Máy Tính Bước Sóng – λ = v/f

Bản đồ Wavelength: λ = v / f

Wavelength (λ, chữ cái Hy Lạp lambda) là khoảng cách không gian của một sóng - khoảng cách giữa hai điểm liên tiếp có cùng pha, chẳng hạn như đỉnh đến đỉnh hoặc trũng đến trũng. Quan hệ cơ bản kết nối bước sóng, tần số và tốc độ sóng là λ = v / f, trong đó v là tốc độ truyền của sóng trong môi trường cụ thể và f là tần số trong hertz (lần mỗi giây). Phương trình này áp dụng phổ biến cho tất cả hiện tượng sóng: bức xạ điện từ, âm thanh, sóng địa chấn, sóng mặt nước và sóng vật chất lượng tử.

Đối với sóng điện từ di chuyển trong chân không, v bằng tốc độ ánh sáng, c = 299.792.458 m s⁻¹ (định nghĩa chính xác của mét kể từ năm 1983). Do đó, một trạm phát sóng phát sóng tại 100 MHz tạo ra sóng với λ = 299.792.458 / 100.000.000 = 2.998 m - khoảng 3 mét. Đối với sóng âm thanh trong không khí ở 20 °C, v ≈ 343 m s⁻¹, vì vậy một nốt nhạc A của hòa tấu ở 440 Hz có bước sóng là 343 / 440 = 0,780 m (78 cm).

Quan hệ đảo ngược giữa bước sóng và tần số là chìa khóa: tại tốc độ sóng cố định, gấp đôi tần số sẽ giảm bước sóng xuống một nửa, và ngược lại. Điều này là lý do tại sao các nốt bass (tần số thấp, bước sóng dài) cong quanh các vật cản dễ dàng hơn các nốt treble (tần số cao, bước sóng ngắn) - hiện tượng được gọi là khúc xạ, trở nên quan trọng khi bước sóng so với kích thước của vật cản.

Tốc độ sóng trong các môi trường khác nhau

Tốc độ mà sóng truyền đi phụ thuộc vào các tính chất vật lý của môi trường. Sóng điện từ di chuyển nhanh nhất trong chân không; trong các vật liệu trong suốt tốc độ của chúng giảm theo chỉ số khúc xạ n: v = c / n. Sóng âm, là cơ học, cần một môi trường và di chuyển nhanh hơn trong các vật liệu dày đặc, cứng hơn.

<table>
  <caption>Tốc độ sóng trong các môi trường thông thường</caption>
  <thead><tr><th>Môi trường</th><th>Loại sóng</th><th>Tốc độ (m s⁻¹)</th><th>Chú thích</th></tr></thead>
  <tbody>
    <tr><td>Chân không</td><td>Điện từ</td><td>299.792.458</td><td>Định nghĩa chính xác theo SI</td></tr>
    <tr><td>Không khí (20 °C)</td><td>Âm thanh</td><td>343</td><td>Tăng ~0,6 m/s mỗi °C</td></tr>
    <tr><td>Không khí (0 °C)</td><td>Âm thanh</td><td>331</td><td>Nhiệt độ tham chiếu tiêu chuẩn</td></tr>
    <tr><td>Nước ngọt (25 °C)</td><td>Âm thanh</td><td>1.497</td><td>Biến đổi theo nhiệt độ và độ mặn</td></tr>
    <tr><td>Nước biển (25 °C)</td><td>Âm thanh</td><td>1.531</td><td>Độ mặn cao hơn → nhanh hơn</td></tr>
    <tr><td>Thép</td><td>Âm thanh (longitudinal)</td><td>5.960</td><td>Sử dụng trong kiểm tra siêu âm</td></tr>
    <tr><td>Aluminum</td><td>Âm thanh (longitudinal)</td><td>6.420</td><td>Kiểm tra không phá hủy</td></tr>
    <tr><td>Đá hoa (crown)</td><td>Điện từ (thị giác)</td><td>~2,0 × 10⁸</td><td>n ≈ 1,52</td></tr>
    <tr><td>Kim cương</td><td>Điện từ (thị giác)</td><td>~1,24 × 10⁸</td><td>n ≈ 2,42</td></tr>
    <tr><td>Đường ống quang học (silica)</td><td>Điện từ</td><td>~2,04 × 10⁸</td><td>n ≈ 1,47 tại 1550 nm</td></tr>
  </tbody>
</table>

<p>Đối với âm thanh trong một khí lý tưởng, v = √(γRT/M), trong đó γ là tỷ số nhiệt dung, R là hằng số khí, T là nhiệt độ tuyệt đối và M là khối lượng mol.  Điều này giải thích tại sao âm thanh di chuyển nhanh hơn trong heli (molecules nhẹ hơn, v cao hơn) so với hexafluor sulfua (molecules nặng hơn, v thấp hơn) - cơ sở của bài toán "giọng nói heli" cổ điển.</p>
<p>Nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ sóng.  Âm thanh trong không khí ở 0 °C di chuyển ở 331 m s⁻¹ nhưng ở 40 °C nó đạt 355 m s⁻¹.  Trong nước, tốc độ âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ, độ mặn và độ sâu (áp suất).  Các nhà khoa học biển sử dụng các phương trình thực nghiệm (ví dụ, phương trình UNESCO của Chen &amp; Millero) để tính toán các bản đồ tốc độ âm thanh quan trọng cho sonar và âm học dưới nước.</p>