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) có thể áp dụng cho sóng âm. Sóng ở một môi trường này (thí dụ, không khí) đi vào một môi trường khác (thí dụ, nước) thì hiện tượng khúc xạ xảy ra. Khúc xạ nghĩa là đường đi của sóng chệch hướng khi đi vào môi trường khác. Nguyên nhân là do sự thay đổi vận tốc của sóng. Định luật Snell giải thích hiện tượng này bằng một công thức rất đơn giản nhưng đủ sức mạnh để định lượng hóa sự chệch hướng của sóng được áp dụng cho ánh sáng (sóng điện từ) và sóng âm trong mọi tình huống (xem Phụ chú). Tuy nhiên, giữa sóng điện từ và sóng âm có sự dị biệt lớn. Sóng điện từ có thể di chuyển trong chân không nhưng sóng âm cần môi trường (thể rắn, thể lỏng, thể khí) để truyền tải. Hai người đứng trong chân không nói chuyện nhau thì không ai nghe được ai. Vì vậy, khác với ánh sáng, vận tốc truyền tải của sóng âm thay đổi với nhiệt độ và áp suất của môi trường. Nhiệt độ hay áp suất càng cao thì vận tốc càng cao. Vì sự nhạy cảm của sóng âm đối với các điều kiện của môi trường, đường đi và đến của sóng âm cho thấy nhiều hiện tượng đặc thù. Chúng ta hãy xem vì sao tiếng sáo và tiếng hát của Trương Chi lại quyến rũ Mỵ Nương đến thế.

Ban ngày, mặt đất được hâm nóng bởi tia nắng mặt trời. Nhiệt độ dần dần giảm theo chiều cao. Khi áp dụng định luật Snell, đường truyền âm theo đường cong hướng lên cao. Tiếng sáo chàng Trương sẽ "trớt quớt" không thể truyền đến nhà nàng giữa buổi trưa hè trời nắng gắt (Hình 1a). Về đêm, tình thế đổi ngược. Không khí nóng ban ngày di chuyển lên cao và không khí mát bao phủ mặt đất. Nhiệt độ tăng dần từ thấp đến cao. Đường truyền âm theo đường cong bẻ ngoặc xuống mặt đất (Hình 1b) (xem Phụ chú). Lời ca tiếng sáo của chàng Trương dịu như mật ngọt tuôn vào tai nàng Mỵ khiến nàng mất hồn mê mẩn tương tư!

        Hình 1: Thuyền Trương Chi và nhà Mỵ Nương, (a) đường đi của tiếng sáo Trương Chi vào ban ngày và (b) ban đêm.

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, ôn đới hay Nam/Bắc cực, sóng âm biến đổi tùy theo nhiệt độ và chiều sâu của biển. Sự biến đổi này rất đa dạng. Hình 2 cho thấy trường hợp tổng quát của sự biến đổi của vận tốc sóng theo chiều sâu của biển. Nhiệt độ nước trên mặt biển vào khoảng 20 °C và vận tốc 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 bắt đầu có ảnh hưởng. Áp suất ở 1.000 m là 100 atm gấp 100 lần áp suất không khí trên mặt biển (1 atm) và tiếp tục gia tăng với chiều sâu. Vận tốc gia tăng với áp suất. Vì vậy, đường đi và đến của sóng tùy thuộc vào sự thay đổi của vận tốc sóng trong lòng biển. Và sự thay đổi vận tốc được gây ra bởi nhiệt độ và áp suất của môi trường. Nhưng dù ở trường hợp nào, định luật Snell vẫn là ánh đuốc cho việc tính toán 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 tính toán đường đi của sóng âm như vừa đề cập, các nhà khoa học tìm được một trường hợp đặc thù trong đó ảnh hưởng nhiệt độ gây ra sự thay đổi của vận tốc sóng tạo ra "vùng cấm" trong lòng biển (Hình 3). Vùng cấm là nơi mà sóng không thể lọt vào. Thiết bị sonar của chiếc tàu quan sát trên mặt biển không nhìn thấy tàu ngầm đang hoạt động hay một đàn cá bơi nhởn nhơ trong vùng cấm. Tàu ngầm hay đàn cá vì vậy "tàng hình" trước luồng sóng truy lùng sonar. Đây là một trong nhiều kết quả thú vị và đã trở thành điều thường thức trong các sách giáo khoa âm học… được tiên đoán bởi bằng những con tính không quá phức tạp dựa trên định luật Snell theo các điều kiện biến đổi đặc thù của vận tốc 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 nảy sinh những điều thú vị khác. Tàng hình là một nghiên cứu nhiều thách thức trong khoa học vì nó tập trung 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 mục tiêu. Sóng được phát ra từ "kẻ truy" để truy tìm "người ẩn" (mục tiêu). Khi kẻ truy nhận được sóng phản hồi thì sẽ định vị 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 nghiên cứu của giáo sư Pendry và Smith đã chế tạo một loại siêu vật liệu có thể uốn cong vi sóng (microwave) [2]. Vi sóng là sóng radar. Bài báo cáo 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 liệu? Như Hình 4 cho thấy khi siêu vật liệu của nhóm Pendry-Smith được phủ lên một vật thể (mục tiêu) 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 liệu tàng hình trong vi sóng của Pendry-Smith được công bố thì các nhà vật lý âm học vội vàng "ăn theo" tạo ra siêu vật liệu "tàng âm" (tàng hình âm học) [3] vì những quy luật dùng cho sóng điện từ cũng có thể áp dụng cho sóng âm. Thật ra, như Hình 3 cho thấy âm học đã có hiện tượng "vùng cấm" thiên nhiên trước khi có ý tưởng siêu vật liệu 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 về siêu vật liệu tàng âm dường như "vùng cấm" âm học bị lãng quên. Tác giả các bài báo âm học chỉ chăm chú vào những thành quả siêu vật liệu của đồng nghiệp sóng điện từ mà quên rằng "vùng cấm" âm học từng hiện hữu và có thể tiên liệu dựa theo công thức đơn giản của Snell [1].

Như vậy, có chăng con người có thể "hô biến" mọi vật từ trên không đến lòng biển? Câu trả lời ngắn gọn là: chưa. Thứ nhất, siêu vật liệu 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 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 liệu tàng hình là một mẫu thí nghiệm trong phòng nghiên cứu chỉ hữu ích cho việc khảo sát và thiết kế một môi trường 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 chúng ta thấy "vùng cấm" như là một siêu vật liệu tàng hình thiên nhiên khổng lồ có thể tích rộng vài ngàn đến mươi ngàn kilômét khối bao quanh chiếc tàu ngầm. Khác với siêu vật liệu tàng hình/tàng âm của con người chỉ có thể hoạt động ở duy nhất một tần số, "vùng cấm" có thể hoạt động trên băng tần rộng bao trùm mọi tần số của âm thanh. Trong vùng nước mênh mông này những vật thể như đàn cá hay tàu ngầm có thể tung hoành tùy thích mà không ai nghe thấy. Thật là hấp dẫn nếu các nhà khoa học có thể dùng ý tưởng "vùng cấm" để phủ lên chiếc tàu ngầm.  Tuy nhiên, chúng ta đụng vào một điều nan giải là làm sao "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 hiện nay chưa có một phương pháp khả thi để chế tạo một vật liệu vừa mỏng vừa có hiệu năng tàng hình tương đương.

 

Truy kích và truy sát

Con người có máy phát sonar lẫn radar. Các loài động vật không thể phát sóng radar nhưng 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 thì loài dơi đứng đầu, sau đó là động vật 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 phát minh các dụng cụ phát sóng và khả năng xử lý dữ liệu bằng máy tính có tốc độ 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 ban đêm nên cần sóng âm để dò đường và tìm mồi. Cơ chế này có tên gọi là "định vị 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 "ác quỷ" gồ ghề, biến dạng, cực kỳ xấu xí với mục đích là sản xuất và phát ra những luồng sóng siêu âm hiệu quả có cường độ cao và định vị mục tiêu chính xác (Hình 6). Dơi lại có đôi tai to quá khổ như Trư Bát Giới để 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 hoàn cảnh để sống còn.  

Hình 5: Dơi dùng sóng âm tìm mồi theo cơ chế "định vị bằng tiếng dội".
(Nguồn: Physics World. Thomas Neil)

Hình 6: Bộ mặt của kẻ săn mồi. (Nguồn: Google)

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 có những đặc điểm 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 hàng triệu sống trong một phạm vi nhỏ hẹp. Như vậy liệu chúng có thể lầm lẫn giữa tiếng dội sonar của mình và đồng loại tạo ra cảnh đụng chạm gây bát nháo như tai nạn giao thông trong thành phố con người? Điều này không xảy ra. Mỗi cá thể dơi tạo ra tần số riêng cho mình hoặc kết hợp vài tần số để di chuyển hoặc tìm mồi. Dơi làm việc này đã hàng triệu năm trước trong khi con người biết đến "tần số riêng biệt" chỉ có vài mươi năm. Các sân bay ngày nay có tần số cá biệt để điều khiển không lưu.

Việc dơi săn mồi là đề tài thú vị được khảo sát một cách khoa học [4]. Vì là sinh vật nhỏ nên cường độ sonar thấp hơn so với các loài sinh vật biển như cá voi hay cá heo. Hơn nữa, trong môi trường 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 15 – 20 m và săn mồi trong phạm vi 5 m với tốc độ bay 4 – 5 m/s. Trong phạm vi 1 m, dơi thu hoạch dữ liệu của tiếng dội từ con mồi. Bộ óc tí  hon của chúng có khả năng tạo hình với độ phân giải cao bằng cách xử lý dữ liệu như máy tính con người, xác định con mồi ăn được hay không, rồi chuẩn bị tấn công. Tất cả mọi tình huống 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 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 đồng loạt rung động giống nhau. Con người chỉ có được khả năng này chưa đến 100 năm trước, khi con người bắt đầu biết dùng radar từ máy bay để trinh sát chiếc xe tăng đang lẩn khuất trong một khu rừng.

Cuộc truy sát của dơi đối với con bướm đêm giống như một trận đánh trên không của 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 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 hệ thống sonar để bắt bướm và loài bướm cải biến hình dạng, chức năng của mình để tránh dơi. Cuộc "chạy đua vũ trang" giữa loài dơi và bướm kéo dài 50 triệu năm vẫn chưa có hồi kết.

Bướm đêm có nhiều chủng loại, khác nhau về màu sắc, 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 phương pháp phòng thủ khác nhau. Có loài tiến hóa có khả năng cảm được sóng phát ra từ dơi để khi bắt gặp siêu âm đặc thù từ dơi chúng vội bay đi hướng khác. Một loài bướm vàng ở 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 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 đẹp 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 là cánh bướm chập chờn trước gió. Chàng dơi sẽ nhắm vào cái đuôi mà tấn công. Bướm thoát nạn, mất đuôi còn hơn mất mạng. Tiếc thay, đuôi chỉ mọc một lần và bướm sẽ không còn cơ hội lần hai. Trong thuật ngữ quân sự, 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 đảo Falklands (1982) giữa Anh và Argentina, tiêm kích Anh vừa tấn công vừa thả ra vô số những mảnh nhôm nhỏ hay sợi plastic phủ kim loại tạo ra một đám mây kim loại (chaff) dùng như vật nghi trang. Tên lửa Argentina bắn lên nhằm tiêu diệt chiếc tiêm kích nhưng radar điều khiển tên lửa bị lừa chỉ thấy và đâm sầm vào đám mây nghi trang. 

Năm 2018, trong một cuộc hội thảo nhóm nghiên cứu tại đại học Bristol (Anh) tuyên bố một số loài bướm đêm có lớp lông phủ "tàng hình" với khả năng hấp thụ 85% sóng siêu âm từ "kẻ thù" dơi (Hình 8) [7]. Loài bướm này khiếm thính không lỗ tai nên lớp phủ "tàng hình" như là 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 tiếng nói trong tần số 125 – 8.000 Hz và nghe được âm thanh trong khoảng 20 – 20.000 Hz. Khi cất giọng ca tần số cao nhất con người có thể đạt được là 1.600 Hz (phím đàn piano 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 có thể hét đến tần số 8.000 Hz! Các động vật 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 lớn những "bài ca" được cất lên ở tần số thấp 30 Hz, tương đương với nốt trầm nhất trên phím đàn piano. Chúng có thể rít lên đến 8.000 Hz. Âm thanh ở tần số càng thấp thì di chuyển 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 minh bằng những phương trình toán học và có thể cảm nhận trong sinh hoạt hằng ngày. Khi tiếng nhạc phiền toái 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 thể "leo" tường đi vào nhà 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 to, nên siêu âm của cá truyền tải trong phạm vi vài trăm mét so với dơi chỉ là vài mét. Mọi việc dường như được thiên nhiên sắp xếp rất hợp lý. Khi tìm bạn tình, cá voi cần sự ồn ào hát to bản tình ca "em hỡi, anh đây" và quảng bá rộng rãi bằng âm thanh tần số thấp. Khi đi kiếm ăn, cá thận trọng đi đứng âm thầm tìm mồi bằng sóng siêu âm.

Con mồi của cá voi và cá heo là những con cá nhỏ và các 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, dường 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 thay đổi. Việc phát hiện đàn cá cách xa vài trăm thước bằng sóng siêu âm có cơ chế khác dơi tìm bướm. Cơ chế này được giải thích bằng những phương trình toán học và sẽ được đề cập ở phần tiếp theo. Việc áp dụng sonar vào việc khảo sát và đo đạc các loài động vật trong sông, hồ và biển là một hoạt động liên ngành giữa sinh học và vật lý âm học. Kết quả là chúng ta có những phương trình toán học dự đoán và tính toán được sự di chuyển, số lượng, mật độ của mọi sinh vật trong nước từ những con kình ngư đến các loài sứa biển hay tôm tép [9].

Bọt là một thực thể tán âm (sound scattering) và cộng hưởng rất hiệu quả. Khi nước không bọt sóng âm truyền dẫn thoải mái trong nước. Nhưng khi bọt hiện diện 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 chặn âm thanh. Khi các 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 phạm vi của ống nhằm giảm thiểu ô nhiễm tiếng ồn khi đóng cột tránh gây thương vong đến các loài động vật 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 điều khiển sự chìm nổi của cá. Nó quyết định 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 (10x10x10 m) nước có thể bị phát hiện bởi sự tán âm và hấp thụ sóng của 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 dễ dàng bị nhận diện trong khoảng cách vài trăm mét. Từ thông tin của tín hiệu phản hồi, cá voi hay cá heo có thể xử lý dữ liệu như loài dơi, định vị 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 thay đổi theo độ lớn của bọt [10]. Từ kích cỡ của bong bóng cá (bọt), ta 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 xử lý tín hiệu hiện đại của loài người dù phức tạp, nhưng không hơn sonar của loài cá hoặc loài dơi. Đây cũng là lý do con người huấn luyện cá heo làm việc do thám tàu thuyền, tìm kiếm ngư lôi và nhiều hoạt động khác.

Khi phát hiện được đàn cá, cá voi không vội nhảy vào "làm thịt" đàn cá vì chúng sẽ hoảng loạn bơi phân tán khắp nơi. Khi ăn phải ăn thật no. Để thực hiện 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 trụ bằng bọt bủa vây đàn cá (Hình 11a) [11]. Ống hình 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 nhịp nhàng (Hình 11b). Điều ngạc nhiên là sau khi lọt vào ống bọt đàn cá như lạc vào cõi sa mù, loay hoay mất định hướng không tìm được đường thoát thân. Bình thường, cá vẫn có thể dễ dàng vượt qua những vùng có nhiều bọt biển. Các nhà khoa học vẫn chưa tìm được câu trả lời vì sao cá lại loay hoay. Bên trong ống bọt là một vùng không gian 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 định hướng hay chăng?

                     

                      (a)                                                            (b)                              

Hình 11: Cá voi tạo ống bọt bao vây đàn cá. (a) Một con tạo bọt và (b) nhiều con hiệp sức [11].

Sau khi dùng bọt bao vây 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 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 năng lượng của tiếng hú được ống bọt bao bọc nên có cường độ tập trung rất lớn khiến cho đàn cá trở nên cực kỳ hoảng loạn. Ở ngay thời điểm 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 công trình đóng cột cầu là để giữ và chặn tiếng ồn trong phạm vi ống cũng giống như cá voi, nhưng loài người đi sau loài cá 30 triệu năm.   

Lời kết

Vật lý cổ điển có những bộ môn như điện từ học, âm học, nhiệt động học hay cơ học thống kê (statistical mechanics). Vật lý cổ điển không lung linh hấp dẫn như vật lý lượng tử nhưng nó tỏa sáng như một tòa tháp đứng sừng sững trên mảnh đất phì nhiêu khoa học có ảnh hưởng sâu xa đến sinh hoạt loài người. Phương pháp luận của nó phần lớn chỉ dựa trên những thuật toán cơ bản của vi tích phân nhưng đã vô cùng linh nghiệm khi giải thích và tiên đoán chính xác sự vật nhìn thấy, nghe thấy, sờ thấy được xung quanh ta. Chúng ta kinh ngạc và vỗ tay tán thưởng thậm chí với giải Nobel khi con người nhìn thấy "lỗ đen" vũ trụ từ khoảng xa tít mù 55 triệu năm ánh sáng. Nhưng chúng ta sai lầm 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 càng ngày càng hoàn thiện, chạy nhanh, bền nhưng ít hao xăng; những cái bấm hiệu quả mở đóng cửa xe của bộ phận điều khiển từ xa và ống hãm thanh khiêm tốn dưới gầm xe khiến chiếc xe chạy vi vu êm đềm như "tiếng tre êm ru". Đó là những thành tựu cụ thể 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?

 

Những ngày cấm túc vì COVID

Melbourme, tháng 10 2020

 

Phụ chú

Hình P1: Sự khúc xạ của sóng.

Khi nhiệt độ không khí giảm dần theo chiều cao, vận tốc 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, vận tốc sóng và góc khúc xạ tăng theo chiều cao. Đường đi của song bị uốn cong xuống phía dưới (Hình P2b)

                                         

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.

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

10.   http://www.erct.com/2-ThoVan/TruongVTan/Bot.htm.

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