น.ส.ภาฤดี ดอนน้อย ม.6/3 เลขที่ 23

 

เสียง

ธรรมชาติและสมบัติของเสียง

เสียงเกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุซึ่งส่งผลให้โมเลกุลของตัวกลางเกิดการอัดตัวและขยายตัวแล้วเกิด

การถ่ายทอดพลังงานไปโดยที่อนุภาคตัวกลางสั่นไปมาอยู่ที่เดิม เมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่ของเสียงแล้ว จะพบว่าเสียงมีลักษณะเป็นคลื่นตามยาว และเนื่องจากการเดินทางของเสียงนั้นต้องอาศัยด้วยตัวกลางเสมอ ดังนั้นเสียงจึงต้องมีลักษณะเป็นคลื่นกลด้วย

อัตราเร็วของเสียง

ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราเร็วเสียง

1.ความหนาแน่นของตัวกลาง

อัตราเร็วเสียงในตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า จะมีค่ามากกว่าในตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า

2.อุณหภูมิ

อัตราเร็วเสียงจะแปรผันตรงกับรากที่ 2

ของอุณหภูมิเคลวิน เพราะเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจะทำให้อนุภาคตัวกลางมีพลังงานจลน์มากขึ้น การอัดตัวและขยายตัวจะเกิดได้เร็วขึ้น ทำให้เสียงเคลื่อนที่ได้เร็วขึ้น ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วเสียงกับอุณหภูมิเคลวิน คือ

สมบัติของคลื่นเสียง

ดังได้กล่าวไปแล้วว่า เสียงเป็นคลื่นชนิดหนึ่ง ดังนั้นเสียงจึงต้องมีสมบัติของคลื่นครบ 4 ประการ
ได้เแก่ การสะท้อนได้ การหักเหได้ การแทรกสอดได้ และการเลี้ยงเบนได้

การสะท้อนของเสียง

เมื่อเสียงไปตกกระทบวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่าความ ยาวคลื่นเสียง เสียงจะสะท้อนออกจากวัตถุนั้นได้

สิ่งควรทราบเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสะท้อนเสียง

1 ) วัตถุที่จะสะท้อนเสียงออกมาได้นั้นต้องมีขนาด ใหญ่กว่าความยาวคลื่นเสียง หากวัตถุมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นเสียง เมื่อเสียงตกกระทบจะเลี้ยวอ้อมไป ทางอื่นไม่สะท้อนออกมา

2 ) หากมีเสียงสะท้อนจากหลายแหล่งมาถึงผู้ฟังในช่วงเวลาที่ต่างกันมากกว่า 0.1 วินาที จะทำให้ได้ยินเสียงสะท้อนหลายเสียงเรียกว่าเกิดเสียงก้อง

การหักเหของเสียง

เมื่อคลื่นเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลางหน่ึงไปยังอีกตัวกลางหน่ึง ซึ่งมีความหนาแน่นไม่ เท่ากัน จะทำให้อตั ราเร็ว ( v ) แอมพลิจูด (A) และความยาวคลื่น (λ) เปลี่ยนไป แต่ความถี่ ( f ) จะคงเดิม ในกรณีที่คลื่นเสียงตกกระทบตกกระทบเอียงทามุมกับแนวรอยต่อตัวกลาง คลื่น เสียงที่ทะลุลงไปในตัวกลางที่ 2 จะไม่ทะลุลงไปในแนวเส้นตรงเดิม แต่จะมีการเบี่ยงเบนไป จากแนวเดิมเล็กน้อยดังรูปปรากฏการณ์เช่นน้ีเรียกว่าเกิดการหักเหของคลื่นเสียง

การเลยี้วเบนของเสียง

เมื่อคลื่นเสียงลอดผ่านช่องแคบไป คลื่นส่วนที่ลอดไป หลงัช่องแคบจะสร้างคลื่นลูกใหม่หลังช่องแคบนั้นและคลื่น ท่ีเกิดใหม่จะสามารถเลี้ยวกระจายออกไปทั้งด้านซ้ายและขวา ของแนวคลื่นที่ลอดไปนั้นปรากฏการณ์น้ีจึงเรียกเป็นการ เลี้ยวเบนได้ของคลื่นเสียง

การเลี้ยวเบนจะเกิดได้ดีเมื่อช่องแคบมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นหรือความยาวคลื่นต้องใหญ่กว่าช่องแคบนั่นเอง

การแทรกสอดของเสียง

หากเราวางแหล่งกำเนิดเสียง 2แหล่ง ( S1 , S2 ) ห่างกัน ขนาดหน่ึงแล้วส่ง คลื่นเสียง ท่ีมีลักษณะเหมือนกันทุกประการ(คลื่นอาพันธ์)ออกมาพร้อมกันคลื่นเสียงทั้งสองนั้นจะเข้ามาแทรกสอดกันโดยจะมีแนวบางแนวคลื่นเสียง

ทั้งสองจะเข้ามาเสริมกันทำให้เสียงดังมากกว่าปกติ เรียกแนวนี้ว่าแนวปฏิบัพ (Antinode , A)ซึ่งจะมีอยู่หลายแนวกระจายออกไปทั้งทางด้านซ้ายและด้านขวาอย่างสมมาตรกันแนวปฏิบัพที่อยู่ตรงกลางเราจะเรียกเป็นปฏิบัพที่0(A0)ถัดออกไปจะเรียกแนวปฏิบัพท่ี1(A1),2(A2), 3(A3),....ไปเรื่อยๆทั้งทางด้านซ้ายและด้านขวาดังรูป

ระหว่างกลางแนวปฏิบัพคลื่นเสียงทั้งสองจะเกิดการหักล้างกันทำให้เสียงเบากว่าปกติ เรียกแนวน้ีว่าเป็นแนวบัพ(Node,N)แนวบพัแรกท่ีอยู่ถัดจากแนวปฏิบัพกลาง(A0)จะเรียก แนวบัพที่1(N1)ถัดออกไปจะเรียกแนวบัพที่2(N2),3(N3),.....ไปเรื่อยๆทั้งทางด้านซ้ายและด้านขวาดังรูป

สูตรที่ใชค้านวณเก่ียวกบัการแทรกสอดคลื่น 

สำหรับแนวปฎิบัพลำดับที่ n (An) 

 |S1P – S2P |= n λ

d sinθ = n λ

ความเข้มเสียง

ความเข้มเสียง(I)คือกำลังเสียงท่ีแหล่งกำเนิดเสียงส่งออกไปต่อหน่ึงหน่วยพื้นที่ เขียนเป็นสมการจะได้

 I = P/A

เมื่อIคือความเขม้เสียง(วัตต์/ตารางเมตร) 

      Pคือกาลงัเสียง(วัตต์)

     A คือพื้นที่ ( ตารางเมตร )

ปกติแล้วนั้น เสียงที่ออกมาจากจุดกำเนิดจะมีลักษณะแผ่ออกเป็นทรงกลมคล้ายลูกบอล กว้างออกไปเรื่อยๆ ดังรูป

และเนื่องจากพื้นที่ผิวทรงกลมจะหาค่าไดจ้ากสมการ A = 4R2

ดังนั้นสมการหาความเข้มเสียงจึงสามารถเปลี่ยนเป็น

I = P / 24R2

เมื่อIคือความเข้มเสียง(วัตต์/ตารางเมตร) 

      Pคือกาลงัเสียง(วัตต์)

      R คือระยะห่างจากจุดกำเนิดเสียงถึงผู้ฟัง ( รัศมีวงกลม ) ( เมตร )

ระดับเสียง

เนื่องจากค่าความเข้มเสียง ( I ) ปกติจะมีค่าน้อยมาก เราจึงนิยมเปลี่ยนให้อยู่ในรูปที่ดูง่าย ข้ึนคือรูปของระดับเสียง()วิธีการเปลี่ยนจะใช้สมการ

เมื่อคือระดับเสียง(เดซิเบล,dB)

     Iคือความเขม้เสียง(วัตต์/ตารางเมตร)

หมายเหตุ

1. log 10 = 1

2. log Mx = x log M เช่น log 105 = 5 log 10 = 5 ( 1 ) = 5 

3. log x = log y ก็ต่อเมื่อ x = y

ความดัง เบา และระดับสูงต่าของเสียง

ความดังหรือเบาของเสียงข้ึนกับแอมพลิจูดของคลื่นเสียง ถ้าคลื่นเสียงมีแอมพลิจูดสูง เสียงจะดัง ถ้าคลื่นเสียงมีแอมพลิจูดต่ำ เสียงจะเบาระดับความสูงต่ำหรือทุ้มแหลมของเสียง จะข้ึนกับความถี่ของคลื่นเสียง

ถ้าคลื่นเสียงมีความถี่สูงเสียงจะแหลมเรียกระดับเสียงสูง

ถ้าคลื่นเสียงมีความถี่ต่ำเสียงจะทุ้ม เรียกระดับเสียงต่ำช่วงความถี่ของเสียงท่ีหูคนปกติจะได้ยินคือช่วง20–20000เฮิรตซ์เท่านั้น

เสียงที่มีความถี่ต่ากว่า20 เฮิรตซ์ ลงไปเรียกคลื่นใต้เสียง ( Infrasonic wave ) เสียงที่มีความถี่สูงกว่า20000เฮิรตซ์ข้ึนไปเรียกคลื่นเหนือเสียง(Ultrasonicwave) หูคนปกติจะไม่ได้ยินเสียงพวกน้ี

ข้อควรทราบเกี่ยวกับความถี่เสียงของตัวโน้ตดนตรี

จากโน้ตโด ไปสู่โน้ตโด/จะนับได้8ตัวโน๊ตพอดีดังนั้นโน้ตโดกับ โด/จึงเรียกเป็น คู่แปดซึ่งกันและกันสำหรับโน้ตโด//,โด///, โด//// ถัด ๆ ไปจะเรียกเป็น2 คู่แปด , 3 คู่แปด และ 4 คู่แปด ตามลำดับ

เมื่อตัวโน๊ตสูงข้ึนไปทุกๆคู่แปดความถี่ของคลื่นเสียงจะเพิ่มข้ึนเป็น2เท่าตัวเสมอ

คุณภาพเสียง

ขณะที่เราฟังเสียงเครื่องดนตรีหลายชนิดเช่นขลุ่ยเปียโนซึ่งเล่นโน้ตตัวเดียวกันพร้อมๆ กันแต่เรายังสามารถแยกออกได้ว่าเสียงใดเป็นเสียงขลุ่ย เสียงใดเป็นเสียงเปียโน ทั้งน้ีเพราะ เสียงทั้งสองจะมีลักษณะที่ต่างกันกล่าวคือเสียงแต่ละเสียงจะมีHigherHamonic(เสียงตัวโน๊ต ชั้นสูงถัดๆไป)และความเข้มสัมพันธ์ของแต่ละHamonicไม่เท่ากันจึงทำให้เสียงแต่ละ เสียงมีลักษณะโดยรวมต่างกันไปลักษณะของเสียงเช่นน้ีเราเรียกคุณภาพเสียง

การบีตเสียง

เมื่อมีคลื่นเสียง2คลื่นซึ่งมีความถี่ต่างกันเล็กน้อยเข้ามาปนกันคลื่นทั้งสองจะเกิด การแทรกสอดกันเองแล้วจะได้คลื่นรวมท่ีมีแอมพลิจูดสูงต่ำสลับกันไปเสียงที่เกิดจากคลื่นรวม จะมีลักษณะดังสลับกับเบา ปรากฏการณ์ที่เกิดข้ึนน้ีเรียกว่าการบีตของเสียง ( beats )

คลื่นนิ่งของเสียง

เป็นปรากฏการณ์แทรกสอดของคลื่นเสียงที่ตกกระทบกับคลื่นเสียง

ที่สะท้อนจากตัวกลางทำให้เกิดตำแหน่งเสียงดังและเสียงค่อยสลับกันไป

ตำแหน่งเสียงดัง เรียกว่า ปฏิบัพ (A) 

ตำแหน่งเสียงค่อย เรียกว่า บัพ (N)

ควรทราบ

1) คลื่นนิ่งจะเกิดได้ก็ต่อเมื่อ มีคลื่น 2 คลื่นซึ่งมีความถี่ ความยาวคลื่น แอมพลิจูด เท่ากันแต่ เคลื่อนที่สวนทางกันเข้ามาแทรกสอดกัน

2)แนวปฏิบัพ(A)2แนวที่อยู่ถัดกันจะห่างกัน= λ/2 

   แนวบัพ ( N ) 2 แนวที่อยู่ถัดกันจะห่างกัน = λ/2 AA

   แนวปฏิบัพ (A) และแนวบัพ ( N ) ท่ีอยู่ถัดกันจะห่างกัน = λ/4

ความถี่ธรรมชาติ และการสั่นพ้อง

เมื่อวัตถุถูกกระทบกระเทือนโดยทั่วไปแล้ววัตถุจะเกิดการสั่นสะเทือนด้วยความถี่เฉพาะตัวค่าหน่ึง เรียกความถี่น้ีว่าความถี่ธรรมชาติ ( natural frequency ) ของวัตถุน้ัน เช่นลูกตุ้มท่ี แขวนติดกับสายแกว่ง เมื่อถูกกระทบก็จะแกว่งไปมาด้วยความถี่ธรรมชาติของลูกตุ้มนั้น

และเมื่อวัตถุนั้นถูกแรงภายนอกมากกระทาอย่างต่อเนื่องด้วยความถี่เท่ากับความถี่ธรรม ชาติของวัตถุ จะทำให้วัตถุเกิดการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรง เราเรียกปรากฏการณ์การสั่นอย่าง รุนแรงเนื่องจากเหตุเช่นน้ีว่าเป็นการสั่นพ้อง ( Resonance )

การสั่นพ้องของเสียงในอากาศ

เมื่อเราส่งคลื่นเสียงเข้าไปในท่อปลายตันเสียงที่ส่งเข้าไปนั้นจะไปกระทบผนังด้านในแล้วสะท้อนออกมาและเข้ามาแทรกสอดกับคลื่นท่ีเข้าไปเกิดเป็นคลื่นนิ่ง และหากตรงตำแหน่งปากท่ออยู่ตรงกับแนวปฏิบัพ

ของคลื่นนิ่งนั้นจะทำให้โมเลกุลตัวกลาง(อากาศ)สั่นสะเทือนอย่างรุนแรงทำให้เสียงที่ออกมาจากท่อนั้นดังกว่าปกติ ปรากฏการณ์ที่มีเสียงดังอันเกิดจากอนุภาคตัวกลางสั่นสะเทือน

อย่างรุนแรงเช่นน้ี เรียกว่าการสั่นพ้องของเสียง

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ 

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์เป็นปรากฏการณ์มีการเปลี่ยนแปลงระดับเสียง(ความถี่ของ

เสียง)เมื่อแหล่งกำเนิดและผู้สังเกตเคลื่อนท่ีด้วยความเร็วสัมพันธ์ต่อกัน

กรณีที่1หากแหล่งกำเนิดเสียงพุ่งเข้าหาผู้ฟังท่ีอยู่นิ่งเช่นผู้ฟังยืนอญุ่หน้ารถแล้วฟังเสียง

รถท่ีพุ่งเข้ามาหาตัวผู้ฟังเสียงรถที่มาถึงผู้ฟังจะถูกกดดันทำให้ความยาวคลื่น(λ)ของเสียงลดลง ความถี่(f)ของเสียงเพิม่ข้ึนทาใหผู้ฟังได้ยินเสียงที่แหลมกว่าปกติ

กรณีที่2หากแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนห่างออกจากผู้ฟังท่ีอยู่นิ่งเช่นผู้ฟังยืนอยู่หลังรถแล้วฟังเสียงรถท่ีเคลื่อนห่างออกจากตัวผู้ฟังเสียงรถที่มาถึงผู้ฟังงจะถูกลากออกไปทำให้ความ ยาวคลื่น(λ)ของเสียงมากข้ึนความถี่(f)ของเสียงลดลงทำให้ผู้ฟังได้ยินเสียงที่ทุ้มกว่าปกติ

กรณีที่ 3 หากผู้ฟังเคลื่อนห่างออกไปจากแหล่งกำเนิดเสียงท่ีอยู่นิ่ง เสียงที่มาถึงผู้ฟังจะ ถูกลากออกไปทำให้ความยาวคลื่น(λ)ของเสียงมากข้ึนความถี่(f)ของเสียงลดลงทำให้ผู้ฟัง

ได้ยินเสียงที่ทุ้มกว่าปกติ

กรณีท่ี4หากผู้ฟังเคลื่อนเข้าหาแหล่งกำเนิดเสียงท่ีอยู่นิ่งเสียงท่ีมาถึงผู้ฟังจะถูกกดดันเข้าทำให้ความยาวคลื่น(λ)ของเสียงลดลงความถี่(f)ของเสียงมากข้ึนทำให้ผู้ฟังได้ยินเสียง ที่แหลมกว่าปกติ

กรณีที่5หากแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่เข้าหาผู้ฟังที่กำลังเคลื่อนที่ หากความเร็วแหล่งกำเนิดเสียงมากกว่าผู้ฟังเสียงที่มาถึงผู้ฟังจะถูกกดดันเข้าทำให้ความ

ยาวคลื่น(λ)ของเสียงลดลงความถี่(f)ของเสียงมากข้ึนทำให้ผู้ฟังได้ยินเสียงที่แหลมกว่าปกติ หากความเร็วแหล่งกำเนิดเสียงน้อยกว่าผู้ฟังเสียงที่มาถึงผู้ฟังจะถูกลากออกทาให้ความยาวคลื่น(λ)ของเสียงเพิ่มข้ึนความถี่(f)ของเสียงลดลงทำให้ผู้ฟังได้ยินเสียงที่ทุ้มกว่าปกติ

คลื่นกระแทก

ถ้าแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่เร็วกว่าเสียงจะทำให้หล่งแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนทะลุออก

จากคลื่นเสียงที่กระจายออกไป และคลื่นเสียงที่เกิดจากแหล่งกำเนิดในเวลาต่อๆ มา จะทะลุทะลวงออกจากคลื่นเสียงที่เกิดในตอนก่อนหน้าดังแสดงในรูป ปรากฏการณ์ที่เกิดข้ึนน้ี เรียกว่าคลื่นนกระแทก(Sonicboom)ซึ่งจะทำให้เกิดเสียงดังมากเหมือนเสียงระเบิดและเกิด แรงดันข้ึนอย่างมหาศาล เช่นในกรณีที่เครื่องไอพ่นบินด้วยความเร็วมากกว่าเสียงแรงดันที่ เกิดข้ึนน้ีอาจทำให้กระจกหน้าแตกได้