Sóng hạ âm

Sóng hạ âm là sóng âm có tần số thấp hơn 20 Hz, ngưỡng nghe thấy bình thường của người. Khả năng nghe trở nên kém đi khi tần số giảm, vì vậy nên để con người tiếp nhận được hạ âm, áp suất âm thanh cần phải đủ cao. Tai là bộ phận chính có thể cảm nhận sóng hạ âm nhưng ở cường độ cao, những phần khác của cơ thể cũng có thể cảm nhận được sự rung động hạ âm.

Các nhà nghiên cứu tìm hiểu về âm thanh có tần số từ 20 Hz xuống đến 0.1 Hz và đôi khi đến 0.001 Hz. Sóng ở dải tần số này được sử dụng để dự báo động đất, khảo sát các tầng đất đá và khả năng chứa dầu mỏ dưới lòng đất. Trong y học thì nhịp tim thường vào cỡ 0,8 đến 2 Hz, và có thể coi phép chụp tim mạch hay "tâm thân động ký" (Ballistocardiography) là ứng dụng hạ âm trong y tế.

Sóng hạ âm có đặc trưng là khả năng di chuyển qua khoảng cách xa và vượt qua các vật cản mà ít bị hấp thụ. Trong âm nhạc, hạ âm có thể được tạo ra bằng ống dẫn sống âm.

Lịch sử

Sóng hạ âm được phe Đồng Minh trong Chiến tranh thế giới thứ nhất để định vị đại bác. Một trong những người đi đầu trong việc nghiên cứu sóng hạ âm là nhà khoa học người Pháp Vladimir Gavreau. Ông bắt đầu chú ý đến sóng hạ âm trong phòng thí nghiệm vào những năm 1960, khi ông và trợ lý thấy các dụng cụ rung động và màng nhĩ đau nhưng không có âm thanh nào được nghe thấy. Ông kết luận có hạ âm được tạo bởi quạt và hệ thống ống dẫn, Một thí nghiệm của ông là cái còi hạ âm.

Định nghĩa 
Hạ âm được Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ định nghĩa là âm thanh có tần số thấp hơn 20 Hz.

Nguồn phát 

Sóng hạ âm có thể được tạo ra từ các nguồn tự nhiên hoặc nhân tạo:

 Hiện tượng tự nhiên: âm thanh có tần số thấp đôi khi xuất hiện tự nhiên trong các hiện tượng thời tiết cực đoan, sóng biển,  tuyết lở, động đất, núi lửa phun trào, sao băng, thác nước, sự hình thành băng trôi, cực quang, thiên thạch và sét. Tương tác sóng biển phi tuyến tính trong những cơn bão biển tạo ra những rung động hạ âm với tần số vào khoảng 0.2 Hz, được biết đến là microbarom. Theo chương trình Hạ âm của NOAA, các mảng sóng hạ âm có thể sử dụng để phát hiện tuyết lở ở dãy núi Rocky và phát hiện lốc xoáy sớm hơn vài phút.
 Giao tiếp của động vật: cá voi, voi, hà mã, tê giác, hươu cao cổ, Chim bồ câu, hươu đùi vằn, và cá sấu được biết là sử dụng hạ âm để giao tiếp qua khoảng cách xa—hàng trăm dặm trong trường hợp của cá voi. Đặc biệt, loài tê giác Sumatra còn tạo ra âm thanh với tần số thấp cỡ 3 Hz giống như bài hát của cá voi lưng gù. Tiếng gầm của hổ chứa sóng hạ âm tại 18 Hz hoặc thấp hơn, và loài mèo cũng cho thấy là phát ra tiếng động trong khoảng từ 20 đến 50 Hz. Có ý kiến cho rằng những loài chim di cư sử dụng hạ âm tự nhiên, từ những nguồn như dòng chảy không khí rối qua các dãy núi, làm công cụ để định hướng. Hạ âm cũng có thể dùng trong giao tiếp đường dài, đặc biệt với cá voi tấm sừng hàm (xem Bài hát của cá voi) và voi châu Phi. Tần số của âm thanh do cá voi tấm sừng hàm phát ra dao động từ 10 Hz đến 31 kHz, và của voi nằm trong khoảng 15 Hz đến 35 Hz. Cả hai đều có thể cực kỳ to (khoảng 117 dB), cho phép giao tiếp xa hàng cây số, tối đa vào khoảng 10 km (6 mi) với voi, và có thể lên đến hàng trăm hay hàng ngàn km với vài loài cá voi. Voi cũng sản xuất ra sóng hạ âm qua mặt đất và có thể được cảm nhận bởi những đàn khác qua chân của chúng thậm chí khi cách xa hàng trăm cây số.
Ca sĩ: một số ca sĩ, bao gồm Tim Storms, có thế hát những nốt trong khoảng tần số hạ âm.
 Nguồn âm thanh nhân tạo: sóng hạ âm có thể được tạo ra trong những hoạt động của con người như tiếng nổ siêu thanh và vụ nổ (cả hóa học và hạt nhân), hoặc bằng máy móc như động cơ diesel, turbine gió và những máy biến năng được thiết kế đặc biệt (bàn rung công nghiệp). Một số loa đặc biệt có thể tạo ra âm thanh ở tần số cực thấp; bao gồm loa siêu trầm quy mô lớn, cũng như loa sừng, thùng loa cộng hưởng tần số thấp,...

Phản ứng của động vật

Động vật đã được biết từ lâu có thể cảm nhận sóng hạ âm đi qua mặt đất gây ra bởi những thảm họa thiên nhiên và coi chúng như cảnh báo. Một ví dụ gần đây là trận động đất và sóng thần Ấn Độ Dương 2004. Các báo cáo cho thấy động vật đã rời bỏ khu vực vài giờ trước khi sóng thần ập vào bờ biển châu Á. Nguyên nhân thực sự vẫn chưa được xác định; vài ý kiến cho rằng đó là do ảnh hưởng của sóng điện từ, không phải của sóng hạ âm khiến các loài động vật chạy trốn.

Nghiên cứu năm 2013 bởi Jon Hagstrum của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ cho thấy bồ câu nhà dùng sóng hạ âm để điều hướng.

Phản ứng của con người
20 Hz được xem là giới hạn thấp nhất mà người bình thường nghe được. Nếu sóng sin được tạo ra trong điều kiện lý tưởng và tại âm lượng cao, người nghe có thể xác định được âm có tần số 12 Hz. Con người cũng có thể cảm nhận chu kỳ đơn của âm dưới 10 Hz với cảm giác màng nhĩ bị ép.

Từ 1000 Hz, dải động của hệ thính giác giảm theo tần số. Hệ quả là chỉ một thay đổi nhỏ trong cường độ cũng dẫn đến sự thay đổi âm lượng từ nhỏ đến to. Kết hợp với sự phân rộng của ngưỡng nghe tuyệt đối trong số dân, một số người có thể không nghe được, còn một số người có thể nghe rõ âm có tần số rất thấp.

Một nghiên cứu chỉ ra rằng sóng hạ âm có thể gây ra cảm giác kinh sợ ở người. Có ý kiến cho rằng do không được tiếp nhận một cách có nhận thức, nó có thể khiến con người cảm thấy mơ hồ rằng hiện tượng kì lạ hay siêu nhiên đang diễn ra. Kĩ sư Vic Tandy đưa ra một lời giải thích trong điều tra của ông những năm 1980. Tandy, trong lúc làm việc trong phòng thí nghiệm, bắt đầu cảm thấy khó chịu và rằng có điều gì siêu nhiên đang diễn ra với ông. Sau đó, ông cho rằng do một cái quạt kim loại hỏng đã phát ra âm thanh khiến ông cảm thấy như vậy. Âm thanh đó không thể cảm nhận bằng tai người, nhưng cơ thể của Tandy đã phản ứng với âm thanh ở 19 HZ.

Một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Khoa học thần kinh Thính giác tại trường đại học Sydney báo cáo bằng chứng cho thấy sóng hạ âm có thể tác động hệ thần kinh của một số người khi kích thích hệ tiền đình, và những thí nghiệm trên động vật cho thấy tác động giống như say sóng.

Năm 2006 nghiên cứu về tác động của âm thanh phát ra từ các turbine gió lên khu dân cư gần bên, sóng hạ âm ghi nhận được được cho là gây ra sự khó chịu hay mệt mỏi, tùy thuộc vào cường độ, với ít chứng cứ ủng hộ tác động sinh lý của sóng hạ âm dưới mức tiếp nhận được của người. Tuy nhiên, những nghiên cứu sau đó đã cho rằng sóng hạ âm không nghe được vẫn gây ra những tác động như đầy hơi, ù tai, và có thể gây rối loạn giấc ngủ. Các nghiên cứu khác cũng đã đưa ra sự tương quan giữa mức độ tiếng ồn trong các turbine và sự rối loạn giấc ngủ ở khu dân cư gần đấy, đồng thời khẳng định rằng vai trò của sóng hạ âm trong hiện tượng này chưa được giải thích trọn vẹn.

Trong một nghiên của trường đại học Ibaraki tại Nhật Bản, các nhà khoa học nói rằng điện não đồ cho thấy sóng hạ âm tạo ra bởi turbine gió "được xem là một sự khó chịu đối với những người làm việc gần một turbine gió hiện đại cỡ lớn."

Thí nghiệm sóng 17 Hz Infrasonic
Ngày 31 tháng 5 năm 2003, một nhóm nhà khoa học Anh tổ chức một thí nghiệm quy mô lớn, cho 700 người nghe nhạc với sóng sine tại 17 Hz chơi ở mức "gần ngưỡng nghe được", tạo ra bởi một loa siêu trầm gắn với hai phần một ống nước dài bảy mét. Buổi hòa nhạc thí nghiệm với tên gọi Infrasonic diễn ra tại Purcell Room với hai màn biểu diễn, mỗi màn gồm bốn bài nhạc. Hai bài trong mỗi buổi có âm 17 Hz chơi dưới nền nhạc.

Ở buổi hòa nhạc thứ hai, những bài nhạc chứa âm 17 Hz được tráo để kết quả thí nghiệm không tập trung vào bất kì bài nhạc nào. Những người tham gia không được biết trước bài nhạc nào chứa âm 17 Hz. Âm này đã dẫn đến một lượng lớn (22%) người nghe cho biết cảm thấy khó chịu hay buồn rầu, cảm thấy ớn lạnh ở xương sống hay cảm giác tò mò lo lắng hay sợ hãi.

Khi những bằng chứng này được đưa ra cho Hiệp hội Khoa học Anh, Giáo sư Richard Wiseman nói "Những kết quả này cho thấy âm thanh ở tần số thấp có thể làm vài người có những trải nghiệm kì lạ dù họ không thể nhận thức được sự hiện diện của sóng hạ âm. Một số nhà khoa học cho rằng hạ âm có thể xuất hiện ở những nơi bị ám khiến con người có những cảm giác kì dị rồi gán nó với ma—nghiên cứu của chúng tôi ủng hộ giả thiết này."

Quan hệ với việc thấy ma
Nhà tâm lý học Richard Wiseman của trường Đại học Hertfordshire cho rằng cảm giác lạ thường mà nhiều người gán với ma có thể bị gây nên bởi sự rung động hạ âm. Vic Tandy, nhân viên phòng thí nghiệm và giảng viên bán thời gian tại Đại học Coventry, cùng với Tiến sĩ Tony Lawrence của khoa tâm lý của trường đại học, viết một nghiên cứu năm 1988 với tên gọi "Những con ma trong Cỗ máy" cho Tạp chí của Hiệp hội Nghiên cứu Tâm linh. Nghiên cứu của họ cho rằng sóng hạ âm ở 19 Hz có thể là nguyên nhân cho một số trường hợp nhìn thấy ma. Tandy đang làm việc muộn một mình tại một phòng thí nghiệm ở Warwick, bỗng cảm thấy lo sợ và nhận ra một đốm xám ở khóe mắt. Khi Tandy quay mặt ra đốm xám đó, không có gì ở đó cả.

Ngày tiếp theo, Tandy đang làm một chiếc kiếm liễu, với tay cầm được giữ trong êtô. Tuy cây kiếm không hề chạm thứ gì, lưỡi dao bắt đầu rung động dữ dội. Tìm hiểu sâu hơn, Tandy nhận ra cái quạt thông gió đang phát ra sóng ở tần số 18.98 Hz, rất gần với tần số cộng hưởng của mắt được đưa ra là 18 Hz bởi NASA. Tandy giả định rằng đây chính là lý do anh nhìn thấy ma—ông tin rằng đây là một ảo giác gây ra bởi sự cộng hưởng của mắt. Căn phòng dài đúng bằng một nửa bước sóng, và cái bàn đặt ở giữa, từ đó gây nên sóng dừng tạo nên dao động của lưỡi kiếm.

Tandy điều tra hiện tượng này kĩ hơn và viết một nghiên cứu tên Con ma trong Cỗ máy. Ông tiếp tục điều tra ở một số địa điểm được cho là bị ma ám, gồm tầng hầm của Cục Thông tin Du lịch kế bên Nhà thờ chính tòa Coventry và Lâu đài Edinburgh.

Sóng hạ âm trong dò tìm kích nổ hạt nhân 
Sóng hạ âm là một trong vài kĩ thuật được dùng đễ xác định nếu một vụ nổ hạt nhân vừa diễn ra. Một mạng lưới gồm 60 trạm sóng hạ âm, cùng với các trạm địa chấn và thủy âm, gồm Hệ thống giám sát quốc tế (IMS) để giám sát sự tuân thủ Hiệp ước Cấm thử Hạt nhân Toàn diện (CTBT). Các trạm sóng hạ âm IMS gồm tám cảm biến phong vũ biểu độ chính xác cao và các bộ lọc không gian sắp xếp theo một mảng bao phủ một vùng có diện tích xấp xỉ từ 1 đến 9 km². Bộ lọc không gian là những ống bức xa được thiết kế để cân bằng sự biến đổi áp đổi như rối loạn gió để cho ra kết quả chính xác hơn. Phong vũ biểu được làm để giám sát tần số thấp hơn khoảng 20 Hz. Sóng âm dưới 20 Hz có bước sóng dài và không dễ bị hấp thụ, cho phép việc nhận dạng qua khoảng cách lớn.

Bước sóng hạ âm nhân tạo có thể xuất hiện qua việc kích nổ và hoạt động khác của con người, hoặc được tạo ra bởi hoạt động tự nhiên như động đất, thời tiết cực đoan, sấm sét và những nguồn khác. Giống địa chất học pháp y, các thuật toán và những kĩ thuật lọc khác là cần thiết để phân tích dữ liệu và phân loại sự kiện để xác định xem nếu một vụ nổ hạt nhân vừa diễn ra. Dữ liệu được truyền từ các trạm qua đường truyền bảo mật để được phân tích sâu hơn. Một chữ ký số được nhúng vào thông tin được gửi từ mỗi trạm để xác thực.

Dò tìm và đo đạc
NASA Langley đã thiết kế và phát triển một hệ thống dò tìm hạ âm sử dụng để thực hiện những đo đạc bằng sóng hạ âm tại một địa điểm mà không khả thi trước đó. Hệ thống bao gồm một microphone tụ điện PCB Model 377M06, có đường kính màng 3 inch và một kính chắn gió nhỏ gọn. Công nghệ điện cho ra tiếng ồn nền nhỏ nhất, bởi vì tiếng ồn Johnson tạo ra trong đồ điện tử (bộ tiền khuếch đại) được tối thiểu hóa.

Thiết kế của microphone khác với một hệ thống âm thanh bình thường ở tính năng kì lạ của sóng hạ âm. Đầu tiên, hạ âm lan truyền qua khoảng cách lớn của khí quyển Trái đất, kết quả của sự hấp thụ khí quyển thấp và ống dẫn khúc xạ cho phép sự lan truyền bởi nhiều bước nhảy giữ bề mặt Trái đất và tầng bình lưu. Tính chất thứ hai đó là sự xuyên thẳng tốt của sóng hạ âm qua vật chất rắn – một tính chất được sử dụng trong thiết kế và gia công của hệ thống kính chắn gió.

Từ đó hệ thống thỏa mãn vài yêu cầu về thiết bị đo đạc có lợi thế về âm thanh: (1) một microphone tần số thấp với tiếng ồn nền nhỏ, cho phép xác định tín hiệu mức thấp; (2) một kính chắn gió nhỏ gọn cho phép (3) sự triển khai nhanh chóng của một mảng microphone. Hệ thống cũng bao gồm một hệ thống thu dữ liệu cho phép dò tìm ở thời gian thực, hình dạng và xác thực của các nguồn tần số thấp.

Hiệp ước Cấm thử Hạt nhân Toàn diện sử dụng sóng hạ âm làm một trong các công nghệ giám sát, cùng với giám sát bằng địa chất, thủy âm, và nuclit phóng xạ khí quyển. Hạ âm to nhất từng được ghi nhận bởi hệ thống giám sát được tạo ra bởi thiên thạch Chelyabinsk năm 2013.

Chú thích

Liên kết ngoài
Inframatics, một tổ chức giám sát hạ âm quốc tế 
Chương trình sóng hạ âm NOAA
Chương trình Giám sát, Chỉ huy, Phòng vệ Tên lửa và Không gian của quân đội Mỹ
Phòng thí nghiệm giám sát hạ âm Los Alamos
Sóng hạ âm và sóng hấp dẫn-âm thanh tạo ra bởi vụ phun trào Pinatubo ngày 15 tháng 6 năm 1991, Makoto Tahira, Masahiro Nomura, Yosihiro Sawada và Kosuke Kamo
Kính chắn dưới lòng đất cho việc đo đạc sóng hạ âm ngoài trời Qamar A. Shams, Cecil G. Burkett và Toby Comeaux của Trung tâm Nghiên cứu NASA Langley, Công cụ và Dịch vụ Phân tích Allan J. Zuckerwar, và George R. Weistroffer của Đại học Liên Bang Virginia.

Âm thanh
Âm học