Tàng hình âm thanh có hai nghĩa khác nhau. Thứ nhất là áo choàng âm học: một lớp vật liệu dẫn sóng âm đi vòng quanh vật rồi khép lại phía sau, khiến vật không dội tiếng vang, không đổ "bóng âm" — đã làm được trong phòng thí nghiệm cho siêu âm dưới nước (2011) và âm thanh nghe được trong không khí (2014). Thứ hai là phòng không tiếng vọng: căn phòng nuốt gần hết âm thanh chạm vào tường, để mọi tiếng vang biến mất. Một bên làm vật vô hình trước âm thanh, một bên làm chính căn phòng "vô hình" với tai người.
Âm thanh cũng là sóng, nên cũng bẻ cong được
Ánh sáng và âm thanh khác nhau về bản chất — một là sóng điện từ, một là dao động áp suất của không khí hay nước — nhưng toán học mô tả cách chúng lan truyền có nhiều điểm giống nhau. Khi các nhà vật lý tìm ra cách "uốn không gian" để dẫn ánh sáng đi vòng năm 2006, câu hỏi tiếp theo đến rất nhanh: có làm được với âm thanh không?
Với âm thanh, vai trò của chiết suất do hai đại lượng đảm nhận: khối lượng riêng và độ cứng (khả năng chống nén) của môi trường. Năm 2007, Steven Cummer và David Schurig (Đại học Duke) chỉ ra rằng phương trình sóng âm trong mặt phẳng có thể ánh xạ trực tiếp sang phương trình sóng điện từ, nên thiết kế áo choàng quang học có thể "dịch" sang âm học. Cùng năm, nhóm Huanyang Chen và Che Ting Chan (Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông) mở rộng cho ba chiều.
Những chiếc áo choàng âm học đầu tiên
Siêu âm dưới nước, 2011
Nhóm của Nicholas Fang ở Đại học Illinois (Mỹ) công bố năm 2011 trên tạp chí Physical Review Letters một thiết bị phẳng hình tròn, gồm 16 vòng đồng tâm với các rãnh và hốc khắc vào tấm nhôm. Mạng rãnh này hoạt động như một mạch dẫn sóng: sóng siêu âm dưới nước (tần số vài chục kilohertz) chảy theo các vòng, đi quanh vùng giữa và tái hợp phía sau. Vật đặt ở giữa gần như không để lại bóng âm. Lựa chọn nước có lý do: sóng âm trong nước truyền tốt, và kiểm tra bằng thiết bị siêu âm dễ hơn.
Âm thanh nghe được trong không khí, 2014
Tháng 3 năm 2014, nhóm Lucian Zigoneanu, Bogdan-Ioan Popa và Steven Cummer (Đại học Duke) công bố trên Nature Materials chiếc áo choàng âm học ba chiều đầu tiên cho không khí. Hình dáng của nó như một kim tự tháp nhỏ, ghép từ nhiều tấm nhựa có đục lỗ đều đặn. Kích thước và khoảng cách lỗ được tính để sóng âm đi qua chậm lại đúng mức, bù cho quãng đường dài hơn khi vòng qua vật.
Đây là kiểu "áo thảm": vật được giấu dưới kim tự tháp đặt trên một mặt phẳng cứng. Âm thanh chiếu tới từ nhiều hướng sẽ dội lại như thể chỉ chạm vào mặt phẳng trống — không có vật, không có kim tự tháp. Thiết bị chạy với âm thanh nghe được, trong dải tần quanh vài kilohertz.
Vì sao âm thanh dễ hơn ánh sáng
| Yếu tố | Ánh sáng nhìn thấy | Âm thanh nghe được |
|---|---|---|
| Bước sóng | 400–700 nanomet | Từ khoảng 1,7 centimet đến 17 mét |
| Kích thước cấu trúc cần làm | Vài chục nanomet | Milimet đến centimet |
| Cách chế tạo | Khắc chùm điện tử, phòng sạch | Cắt, đục lỗ, in 3D |
| Hao hụt vật liệu | Cao với kim loại | Thấp với nhựa, nhôm |
Bước sóng dài là lợi thế lớn: cấu trúc vài milimet đã là "nhỏ hơn bước sóng". Một máy in 3D bình thường có thể in ra siêu vật liệu âm học. Đó là lý do lĩnh vực này phát triển nhanh sau năm 2010.
Phòng không tiếng vọng: nơi im lặng nhất
Hướng thứ hai không làm vật vô hình, mà làm mọi tiếng vang biến mất. Phòng không tiếng vọng (anechoic chamber) có tường, trần, sàn phủ kín các khối nêm nhọn bằng sợi thuỷ tinh hoặc mút xốp. Sóng âm đi vào khe giữa các nêm bị phản xạ qua lại nhiều lần, mỗi lần mất một ít năng lượng thành nhiệt, cuối cùng gần như không dội ra. Sàn thường là lưới thép căng phía trên lớp nêm, để người đi lại được.
Phòng thường được xây tách khỏi kết cấu toà nhà, đặt trên lò xo hoặc đệm cao su để rung động bên ngoài không lọt vào. Tiếng ồn nền có thể xuống dưới 0 dBA — nghĩa là yên hơn ngưỡng nghe của tai người khoẻ mạnh. Năm 2015, Tổ chức Kỷ lục Guinness công nhận một phòng không tiếng vọng của Microsoft tại Redmond (Mỹ) với độ ồn nền khoảng âm 20 dBA; các phòng thí nghiệm khác về sau cũng công bố những con số cạnh tranh.
Ở trong phòng ấy cảm giác thế nào
Người từng vào kể lại rằng sau vài phút, họ nghe thấy chính cơ thể mình: nhịp tim, tiếng máu chảy, tiếng khớp cổ khi quay đầu, tiếng ù nhẹ trong tai. Không có tiếng vang, giọng nói nghe "phẳng" và nhỏ một cách lạ lùng. Một số người thấy mất thăng bằng nhẹ, vì não quen dùng tiếng vọng để định hướng không gian.
Có một câu chuyện nổi tiếng thường được truyền rằng không ai chịu nổi quá 45 phút trong phòng yên nhất thế giới. Đây là chuyện được báo chí kể lại nhiều lần và phóng đại; thực tế nhiều kỹ sư làm việc trong các phòng này hằng ngày.
John Cage và bản nhạc im lặng
Năm 1951, nhà soạn nhạc Mỹ John Cage vào phòng không tiếng vọng của Đại học Harvard. Ông kể rằng mình vẫn nghe hai âm thanh, một cao một trầm, và được kỹ sư giải thích là tiếng hệ thần kinh và tiếng máu tuần hoàn. (Ngày nay, các nhà âm học cho rằng âm cao nhiều khả năng là tiếng ù tai nhẹ mà nhiều người có.) Cage kết luận không tồn tại sự im lặng tuyệt đối, và năm 1952 ông công bố tác phẩm 4′33″, trong đó người biểu diễn không chơi nốt nào; "âm nhạc" là mọi tiếng động của khán phòng.
Dùng phòng không tiếng vọng để làm gì
- Đo đặc tính micro, loa, tai nghe — phải loại bỏ tiếng vọng mới biết thiết bị phát ra thật sự thế nào.
- Nghiên cứu thính giác, thử máy trợ thính.
- Đo tiếng ồn của máy móc, quạt, ô tô, đồ gia dụng.
- Một biến thể khác, phủ vật liệu hấp thụ sóng vô tuyến, dùng để đo ăng-ten điện thoại và thiết bị không dây.
Khác với tai nghe chống ồn
Tai nghe chống ồn chủ động không làm âm thanh đi vòng, cũng không hút âm. Nó dùng micro thu tiếng ồn bên ngoài, rồi phát ra sóng ngược pha để hai sóng triệt tiêu nhau ở tai người nghe. Cách này hiệu quả với tiếng ồn đều, trầm như tiếng động cơ máy bay, kém hơn với tiếng nói đột ngột. Đây là "giao thoa triệt tiêu", một nguyên lý khác hẳn áo choàng âm học.
Góc nhìn hôm nay
Siêu vật liệu âm học đang được nghiên cứu cho những việc rất đời thường: tấm cách âm mỏng nhưng chặn được tiếng trầm, ống thông gió cho không khí đi qua mà cản tiếng ồn, vật liệu giảm rung trong toà nhà, và thấu kính âm cho thiết bị siêu âm y tế. Người muốn tự trải nghiệm có thể tìm các bảo tàng khoa học có phòng hoặc góc trình diễn âm học — một số bảo tàng có "gương âm" hai đĩa cong đặt xa nhau, thì thầm ở đĩa này người đứng ở đĩa kia nghe rõ. Muốn đọc kỹ, hãy tìm bài năm 2014 trên Nature Materials của nhóm Steven Cummer, hoặc trang giới thiệu của Đại học Duke về thiết bị kim tự tháp.
Câu hỏi thường gặp
Áo choàng âm học là gì?
Là cấu trúc làm sóng âm đi vòng quanh một vật rồi khép lại phía sau, nên vật không dội tiếng vang và không tạo vùng bóng âm. Nó dựa trên siêu vật liệu âm học với các lỗ, rãnh được thiết kế chính xác.
Áo choàng âm học đã làm được chưa?
Đã có trong phòng thí nghiệm: năm 2011 cho siêu âm dưới nước (Đại học Illinois) và năm 2014 cho âm thanh nghe được trong không khí (Đại học Duke). Các thiết bị này vẫn chỉ chạy trong dải tần và cấu hình nhất định.
Phòng không tiếng vọng là gì?
Là phòng phủ kín vật liệu hút âm hình nêm và cách ly rung động, nên gần như không có tiếng vang. Nó dùng để đo micro, loa, máy trợ thính và tiếng ồn máy móc.
Phòng yên tĩnh nhất thế giới ở đâu?
Năm 2015, Guinness công nhận phòng không tiếng vọng của Microsoft tại Redmond (Mỹ) với độ ồn nền khoảng âm 20 dBA. Một số phòng thí nghiệm khác về sau cũng công bố con số tương đương hoặc thấp hơn.
Có đúng là không ai ở trong phòng không tiếng vọng quá 45 phút?
Không đúng. Đó là câu chuyện bị báo chí phóng đại. Người ở trong phòng nghe thấy rõ nhịp tim và tiếng cơ thể, có thể thấy lạ, nhưng nhiều kỹ sư làm việc trong các phòng này thường xuyên.
