Bạn đã bao giờ gảy cùng lúc hai dây đàn guitar để chỉnh về cùng một nốt và nghe âm thanh to lên rồi nhỏ đi “u—u—” chưa? Càng vặn khóa đàn từng chút để hai nốt gần nhau, sự chập chờn này càng chậm lại, và nó biến mất đúng lúc hai nốt trở nên hoàn toàn giống nhau. Sự thay đổi độ to có tính chu kỳ xuất hiện khi hai âm có tần số hơi khác nhau chồng lên nhau như vậy được gọi là ‘hiện tượng phách (Beat)’.
Nói một cách đơn giản, hiện tượng phách là ‘sự chập chờn của âm thanh do hai nhịp hơi khác nhau lệch nhau tạo ra’. Đây là một dạng giao thoa trong đó hai sóng luân phiên tăng cường và triệt tiêu lẫn nhau, và là một nguyên lý vật lý được dùng ở nhiều nơi hơn bạn nghĩ, từ việc lên dây nhạc cụ đến cánh quạt máy bay và máy thu thanh.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu cơ chế hình thành phách, cách tính số phách, phách trong việc lên dây nhạc cụ, và cuối cùng là ứng dụng trong kỹ thuật cùng những hiện tượng dễ nhầm lẫn.
Hơi thở của âm thanh do hai sóng lệch nhịp tạo nên
1. Phách hình thành như thế nào?
Để hiểu hiện tượng phách, cần bắt đầu từ thực tế rằng âm thanh là sóng lan truyền khi áp suất không khí tăng giảm. Khi hai âm vang lên cùng lúc, hai sóng cộng trực tiếp với nhau trong không khí, điều này được gọi là sự chồng chất sóng (Superposition).
(1) Khi cùng nhịp và khi lệch nhịp
Khi đỉnh sóng gặp đỉnh sóng, biên độ tăng và âm to lên, đó là giao thoa tăng cường; khi đỉnh gặp đáy, chúng triệt tiêu nhau và âm nhỏ đi, đó là giao thoa triệt tiêu. Nếu tần số hơi khác nhau, hai sóng ban đầu cùng nhịp, rồi dần lệch nhau và lại khớp nhịp, cứ thế lặp đi lặp lại.
(2) Đường nét của âm thanh to lên rồi nhỏ đi
Kết quả là biên độ của âm tổng hợp không cố định mà phồng lên rồi thu hẹp như một con sóng chậm. Đường nét của sự thay đổi độ to chậm này được gọi là đường bao (Envelope), và sự chập chờn “u—u—” mà ta nghe thấy chính là đường bao này.
(3) Cao độ nghe được là trung bình của hai nốt
Khi nghe thấy phách, cao độ mà tai cảm nhận gần với trung bình của hai tần số. Ví dụ, khi cùng phát 440Hz và 442Hz, ta nghe một âm khoảng 441Hz to lên rồi nhỏ đi hai lần mỗi giây.
2. Tính số phách như thế nào?
Tốc độ của phách có thể tìm bằng một công thức rất đơn giản. Số lần âm thanh to lên rồi nhỏ đi trong một giây, tức tần số phách, bằng hiệu tần số của hai âm.
- Tần số (Frequency): số lần sóng lặp lại trong một giây, đơn vị là hertz (Hz).
- Chồng chất (Superposition): tính chất khi nhiều sóng gặp nhau tại một chỗ, các độ dời của chúng cộng trực tiếp với nhau.
- Đường bao (Envelope): đường nét chậm nối các đỉnh của một sóng dao động nhanh.
- Tần số phách (Beat Frequency): số phách trong mỗi giây, tính bằng |f₁ − f₂|.
(1) Chênh lệch càng nhỏ, phách càng chậm
Phát cùng lúc 500Hz và 496Hz sẽ chập chờn bốn lần mỗi giây, còn 500Hz và 499Hz thì một lần mỗi giây. Khi hai tần số bằng nhau, tần số phách bằng 0 và sự chập chờn biến mất hoàn toàn.
(2) Không cho biết nốt nào cao hơn
Số phách chỉ cho biết độ lớn của chênh lệch chứ không cho biết nốt nào cao hơn. Vì vậy khi lên dây, người ta vặn chặt dây một chút rồi nghe xem phách chậm lại hay nhanh lên để quyết định hướng chỉnh.
(3) Có một khoảng dễ đếm bằng tai
Phách được nghe như sự chập chờn rõ ràng khi hai nốt chênh nhau khoảng 15Hz trở xuống. Khi chênh lệch lớn hơn, sự chập chờn trở nên quá nhanh và nghe thô ráp, rồi cuối cùng được phân biệt thành hai nốt riêng.
3. Phách trong việc lên dây nhạc cụ
Nơi hiện tượng phách được dùng lâu đời và rộng rãi nhất là việc lên dây nhạc cụ. Ngay cả khi chưa có máy chỉnh âm điện tử, người chơi nhạc và thợ lên dây vẫn có thể chỉnh nốt chính xác chỉ bằng tai, và bí quyết chính là lắng nghe phách.
(1) Lên dây đồng âm để xóa phách
Đàn piano có hai hoặc ba dây cho mỗi phím, nên các dây cùng phát một nốt được chỉnh cho đến khi phách giữa chúng biến mất. Người chơi guitar phát cùng một nốt trên hai dây cạnh nhau và tìm điểm sự chập chờn dừng lại cũng dùng cách tương tự.
(2) Lên dây quãng bằng cách đếm phách
Khi chỉnh các quãng như quãng năm hay quãng bốn, thợ lên dây piano cố ý để lại phách với tốc độ nhất định. Trong hệ bình quân chia đều một quãng tám thành 12 nửa cung, các quãng này hơi khác quãng thuần, nên họ đếm số lần chập chờn mỗi giây để chỉnh khoảng cách.
(3) Sự chập chờn được tạo ra có chủ ý
Âm sắc céleste (Céleste) của đàn organ ống cho các ống được chỉnh hơi lệch nhau cùng vang lên để cố ý tạo ra phách. Nhờ vậy âm thanh có cảm giác ấm áp như đang rung nhẹ.
4. Phách trong kỹ thuật và những hiện tượng dễ nhầm lẫn
Hiện tượng phách cũng được dùng bên ngoài phòng nhạc. Bởi trong kỹ thuật có nhiều việc cần tận dụng sự thay đổi chậm sinh ra khi hai dao động hơi lệch nhau, hoặc ngược lại, phải loại bỏ nó.
(1) Đồng bộ cánh quạt
Ở máy bay có nhiều cánh quạt, chỉ cần tốc độ quay hơi khác nhau là trong khoang hành khách đã xuất hiện tiếng ồn phách ù ù. Vì vậy máy bay được lắp thiết bị đồng bộ cánh quạt (Propeller Synchronization) tự động khớp tốc độ quay để giảm khó chịu cho hành khách.
(2) Vô tuyến và zero beat
Phương pháp ngoại sai (Heterodyne) trong máy thu vô tuyến trộn hai tần số để thu được tần số hiệu, có cùng gốc rễ với hiện tượng phách. Những người chơi vô tuyến nghiệp dư lắng nghe ‘zero beat’, lúc phách bằng 0, để chỉnh chính xác theo tần số tín hiệu của đối phương.
(3) Phách hai tai do não tạo ra
Năm 1839, nhà vật lý người Đức Heinrich Wilhelm Dove phát hiện rằng ngay cả khi phát riêng cho mỗi tai một âm hơi khác nhau, người nghe vẫn cảm nhận được sự chập chờn. Phách hai tai (Binaural Beats) này không phải là giao thoa trong không khí mà là hiện tượng thính giác do não tạo ra, và những tuyên bố rằng nó làm thay đổi sóng não vẫn chưa chắc chắn vì kết quả nghiên cứu còn trái chiều.
Rốt cuộc, hiện tượng phách cho ta nghe bằng âm thanh sự thật rằng hai dao động không hoàn toàn giống nhau cứ lặp lại việc khớp nhịp rồi lệch nhịp. Suy nghĩ đơn giản rằng chập chờn chậm lại là đang gần nhau và dừng hẳn là đã giống nhau, đó chính là bước đầu tiên để hiểu hiện tượng phách.
