บทที่ 2 คลื่นเสียง

คลื่นเสียง

2.1 การเกิดเสียงและการเคลื่อนที่ของเสียง

    - เสียงเป็นคลื่นกล เพราะมีสมบัติการสะท้อน การหักเห การแทรกสอด และการเลี้ยงเบน
    - เสียงเป็นคลื่นกลตามยาว เพราะต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ตัวกลางสั่นขนานกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น
    -โมเลกุลของอากาศในบริเวณที่เป็นส่วนอัดจะมีมากกว่าเดิม ทำให้ความดันของอากาศเพิ่มขึ้น
    -  โมเลกุลของอากาศในบริเวณที่เป็นส่วนขยายจะมีมากกว่าเดิม ทำให้ความดันของอากาศลดลง

2.2 ความถี่ อัตราเร็ว และความยาวคลื่น
2.2.1. ความถี่ของเสียง ใช้บอกระดับเสียง ความถี่สูงจะมีระดับเสียงสูงและแหลม ถ้ามีความถี่ต่ำจะมีระดับเสียงต่ำและทุ้ม
    -  มนุษย์ทั่วไปได้ยินเสียงในช่วงความถี่ 20 - 20000 เฮิรตซ์
    -  ความถี่ต่ำกว่า 20 เฮิรตซ์ เรียกว่า อินฟาโซนิก เช่น การสื่อสารของช้าง
    -  ความถี่สูงกว่า 20000 เฮริตซ์ เรียกว่า อัลตราโซนิค เช่น การหาอาหารของค้างคาว โลมา วาฬ
2.2.2. อัตราเร็วของเสียง ขึ้นอยู่กับสภาพตัวกลาง เช่น อุณหภูมิ ความหนาแน่น ความยืดหยุ่น เป็นต้น อัตราเร็วเสียงที่เคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่มีอุณหภูมิสู.จะมีค่ามากกว่าตัวกลางที่มีอุณภูมิต่ำ
2.2.3. อัตราเร็วเสียงในอากาศ จะแปรผันตรงกับรากที่สองของอุณภูมิในหน่วยเคลวิน
    - อุณหภูมิมาก อัตราเร็วมาก
    - อุณภูมิน้อย อัตราเร็วน้อย
    - ขณะอุณภูมิ + องศาเซลเซียส อัตราเร็วเสียงจะมีค่าประมาณ 331 เมตร/วินาที

2.3 คุณสมบัติของเสียง

2.3.1. การสะท้อน  เมื่อคลื่นเสียงตกกระผิวรอยต่อระหว่างตัวกลาง หรือตัวกลางขนิดเดียวกันแต่อุณหภูมิต่างกัน หรือตกกระทบสิ่งกีดขวางที่มีขนาดเท่ากันกับหรือโตกว่าความยาวคลื่นเสียงนั้น จะเกิดการสะท้อนเสียง

 หมายเหตุ 

   - เมื่อคลื่นเสียงตกกระทบ ความถี่ ความเร็ว ความยาวคลื่น และแอมพลิจูด จะสะท้อนออกของเดิม

   - การเคลื่อนที่จากตัวกลางหนาแน่นน้อย ไป มาก การกระจัดที่สะท้อนมีเฟสตรงข้าม

   - การเคลื่อนที่จากตัวกลางหนาแน่นมาก ไป น้อย การกระจัดที่สะท้อนจะมีเฟสคงเดิม

   - ถ้าเสียงที่สะท้อนกลับมาสู๋หูของเราช้ากว่าเสียงที่ตะโกนออกไปเกินกว่า 0.1 วินาที หูของเราจะสมารถแยกเสียงตะโกนและเสียงที่สะท้อนกลับมาได้ เราเรียกว่า การเกิดเสียงก้อง

   - จากความรู้การสะท้อนของเสียง นำไปสร้างเครื่อวโซนาร์ ใช้หาความลึกของทะเล หาฝูงปลาในทะเล สร้างเครื่องอัลตราซาวด์ 

2.3.2. การหักเห คลื่นเสียงเมื่อเดินทางผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นแตกต่างกันจะเกิดการเปลี่ยนแปลงทิศทางความเร็วและความยาวคลื่น แต่ความถี่คลื่นยังคงที่ 

   - คือเมื่อเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อย (อากาศ) เข้าสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า(น้ำ)  เสียงจะหักเหออกจากเส้นตั้งฉาก หลักการนี้ใช้อธิบาย การเห็นฟ้าแลบ แต่ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง เพราะเมื่อเกิดฟ้าแลบ แม้จะมีเสียงเกิดขึ้นแต่เราไม่ได้ยินเสียง ทั้งนี้เพราะอากาศใกล้พื้นดินมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศเบื้องบน ทำให้การเคลื่อนที่ของเสียงเคลื่อนที่ได้ในอัตราที่ต่างกัน คือ เคลื่อนที่ในอากาศที่มี อุณหภูมิสูงได้เร็วกว่าในอากาศที่มีอุณหภูมิต่ำ ดังนั้น เสียงจึงเคลื่อนที่เบนขึ้นทีละน้อยๆ จนข้ามหัวเราไป จึงทำให้ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง

หมายเหตุ

    1. บริเวณที่มีอุณภูมิสูง เสียงจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วมากกว่าบริเวณที่มีอุณภูมิต่ำ

    2. เสียงเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีอุณภูมิสูงไปสู่บริเวณที่มีอุณภูมิต่ำ คลื่นเสียงจะหักเหเข้าเส้นแนวฉาก

    3. เสียงเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีอุณภูมิต่ำไปสู่บริเวณที่มีอุณภูมิสูกว่า เสียงจะหักเหออกจาเส้นแนวฉาก

    4. ในเวลากลางวันพื้นโลกจะมีอุณภูมิสูงกว่าอุณหภูมิที่ระดับสูงจากพื้นโลกขึ้นไปทำให้เสียงหักเหขึ้นสู่ที่สูง ส่วนในเวลากลางคืนอุณหภูมิที่พื้นโลกจะต่ำกว่าอุณภูมิที่ระดับสูงกว่าพื้นโลกทำให้เสียงหักเหลงสู่พื้น

2.3.3. การแทรกสอด  ถ้าแหล่งกำเนิดเสียง 2 แหล่ง ที่มีแอมพลิจูด และความถี่เท่ากัน ซึ่งมีเฟสตรงกันหรือต่างกันคงตัว เคลื่อนที่มาซ้อมทับกัน แล้วทำให้เกิดจุดปฏิบัพ (เสียงดัง) และจุดบัพ (เสียงค่อย) สลับกัน

2.3.4. การเลี้ยวเบน นอกจากการหักเหของเสียงที่เกิดขึ้น เมื่อผ่านตัวกลางต่างชนิดกันแล้วยังมีการเลี้ยวเบนได้ การเลี้ยวเบนของเสียงมักจะเกิดพร้อมกับการสะท้อนของเสียง เสียงที่เลี้ยวเบน จะได้ยินค่อยกว่าเดิม เพราะพลังงานของเสียงลดลง และ ในชีวิตประจำวันที่เราพบได้อย่างเสมอ

2.4. เสียงและการได้ยิน

2.4.1. บีตส์ จะเกิดเมื่อเสียง 2 ชุด ที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อย จากแหล่งกำเนิดเสียงประเภทเดียวกันหรือคนละประเภทก็ได้ เคลื่อนที่มาแทรกสอดกันจะเป็นเสียงดังเสียงค่อยสลับกันเป็นจังหวะคงตัว

2.4.2. ความเข้มเสียง คือ กำลังเสียงที่แหล่งกำเนิดเสียงส่งออกไปต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ของหน้าคลื่นวงกลม

เมื่อ  I  แทน  ความเข้มเสียง ตำแหน่งต่างๆ มีหน่วยเป็นวัตต์ต่อตารางเมตร

        P แทน  กำลังเสียงของแหล่งกำเนิดเสียง มีหน่วยเป็นวัตต์

        A แทน  พื้นที่ของหน้าคลื่นทรงกลม มีหน่อยเป็นตารางเมตร

        R แทน  ระยะจากแหล่งกำเนิดเสียถึงตำแหน่งที่ต้องการหาความเข้มเสียง มีหน่วยเป็น เมตร

สิ่งที่ควรรู้

    1. เสียงค่อยที่สุดที่มนุษย์สามารถได้ยินมีความเข้มเสียง 10 กำลัง -12 วัตต์ต่อตารางเมตร

    2. เสียงดังที่สุดที่มนุษย์ปกติสามารถทนฟังได้ โดยไม่เป็นอันตราย มีความเข้มเสียงเป็น 1 วัตต์ต่อตารางเมตร

2.4.3. ระดับความเข้มเสียง คือ ปริมาณที่ใช้บอกความดังเสียง โดยเทียวความเข้มเสียงที่ต้องการวัด กับความเข้มเสียงที่ค่อยที่สุดที่คนปกติได้ยิน

โดย คือความเข้มของเสียง มีหน่วยเป็นเดซิเบล

          I คือความเข้มของเสียง

          I₀ คือความเข้มของเสียงต่ำสุดที่มนุษย์จะได้ยิน คือ 10^-12 วัตต์/ตารางเมตร

2.4.4. ปรากฎการณ์ดอปเพลอร์ และคลื่นกระแทก

      คือ ผู้ฟังได้ยินเสียงที่มีความถี่เปลี่ยนไปจากความถี่ของแหล่งกำเนิดเสียง

    คลื่นกระแทก คือ หน้าคลื่นที่เคลื่อนที่มาเสริมกันในลักษณะที่เป็นคลื่นวงกลมซ้อนเรียงกันไป แหล่งกำเนิดที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากกว่าความเร็วของคลื่นในตัวกลาง

    a. อัตราเร็วแหล่งกำเนิด น้อยกว่า อัตราเร็วของเสียง

    b. อัตราเร็วแหล่งกำเนิด เท่ากับ อัตราเร็วเสียง

    c. อัตราเร็วแหล่งกำเนิด มากกว่า อัตราเร็วเสียง

2.4.5. คุณภาพเสียงและเสียงดนตรี แหล่งกำเนิดเสียงต่างๆขณะสั่น จะให้เสียงซึ่งมี่ความถี่มูลฐานและฮาร์มอนิกต่างๆ ออกมาพร้อมกันเสมอ แต่จำนวนฮาร์มอนิกและความเข้มเสียงจะแตกต่างกันไป จึงจะทำให้ลักษณะของคลื่นเสียงแตกต่างกันสำหรับแต่ละแหล่งกำเนิดที่ต่างกัน โดยจะมีลักษณะเฉพาะตัวที่ต่างกัน