Âm học (Acoustics) ngành mới đầy tiềm năng và thú vị!

Âm học (Acoustics): Từ dây đàn Pythagoras đến trí tuệ nhân tạo và tương lai tại Việt Nam

1. Khái niệm cơ bản về âm học

Âm học (tiếng Anh: Acoustics) là một nhánh của vật lý học chuyên nghiên cứu về sự hình thành, truyền đi, tác động và cảm nhận của sóng âm. Nếu điện học nghiên cứu dòng điện, quang học nghiên cứu ánh sáng, thì âm học tập trung vào thế giới của âm thanh. Từ những rung động nhỏ nhất phát ra từ một dây đàn đến những tiếng vang mạnh mẽ trong một hội trường, tất cả đều thuộc phạm vi nghiên cứu của âm học.

Từ nguyên, “acoustics” bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp cổ “akoustikos” nghĩa là “có thể nghe thấy”. Đây là nền tảng để hiểu rằng ngay từ thời cổ đại, con người đã chú ý đến âm thanh, không chỉ để thưởng thức trong âm nhạc mà còn để ứng dụng trong đời sống.

Âm học hiện đại được chia thành nhiều nhánh nhỏ:

Âm học kiến trúc: nghiên cứu cách bố trí công trình để kiểm soát vang, tiếng vọng, tiếng ồn.
Âm học sinh học: nghiên cứu thính giác, ngôn ngữ và giao tiếp của động vật.
Âm học môi trường: đo lường, kiểm soát tiếng ồn đô thị, công nghiệp.
Âm học y học: ứng dụng sóng siêu âm trong chẩn đoán, trị liệu.
Âm học kỹ thuật: chế tạo loa, micro, tai nghe, hệ thống âm thanh.
Âm học số và trí tuệ nhân tạo: xử lý giọng nói, nhận diện âm thanh, công nghệ trợ lý ảo.

Nói cách khác, âm học vừa mang tính khoa học, vừa mang tính nghệ thuật, và đồng thời là một ngành công nghiệp ứng dụng rộng khắp.

2. Người đầu tiên đưa ra khái niệm âm học

Người đặt nền móng cho ngành âm học là triết gia – toán học Hy Lạp cổ đại Pythagoras (570 – 495 TCN). Ông nổi tiếng với định lý Pythagoras trong hình học, nhưng ít ai biết rằng ông cũng chính là cha đẻ của âm học toán học.

Câu chuyện kể rằng Pythagoras tình cờ nghe tiếng búa rèn gõ trên đe sắt. Ông nhận thấy tiếng búa có cao độ khác nhau tùy vào khối lượng. Từ đó, ông bắt đầu thử nghiệm với dây đàn. Ông phát hiện chiều dài dây đàn có mối quan hệ trực tiếp đến cao độ âm thanh: nếu chiều dài dây giảm đi một nửa, tần số dao động tăng gấp đôi, tạo ra quãng tám.

Pythagoras kết luận rằng âm thanh chịu sự chi phối của các quy luật toán học. Đây là bước khởi đầu quan trọng: âm nhạc, vốn là cảm xúc, lần đầu tiên được gắn với những con số cụ thể. Ông chính là người đầu tiên biến âm nhạc thành một lĩnh vực có thể nghiên cứu khoa học.

Sau Pythagoras, nhiều nhà tư tưởng tiếp nối:

Aristotle (384 – 322 TCN) cho rằng âm thanh được truyền đi nhờ sự chuyển động của không khí.
Vitruvius (thế kỷ I TCN), một kiến trúc sư La Mã, nghiên cứu cách xây nhà hát để khuếch tán âm thanh.
Galileo Galilei (1564 – 1642) và Marin Mersenne (1588 – 1648) nghiên cứu dao động cơ học và đo tốc độ âm trong không khí.
Đặc biệt, Lord Rayleigh (John William Strutt, Nobel Vật lý 1904) với tác phẩm “The Theory of Sound” (1877) đã hệ thống hóa toàn bộ lý thuyết âm học hiện đại.

Như vậy, Pythagoras là người đầu tiên khởi sinh khái niệm âm học, và Rayleigh là người hoàn thiện nó thành một ngành khoa học chuẩn mực.

3. Cách đo lường âm học trước khi có công cụ hiện đại

Ngày nay, chúng ta quen thuộc với máy đo decibel, microphone phân tích phổ, phần mềm xử lý số. Nhưng trước khi công nghệ này ra đời, con người đã có nhiều cách sáng tạo để đo lường âm thanh.

Dùng tai và so sánh trực quan: Thời cổ đại, người ta chỉ dựa vào cảm giác thính giác. Ví dụ, so sánh độ cao thấp bằng việc nghe đàn, sáo.
Dùng dây đàn Pythagoras: Chiều dài dây và tần số có quan hệ tỷ lệ nghịch. Đây là cách đo gián tiếp dựa trên toán học.
Đo tốc độ âm bằng ánh sáng: Marin Mersenne thế kỷ XVII bắn súng từ xa, quan sát thời gian chênh lệch giữa ánh sáng lóe và tiếng súng, từ đó tính tốc độ truyền âm.
Ống cộng hưởng Helmholtz: một ống thủy tinh hình cầu được sử dụng để xác định tần số cộng hưởng.
Kiến trúc La Mã: trong các nhà hát cổ, người ta chôn những bình gốm cộng hưởng để điều chỉnh âm vang.

Điều này cho thấy, trước khi có điện tử học, âm học đã phát triển mạnh nhờ trực giác, toán học và thí nghiệm cơ học.

4. Âm học ngày nay: Ứng dụng rộng khắp đời sống

Bước sang thế kỷ XXI, âm học không còn giới hạn trong phòng hòa nhạc mà đã len lỏi vào hầu hết mọi lĩnh vực.

Thứ nhất, trong kiến trúc và xây dựng. Một nhà hát, hội trường, nhà thờ hay rạp phim sẽ thất bại nếu âm thanh vang dội quá mức hoặc tiếng ồn xâm nhập. Các kỹ sư âm học tính toán kỹ lưỡng để tạo ra không gian có chất lượng nghe tối ưu.

Thứ hai, trong y học. Sóng siêu âm ngày nay là công cụ chẩn đoán phổ biến, từ kiểm tra thai nhi đến phát hiện khối u. Sóng âm cũng được sử dụng để điều trị sỏi thận bằng phương pháp tán sỏi ngoài cơ thể.

Thứ ba, trong công nghiệp và môi trường. Các hãng ô tô, máy bay phải thiết kế để giảm tiếng ồn, vừa để đáp ứng tiêu chuẩn môi trường, vừa nâng cao trải nghiệm người dùng. Các thành phố lớn triển khai hệ thống đo tiếng ồn để bảo vệ sức khỏe dân cư.

Thứ tư, trong quân sự và hàng hải. Công nghệ sonar giúp tàu ngầm phát hiện chướng ngại vật, định vị dưới nước. Hệ thống siêu âm tần số cao được dùng để dò thủy lôi, phát hiện cá đàn.

Thứ năm, trong âm nhạc và giải trí. Từ tai nghe, loa bluetooth đến hệ thống âm thanh hi-end, tất cả đều dựa vào nguyên lý âm học để tái tạo âm trung thực nhất.

Thứ sáu, trong công nghệ số và trí tuệ nhân tạo. Các hệ thống như Siri, Alexa, Google Assistant đều dựa trên xử lý tín hiệu âm học và AI để nhận diện giọng nói. Công nghệ “acoustic fingerprint” giúp bảo mật thiết bị thông qua âm thanh đặc trưng.

Âm học vì thế trở thành một ngành đa ứng dụng, đóng vai trò trong y tế, công nghiệp, quốc phòng, giải trí và công nghệ cao.

5. Âm học tại Việt Nam: Hiện tại và tương lai

Ở Việt Nam, khái niệm âm học còn khá mới mẻ với công chúng, nhưng thực tế đang được ứng dụng ngày càng rộng.

Trước hết, trong xây dựng và nội thất, các chung cư, văn phòng, khách sạn, trường học đều bắt đầu quan tâm đến cách âm và tiêu chuẩn tiếng ồn. Các studio thu âm, karaoke, rạp chiếu phim áp dụng vật liệu tiêu âm, tán âm để nâng cao chất lượng dịch vụ.

Trong y tế, hầu hết bệnh viện đều dùng siêu âm chẩn đoán. Một số cơ sở nha khoa, thẩm mỹ viện còn ứng dụng công nghệ siêu âm trong điều trị.

Trong công nghiệp, các khu chế xuất, nhà máy lớn phải tuân thủ quy chuẩn tiếng ồn do Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành.

Tuy vậy, ngành âm học tại Việt Nam còn hạn chế ở một số điểm:

Thiếu chuyên gia chuyên sâu, đa số kỹ sư âm thanh chỉ kiêm nhiệm trong ngành xây dựng hoặc điện tử.
Thiết bị đo âm chuẩn quốc tế còn ít, nhiều công ty vẫn nhập khẩu giải pháp từ nước ngoài.
Luật về kiểm soát tiếng ồn đô thị còn chưa được siết chặt.

Trong tương lai 5–10 năm tới, âm học tại Việt Nam có thể phát triển mạnh theo các hướng:

Ứng dụng trí tuệ nhân tạo để mô phỏng trường âm trong thiết kế công trình, giảm chi phí thử nghiệm.
Sử dụng vật liệu mới thân thiện môi trường, như gỗ tái chế, sợi tre, polymer hấp thụ âm.
Kiểm soát tiếng ồn đô thị trong bối cảnh các thành phố thông minh được triển khai.
Đưa âm học vào giáo dục và y tế, từ thiết kế lớp học không vang vọng đến bệnh viện yên tĩnh.
Kết hợp âm học với công nghệ AR/VR để phát triển ngành giải trí, du lịch ảo, và đào tạo trực tuyến.

Nói cách khác, âm học sẽ trở thành một ngành không thể thiếu trong quá trình đô thị hóa và hiện đại hóa của Việt Nam.

Âm học khởi đầu từ những dây đàn của Pythagoras hơn 2.500 năm trước. Từ những thí nghiệm đơn giản bằng tai người và ống cộng hưởng, con người đã xây dựng nên một ngành khoa học phức tạp, ứng dụng trong hàng loạt lĩnh vực của đời sống hiện đại.

Ngày nay, với sự hỗ trợ của công nghệ số và trí tuệ nhân tạo, âm học tiếp tục mở rộng biên giới, từ xử lý giọng nói đến mô phỏng không gian 3D.

Tại Việt Nam, âm học đang dần trở thành một nhu cầu thiết yếu trong xây dựng, y tế, công nghiệp và giải trí. Trong thập kỷ tới, cùng với sự phát triển của đô thị thông minh và công nghệ AI, ngành âm học hứa hẹn sẽ có bước tiến mạnh mẽ, trở thành một trong những lĩnh vực hỗ trợ quan trọng cho đời sống và kinh tế quốc gia.