lược, cái đuôi là vật nghi trang ( decoy ). Trong những trận không chiến của con người mà gần đây là Thế chiến thứ 2 và trận đánh ở hòn đảo Falklands ( 1982 ) giữa Anh và Argentina, tiêm kích Anh vừa tiến công vừa thả ra vô số những mảnh nhôm nhỏ hay sợi plastic phủ sắt kẽm kim loại tạo ra một đám mây sắt kẽm kim loại ( chaff ) dùng như vật nghi trang. Tên lửa Argentina bắn lên nhằm mục đích hủy hoại chiếc tiêm kích nhưng radar điều khiển và tinh chỉnh tên lửa bị lừa chỉ thấy và đâm sầm vào đám mây nghi trang .
Năm 2018, trong một cuộc hội thảo chiến lược nhóm nghiên cứu và điều tra tại ĐH Bristol ( Anh ) công bố một số ít loài bướm đêm có lớp lông phủ ” tàng hình ” với năng lực hấp thụ 85 % sóng siêu âm từ ” quân địch ” dơi ( Hình 8 ) [ 7 ]. Loài bướm này khiếm thính không lỗ tai nên lớp phủ ” tàng hình ” như thể một cách phòng vệ thụ động ( passive defence ) .

Hình
8: Loài bướm đêm
có lông phủ tàng hình [7].

Nhóm
Bristol cũng khảo sát một loài bướm đêm khác cho thấy
cánh bướm được cấu tạo bởi vô số vảy
mỏng với kích thước vài trăm micromét có cấu tạo mạng
lưới (Hình 9)
[8]. Mô hình toán cho thấy vảy
cánh bướm cộng hưởng ở 3 tần số siêu âm mà dơi
phát ra. Khi cộng hưởng những mạng lưới rung động và
có thể hấp thụ năng lượng sóng của dơi đến 50 %.
Khi so sánh với bướm ngày (butterfly) họ không thấy sự
hiện diện của vảy.
Sự phát hiện này không những cho thấy sự tiến hóa của
bướm đêm cho việc phòng thủ trước những tác động
nguy hiểm từ dơi mà còn cho con người ý niệm mô phỏng
sinh học để chế tạo các loại vật liệu mỏng hấp
thụ siêu âm và các thiết bị ngăn chặn tiếng ồn.

Hình
9:
Vảy của cánh bướm đêm (hình trái) có cấu trúc mạng
lưới (hình giữa và mặt) [8].

Con người phát ra lời nói trong tần số 125 – 8.000 Hz và nghe được âm thanh trong khoảng chừng 20 – 20.000 Hz. Khi cất giọng ca tần số cao nhất con người hoàn toàn có thể đạt được là 1.600 Hz ( phím đàn piano là từ 27,5 Hz đến 4.186 Hz ). Âm thanh ở 2.000 – 8.000 Hz không còn là tiếng nói hay tiếng hát mà là tiếng hét. Rất ít người hoàn toàn có thể hét đến tần số 8.000 Hz ! Các động vật hoang dã biển như cá voi hay cá heo thuộc loài sống bầy đàn. Chúng phát ra âm thanh để liên hệ trao đổi hay tìm kiếm bạn tình. Cá voi đực có những bài ” tình ca ” mời gọi bạn tình và phần nhiều những ” bài ca ” được cất lên ở tần số thấp 30 Hz, tương tự với nốt trầm nhất trên phím đàn piano. Chúng hoàn toàn có thể rít lên đến 8.000 Hz. Âm thanh ở tần số càng thấp thì chuyển dời càng xa đến vài trăm km trong lòng biển vì ít bị suy giảm cường độ. Sóng có tần số thấp ( bước sóng dài ) là sóng có âm độ trầm dễ bị nhiễu xạ và dễ truyền tải đi xuyên qua vật chất ( chất rắn hay chất lỏng ). Hiện tượng này đã được vật lý âm học chứng tỏ bằng những phương trình toán học và hoàn toàn có thể cảm nhận trong hoạt động và sinh hoạt hằng ngày. Khi tiếng nhạc phiền phức vang lên từ ngôi nhà hàng xóm, ta chỉ nghe được tiếng bass ” bùng bùng “. Tiếng bass là âm thanh tần số thấp, nó nhiễu xạ qua những chướng ngại vật, đi xuyên qua vách tường phá giấc ngủ êm đềm của ta. Dọc theo xa lộ, dù có những bức tường chắn âm nhưng sóng tần số thấp vẫn có ” leo ” tường đi vào nhà tất cả chúng ta .
Khi tìm mồi, cá voi và ca heo sử dụng siêu âm giống như loài dơi. Nước truyền âm tốt hơn không khí và cường độ âm thanh cao hơn vì phát ra từ loài động vật hoang dã to, nên siêu âm của cá truyền tải trong khoanh vùng phạm vi vài trăm mét so với dơi chỉ là vài mét. Mọi việc có vẻ như được vạn vật thiên nhiên sắp xếp rất hài hòa và hợp lý. Khi tìm bạn tình, cá voi cần sự ồn ào hát to bản tình ca ” em hỡi, anh đây ” và tiếp thị thoáng rộng bằng âm thanh tần số thấp. Khi đi kiếm ăn, cá thận trọng đi đứng bí mật tìm mồi bằng sóng siêu âm .
Con mồi của cá voi và cá heo là những con cá nhỏ và những loài tôm tép. Nhưng cuộc truy sát giữa kẻ đi săn và con mồi không ngoạn mục như dơi và bướm. Trải qua hàng chục triệu năm, có vẻ như thuyết tiến hóa Darwin không màng can dự nên từ thuở khai thiên lập địa đến nay việc săn lùng cá không có nhiều đổi khác. Việc phát hiện đàn cá cách xa vài trăm thước bằng sóng siêu âm có chính sách khác dơi tìm bướm. Cơ chế này được lý giải bằng những phương trình toán học và sẽ được đề cập ở phần tiếp theo. Việc vận dụng sonar vào việc khảo sát và đo đạc những loài động vật hoang dã trong sông, hồ và biển là một hoạt động giải trí liên ngành giữa sinh học và vật lý âm học. Kết quả là tất cả chúng ta có những phương trình toán học Dự kiến và thống kê giám sát được sự chuyển dời, số lượng, tỷ lệ của mọi sinh vật trong nước từ những con kình ngư đến những loài sứa biển hay tôm tép [ 9 ] .
Bọt là một thực thể tán âm ( sound scattering ) và cộng hưởng rất hiệu suất cao. Khi nước không bọt sóng âm truyền dẫn tự do trong nước. Nhưng khi bọt hiện hữu trong nước sóng âm chạm vào bọt và phân tán mãnh liệt. Nếu ta tạo ra một màn bọt ( bubble curtain ) trong nước, âm thanh sẽ bị phân tán và hấp thụ bởi bọt. Màn bọt xử sự như một lá chắn ngăn ngừa âm thanh. Khi những kỹ sư xây cầu đóng cột trong lòng biển hay lòng sông, họ tạo màn bọt hình ống bao quanh cột để ” giam ” âm thanh trong khoanh vùng phạm vi của ống nhằm mục đích giảm thiểu ô nhiễm tiếng ồn khi đóng cột tránh gây thương vong đến những loài động vật hoang dã biển ( Hình 10 ) [ 10 ] .

Hình
10:
Màn bọt hình trụ vây quanh cây cột làm giảm tiếng ồn
trong lúc đóng cột. (Nguồn: www.marinecontech.com)

Ở trong những loài cá từ con cá lòng tong, cá lóc, cá trê của sông nước ngọt hay cá thu, cá ngừ của biển, bong bóng cá là bộ phận quan trọng tinh chỉnh và điều khiển sự chìm nổi của cá. Nó quyết định hành động sự sống còn cho cá nhưng lại làm ” nội gián ” cho kẻ săn mồi. Bong bóng cá là bọt khí ( thường là oxy ). Một con cá nhỏ trong 1.000 m3 ( 10×10 x10 m ) nước hoàn toàn có thể bị phát hiện bởi sự tán âm và hấp thụ sóng của khủng hoảng bong bóng từ một khoảng cách rất xa. Nếu siêu âm được sử dụng, vì là sóng có tần số cao ( lớn hơn 20 kHz ) siêu âm phản hồi và phân tán rất mạnh. Vì tín hiệu phản hồi rất rõ nên cá thuận tiện bị nhận diện trong khoảng cách vài trăm mét. Từ thông tin của tín hiệu phản hồi, cá voi hay cá heo hoàn toàn có thể giải quyết và xử lý tài liệu như loài dơi, xác định được con mồi và độ lớn nhỏ của nó qua tần số cộng hưởng. Như định luật Minnaert cho biết tần số cộng hưởng của bọt đổi khác theo độ lớn của bọt [ 10 ]. Từ kích cỡ của bong bóng cá ( bọt ), ta hoàn toàn có thể loại suy được độ lớn nhỏ của cá. Cá voi cá heo biết điều này vài mươi triệu năm trước. Thiết bị sonar và công cụ giải quyết và xử lý tín hiệu tân tiến của loài người dù phức tạp, nhưng không hơn sonar của loài cá hoặc loài dơi. Đây cũng là nguyên do con người huấn luyện và đào tạo cá heo thao tác thám thính tàu thuyền, tìm kiếm ngư lôi và nhiều hoạt động giải trí khác .
Khi phát hiện được đàn cá, cá voi không vội nhảy vào ” làm thịt ” đàn cá vì chúng sẽ bồn chồn bơi phân tán khắp nơi. Khi ăn phải ăn thật no. Để triển khai việc này, cá voi từ bên dưới bơi lên theo hình xoắn xung quanh đàn cá, vừa bơi vừa phì bọt không khí tạo ra một ống hình tròn trụ bằng bọt bủa vây đàn cá ( Hình 11 a ) [ 11 ]. Ống hình tròn trụ này có đường kính 3 đến 30 m tùy độ lớn của đàn. Việc tạo ra ống bọt được tạo thành bởi một con hay nhiều con hiệp lực đánh ” hội đồng ” rất uyển chuyển ( Hình 11 b ). Điều quá bất ngờ là sau khi lọt vào ống bọt đàn cá như lạc vào cõi sa mù, loay hoay mất khuynh hướng không tìm được đường thoát thân. Bình thường, cá vẫn hoàn toàn có thể thuận tiện vượt qua những vùng có nhiều bọt biển. Các nhà khoa học vẫn chưa tìm được câu vấn đáp vì sao cá lại loay hoay. Bên trong ống bọt là một vùng khoảng trống rất yên tĩnh vì những tiếng ồn của biển đã bị dội ngược bởi thành ống. Có lẽ, khi lọt vào vùng này đàn cá không nghe được tiếng ồn của biển nên mất khuynh hướng hay chăng ?

Sau khi dùng bọt vây hãm đàn cá, cá voi quay trở xuống dưới ống bọt vừa tạo ra, ” hú ” một tiếng từ đáy ống. Tiếng hú của cá voi có một công lực rất lớn mà người đi biển hoàn toàn có thể nghe được trên mặt biển. Giống như khi ta la to trên miệng giếng, tiếng dội vọng lại rất to. Tất cả mọi nguồn năng lượng của tiếng hú được ống bọt phủ bọc nên có cường độ tập trung chuyên sâu rất lớn khiến cho đàn cá trở nên cực kỳ bồn chồn. Ở ngay thời gian này, cá voi chui vào ống bọt bơi ngược lên há mồm điềm nhiên nuốt trọn đàn cá. Chức năng của ống trụ bọt trong khu công trình đóng cột cầu là để giữ và chặn tiếng ồn trong khoanh vùng phạm vi ống cũng giống như cá voi, nhưng loài người đi sau loài cá 30 triệu năm .

Lời
kết

Vật lý cổ xưa có những bộ môn như điện từ học, âm học, nhiệt động học hay cơ học thống kê ( statistical mechanics ). Vật lý cổ xưa không lộng lẫy mê hoặc như vật lý lượng tử nhưng nó tỏa sáng như một tòa tháp đứng sừng sững trên mảnh đất phì nhiêu khoa học có tác động ảnh hưởng sâu xa đến hoạt động và sinh hoạt loài người. Phương pháp luận của nó phần nhiều chỉ dựa trên những thuật toán cơ bản của vi tích phân nhưng đã vô cùng linh nghiệm khi lý giải và tiên đoán đúng mực sự vật nhìn thấy, nghe thấy, sờ thấy được xung quanh ta. Chúng ta kinh ngạc và vỗ tay tán thưởng thậm chí còn với giải Nobel khi con người nhìn thấy ” lỗ đen ” thiên hà từ khoảng chừng xa tít mù 55 triệu năm ánh sáng. Nhưng tất cả chúng ta sai lầm đáng tiếc khi ” tầm thường hóa ” những điều vĩ đại xảy ra trong đời thường vì xem chúng như lẽ đương nhiên. Chúng ta dửng dưng trước cái cỗ máy xe hơi ngày càng hoàn thành xong, chạy nhanh, bền nhưng ít hao xăng ; những cái bấm hiệu suất cao mở đóng cửa xe của bộ phận tinh chỉnh và điều khiển từ xa và ống hãm thanh nhã nhặn dưới gầm xe khiến chiếc xe chạy vi vu êm đềm như ” tiếng tre êm ru “. Đó là những thành tựu đơn cử của nhiệt động học, điện từ học và âm học .

Âm
học và điện từ học đã tạo ra và tiếp tục triển
khai những thiết bị hữu ích trong việc truy tìm và định
vị từ xa. “Sự
tàn khốc của khoảng cách”
(tyranny of distance) thường chỉ đến những khoảng cách
mênh mang vô tận của vũ trụ. Trong kỹ thuật thiết kế
các loại thiết bị radar hay sonar tầm xa, “khoảng
cách” không hẳn là biến số “tàn khốc”
nhưng cũng đủ là một biến số đau đầu. Nhưng nhà
khoa học không thể chống tay lên cằm tư lự đầu hàng
vì “xa cách” và cũng không thể như loài dơi cá
chờ đợi vài mươi triệu năm để thuyết tiến hóa
Darwin cho mình một hệ thống vô song biết cảm ứng tầm
xa. Trong vài thập niên qua những bộ óc thông minh của
con người đã chế tạo ra nhiều thiết bị nghe thấy
“thiên lý nhãn, thiên lý nhĩ” để quan sát, truy
kích và định vị mục tiêu kể cả việc nghe trộm, nhìn
trộm. Hệ thống “radar vượt chân trời” (over the
horizon radar) có thể nhìn xa 3.000 km thậm chí 5.000 km nhờ
sự phản hồi của sóng radar từ tầng khí quyển của
quả đất đến mục tiêu. Bằng hệ thống radar này, từ
mũi Cà Mau ở một ngày đẹp trời người ta có thể nhìn
thấy tàu bè qua lại ở vịnh Bắc Bộ hay phi cơ bay lên
đáp xuống ở sân bay Nội Bài. Nếu làm tốt hơn không
chừng ta quan sát được cả sân bay Bạch Vân ở Quảng
Châu của nước láng giềng Trung Quốc. Hệ thống phát
sóng sonar có tầm xa tuy không bằng radar nhưng có thể đạt
tới 500 km và đã có những cải tiến của sonar phát sóng
ở tần số thấp vượt xa hơn.

Thế
giới đang sống trong thời đại liên kết toàn cầu mà
con người có thể nhìn và nghe nhau từ xa. Khi nào thì
chúng ta có thể bắt kịp thiên hạ sản xuất được
những thiết bị “made
in Vietnam” để
có thể nhìn sân bay Bạch Vân từ mũi Cà Mau hay dò tìm
những đàn cá cho nền ngư nghiệp viễn dương?

Trương
Văn Tân

Những
ngày cấm túc vì COVID
Melbourme,
tháng 10 2020

Hình
P1: Sự khúc xạ của sóng.

Phụ
chú

Định luật khúc xạ Snell được miêu tả bằng công thức như sau ,
sin ϴ1 / v1 = sin ϴ2 / v2
Sóng vận động và di chuyển trong thiên nhiên và môi trường ( 1 ) với tốc độ v1 có góc tới là ϴ1 ( Hình P1 ). Khi vào thiên nhiên và môi trường ( 2 ) sóng chuyển dời nhanh hơn với tốc độ v2 vì vậy góc khúc xạ ϴ2 > ϴ1 .
Khi nhiệt độ không khí giảm dần theo chiều cao, tốc độ sóng và góc khúc xạ cũng sẽ giảm theo chiều cao. Đường đi của sóng bị uốn cong lên phía trên ( Hình P2a ). Ngược lại, khi nhiệt độ không khí tăng dần theo chiều cao, tốc độ sóng và góc khúc xạ tăng theo chiều cao. Đường đi của tuy nhiên bị uốn cong xuống phía dưới ( Hình P2b )

a	b
Hình P2: Đường đi của sóng trong trường hợp (a) nhiệt độ giảm theo chiều cao và (b) nhiệt độ tăng theo chiều cao. Các lớp phân đoạn thể hiện lớp không khí có cùng nhiệt độ.

Tài
liệu tham khảo

1. Thí dụ, A. P. Dowling and J. E.
   Fflowc Williams, “Sound and sources of sound”,
   Chapter 5, John Wileys & Sons, New York 1983.

2. D. Schurig et al, Science,
   314 (2006) 977.

3. S. Zhang, C. Xia and N. Fang, Phys.
   Rev. Lett., 106 (2011) 014301.

4. H-U Schnitzler et al, J.
   Comp. Physio. A, 161 (1987) 267.

5. M. Denny and A. McFadzean,”Engineering
   animals: How life works”, Chapter 9, Harvard University
   Press, Cambridge Massachusetts, 2011.

6. Trevor Cox, “The sound
   book”, Chapter 3, W. W. Norton & Co., New York/London
   2014.

7. T. R. Neil et al, J.
   Acoust. Soc. Am., 144 (2018) 1742.

8. Z. Shen et al, PNAS,
   115 (2018) 12200.

   Xem thêm: Những siêu xe mạnh nhất của các hãng xe thể thao

9. C. S. Clay and H. Medwin, “Acoustical
   oceanography: Principles and applications”, Chapter 7,
   Wiley-Interscience, New York 1977.

10. www.diendan.org/khoa-hoc-ky-thuat/bot .

11. T. G. Leighton, S. D. Richards and
    P. R. White, Acoustics Bulletin, 29
    (2004) 24.

Source: https://hanoittfc.com.vn
Category: Sản Phẩm