Cánh quạt trực thăng quay rất đều. Vậy tại sao chúng lại phát ra tiếng “phành phạch”?

Nếu từng nghe thấy một chiếc trực thăng đang tiến lại gần từ xa, có lẽ bạn đã nhận ra nhịp điệu của nó ngay lập tức.

Phành... phạch... phành... phạch...

Âm thanh ấy đặc trưng đến mức bạn thường có thể nhận ra đó là loại máy bay nào trước cả khi nhìn thấy nó.

Một hôm, tôi nghe thấy chính nhịp điệu ấy từ xa và tin chắc rằng một chiếc trực thăng đang bay tới. Nhưng khi bước lại gần, tôi phát hiện âm thanh hoàn toàn không phát ra từ trên trời. Nó đến từ một chiếc máy đục phá khí nén cỡ lớn đang xé tung mặt đường.

Điều đó làm nảy sinh một câu hỏi.

Tại sao hai loại máy móc này lại có thể phát ra âm thanh giống nhau đến vậy?

Nhịp điệu của máy đục phá khí nén khá dễ hiểu. Một pít-tông liên tục đóng mũi đục xuống mặt đường, tạo ra một chuỗi va đập.

Cánh quạt chính của trực thăng có vẻ khác hẳn. Các cánh quay liên tục theo một hướng. Ngay cả khi hình dung một cánh quạt lý tưởng, trong đó các cánh không bao giờ vỗ lên xuống hay thay đổi góc đặt, chúng vẫn chuyển động trơn tru chứ không đập vào không khí theo một chuyển động qua lại rõ ràng.

Vậy tại sao âm thanh tạo ra lại đến tai chúng ta thành từng nhịp?

“Một cánh quạt đi qua, nên bạn nghe thấy một xung âm”

Một cách giải thích phổ biến cho rằng mỗi khi một cánh quạt đi qua, nó tạo ra một xung âm.

Về cơ bản, điều này là đúng, nhưng nếu chỉ dừng ở đó thì lời giải thích vẫn có vẻ chưa trọn vẹn.

Hãy tưởng tượng ta kẻ một đường thẳng đi qua một điểm trên quỹ đạo tròn của cánh quạt. Một cánh quạt sẽ cắt qua đường ấy nhiều lần mỗi giây — nhưng tại sao việc đi qua đúng đường đó lại tạo ra âm thanh? Ta hoàn toàn có thể đặt đường tưởng tượng ấy ở bất kỳ vị trí nào quanh vòng tròn.

Thành phần còn thiếu trong lời giải thích chính là người nghe.

Việc cắt qua một dấu mốc tùy ý không tạo ra xung âm. Điều quan trọng là khi cánh quạt quay, vị trí và hướng của nó so với người nghe cũng thay đổi. Với phần lớn vị trí của người nghe, khoảng cách, phương hướng, chuyển động và đặc tính bức xạ âm của cánh quạt so với người nghe đều biến thiên trong mỗi vòng quay.

Khi cánh quạt giống hệt tiếp theo đến vị trí tương ứng, hình học giữa nguồn âm và người nghe gần như lặp lại. Vì thế, áp suất âm mà người nghe tiếp nhận cũng lặp lại theo những khoảng thời gian đều đặn.

Bản thân cánh quạt có thể đối xứng khi quay, nhưng toàn bộ hệ thống — gồm cánh quạt và một người nghe đứng tại một vị trí cụ thể — thì không.

Điều gì thực sự tạo ra âm thanh?

Cánh quạt trực thăng tạo ra âm thanh qua nhiều cơ chế, trong đó hai cơ chế cơ bản được gọi là tiếng ồn do độ dày (thickness noise) và tiếng ồn do tải khí động (loading noise).

Tiếng ồn do độ dày xuất hiện vì mỗi cánh quạt đều có thể tích vật lý. Khi chuyển động, nó phải đẩy không khí ra khỏi đường đi của mình. Sự nhiễu động đó lan truyền ra ngoài dưới dạng âm thanh.

Tiếng ồn do tải khí động bắt nguồn từ các lực khí động tác dụng lên cánh quạt. Cánh quạt tạo lực nâng bằng cách tác dụng lực lên không khí xung quanh. Sự phân bố áp suất tạo ra lực ấy cũng góp phần hình thành trường âm.

Cả hai nguồn âm này đều chuyển động cùng những cánh quạt đang quay.

Điều đó không có nghĩa là một khối không khí nén nhỏ bé bám vào từng cánh quạt rồi đi vòng quanh cho đến khi tới chỗ người nghe. Các cánh quạt liên tục tạo ra nhiễu động, còn những sóng âm hình thành từ đó lan ra ngoài qua khí quyển với vận tốc âm thanh.

Người nghe tiếp nhận tổng hợp những sóng áp suất mà các cánh quạt đã phát ra trước đó một khoảng thời gian rất ngắn. Vì cách bố trí của nguồn âm lặp lại khi cánh quạt quay, tín hiệu âm thanh nhận được cũng lặp lại.

Tần số cánh quạt đi qua

Giả sử một rôto có \(N\) cánh cách đều nhau và quay với tốc độ \(\mathrm{RPM}\) vòng mỗi phút.

Số lượt cánh quạt đi qua mỗi giây là

\[ f_{\mathrm{BPF}} = \frac{N \times \mathrm{RPM}}{60}, \]

trong đó \(f_{\mathrm{BPF}}\) là tần số cánh quạt đi qua (blade-passage frequency).

Ví dụ, một rôto lý tưởng có bốn cánh, quay với tốc độ 300 vòng mỗi phút, sẽ có tần số cánh quạt đi qua là

\[ f_{\mathrm{BPF}} = \frac{4 \times 300}{60} = 20\ \mathrm{Hz}. \]

Hai mươi hertz nằm gần ngưỡng dưới của dải tần mà tai người thông thường có thể nghe thấy. Tuy nhiên, rôto không tạo ra một sóng hình sin hoàn toàn trơn tru và chỉ có một tần số. Tín hiệu áp suất lặp lại của nó còn chứa các họa âm — những thành phần có tần số cao hơn và bằng các bội số của tần số cánh quạt đi qua.

Những họa âm ấy góp phần biến một nhịp lặp ở tần số rất thấp thành âm thanh quen thuộc mà ta thường mô tả là phành phạch, chặt gió hay tiếng đập của cánh quạt.

Âm thanh chính xác phụ thuộc vào từng loại trực thăng, số lượng cánh quạt, tốc độ quay, hình dạng cánh, trạng thái bay và vị trí của người nghe.

Một phiên bản tốt hơn của thí nghiệm tưởng tượng về chiếc đĩa

Một cách để hiểu tầm quan trọng của các cánh riêng biệt là hình dung một đĩa tác động lý tưởng (actuator disk).

Đĩa tác động không phải là một tấm đặc theo nghĩa đen. Một tấm đặc sẽ chặn không khí đi qua mặt phẳng rôto và không thể hoạt động giống cánh quạt trực thăng. Thay vào đó, đĩa tác động là một mô hình toán học đại diện cho số lượng cực lớn các cánh rất hẹp, trong đó lực của chúng được phân bố liên tục trên toàn bộ diện tích mà rôto quét qua.

Một chiếc đĩa như vậy vẫn có thể tác dụng lực hướng xuống lên không khí và tạo ra lực nâng. Nhưng nếu tải trọng của nó hoàn toàn ổn định và phân bố đồng đều, sẽ không còn từng cánh riêng lẻ lần lượt đi qua hướng của người nghe. Nhịp điệu do cánh quạt đi qua sẽ biến mất.

Luồng không khí vẫn có thể chứa nhiễu loạn hoặc những dao động không ổn định khác, nhưng sẽ không còn chứa âm rời rạc giống như âm do một số ít cánh quạt riêng biệt tạo ra.

Bây giờ, hãy thay chiếc đĩa lý tưởng bằng hai, ba, bốn hoặc năm cánh quạt thật.

Lực khí động không còn được phân bố liên tục quanh toàn bộ vòng tròn. Nó tập trung trên từng bề mặt cánh đang chuyển động. Vì thế, nguồn âm mang tính tuần hoàn thay vì hoàn toàn đồng đều.

Rôto vẫn có thể quay trơn tru, trong khi âm thanh nhận được tại một vị trí cố định lại tăng giảm theo nhịp.

Phép so sánh với ngọn hải đăng — cùng một điểm khác biệt quan trọng

Ngọn hải đăng đem lại một phép so sánh hữu ích.

Đèn của nó có thể sáng liên tục, nhưng một người đứng trên bờ sẽ thấy một chớp sáng mỗi khi chùm sáng quay về phía mình. Ánh đèn không liên tục bật rồi tắt. Chính mối quan hệ giữa chùm sáng đang quay và người quan sát đứng yên đã tạo nên nhịp điệu.

Trường âm của cánh quạt phức tạp hơn chùm sáng hải đăng. Âm thanh lan ra ngoài dưới dạng những sóng áp suất truyền đi, chứ không bám cứng vào cánh quạt như một ngọn đèn rọi.

Dù vậy, ý tưởng cốt lõi vẫn đúng: một nguồn chuyển động liên tục có thể tạo ra tín hiệu tuần hoàn đối với người quan sát đứng yên, bởi hình học giữa nguồn và người quan sát cứ liên tục lặp lại.

Nhịp điệu ấy không phải bằng chứng cho thấy rôto liên tục dừng lại rồi khởi động.

Nó là hệ quả của chuyển động quay liên tục khi được nhìn — hoặc nghe — từ một vị trí cụ thể.

Rôto thật tạo thêm những xung âm sắc hơn

Nhịp điệu thông thường do các cánh quạt đi qua chỉ là một phần của câu chuyện.

Khi tạo lực nâng, một cánh quạt để lại phía sau một vùng khí xoáy, trong đó có những xoáy tập trung hình thành gần đầu cánh. Trong một số trạng thái bay, một cánh quạt khác sau đó có thể đi rất sát một trong những xoáy đã hình thành trước đó.

Hiện tượng này được gọi là tương tác cánh–xoáy (blade–vortex interaction), viết tắt là BVI.

Khi một cánh quạt gặp xoáy, luồng không khí và lực khí động tác dụng lên cánh có thể thay đổi cực kỳ nhanh. Sự thay đổi đột ngột ấy tạo ra một xung áp suất âm sắc và mạnh.

Tương tác cánh–xoáy đặc biệt rõ rệt khi trực thăng hạ độ cao, tiếp cận điểm đáp hoặc thực hiện một số thao tác nhất định. Đây là một nguồn quan trọng tạo nên tiếng “đập cánh” đầy kịch tính thường gắn liền với trực thăng, dù hiện tượng này không mạnh như nhau trong mọi chuyến bay.

Ngoài ra còn có nhiều nguồn âm khác. Động cơ, hệ truyền động, cánh quạt đuôi, luồng khí rối và tiếng ồn khí động dải rộng từ chính các cánh quạt có thể tạo ra những thành phần âm thanh như tiếng rền, tiếng rít, tiếng vo ve hoặc tiếng xì bên dưới nhịp chính.

Vì vậy, âm thanh thực tế của trực thăng không phải một chuỗi xung tách biệt và thuần khiết. Nó là một phổ âm phức tạp, trong đó một mô hình tuần hoàn mạnh thường nổi bật hơn cả.

Nhưng quạt máy cũng có cánh mà?

Đúng vậy.

Quạt máy và cánh quạt đẩy cũng tạo ra âm ở tần số cánh quạt đi qua. Một chiếc quạt gia dụng không phát ra âm thanh hoàn toàn liên tục và không có đặc điểm nào nổi bật.

Tuy nhiên, âm thanh đặc trưng của nó thường êm hơn hoặc cao hơn vì số lượng cánh, tốc độ quay, tải trọng cánh, tốc độ đầu cánh, vỏ bao quanh và luồng không khí đều khác. Quạt máy cũng thường không có những tương tác cánh–xoáy mạnh xuất hiện trong một số trạng thái bay của trực thăng.

Vì thế, điểm khác biệt không phải là quạt máy tạo ra âm thanh liên tục còn trực thăng tạo ra âm thanh tuần hoàn. Cả hai đều có những thành phần âm thanh mang tính tuần hoàn.

Chỉ là các xung tần số thấp của trực thăng nổi bật hơn rất nhiều.

Tại sao trực thăng có thể nghe giống máy đục phá khí nén?

Máy đục phá khí nén và trực thăng tạo ra âm thanh theo hai cách rất khác nhau.

Máy đục sử dụng một cơ cấu chuyển động tịnh tiến qua lại để liên tục đóng mũi đục xuống mặt đất. Mỗi cú va đập kích thích dao động trong mặt đường, mũi đục, vỏ máy và không khí xung quanh.

Trực thăng sử dụng những bề mặt khí động đang quay. Các sóng áp suất tuần hoàn của nó hình thành từ chuyển động của cánh quạt, tải khí động và — trong một số điều kiện — những tương tác cánh–xoáy diễn ra cực nhanh.

Nhưng sau khi âm thanh truyền đi một quãng đường nhất định, tai chúng ta có thể nhận được một mô hình khá giống nhau từ cả hai loại máy: một chuỗi xung áp suất tần số thấp lặp đi lặp lại, đi kèm các họa âm.

Những chi tiết ở tần số cao cũng thường suy giảm nhanh hơn theo khoảng cách và khi gặp vật cản. Vì thế, nhịp điệu chậm hơn và dai dẳng hơn có thể trở thành phần dễ nhận biết nhất trong âm thanh của cả hai loại máy.

Hai cỗ máy khác nhau về mặt vật lý, nhưng từ xa, dấu hiệu âm học của chúng đôi lúc có thể rơi vào cùng một vùng cảm nhận.

Bài học rộng hơn

Ta thường có xu hướng cho rằng chuyển động liên tục nhất thiết phải tạo ra cảm giác liên tục.

Tự nhiên không phải lúc nào cũng vận hành như vậy.

Một nguồn quay có thể chuyển động hoàn toàn trơn tru nhưng vẫn tạo ra tín hiệu tuần hoàn đối với người quan sát đứng yên. Điều quan trọng không chỉ là nguồn chuyển động ra sao, mà còn là vị trí, hướng và đặc tính bức xạ luôn thay đổi của nó có quan hệ thế nào với nơi tín hiệu được đo.

Ở trực thăng, rôto không cần phải dừng lại, đảo chiều hay “đập” vào không khí bằng cơ cấu cơ học như một chiếc búa.

Các cánh quạt quay liên tục. Hình học âm học lặp lại. Sóng âm lan truyền ra ngoài. Và một người nghe đứng yên tiếp nhận một nhịp điệu:

Phành... phạch... phành... phạch...

Một khi nhận ra nhịp điệu ấy chính là dấu vết nghe được của một nguồn âm đang quay, bạn sẽ không bao giờ nghe tiếng trực thăng theo cách hoàn toàn giống như trước nữa.