เสียง

ธรรมชาติและสมบัติของเสียง

เสียงเกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุซึ่งส่งผลให้โมเลกุลของตัวกลางเกิดการอัดตัวและขยายตัวแล้วเกิดการ

ถ่ายทอดพลังงานโดยที่อนุภาคตัวกลางสั่นไปมาอยู่ที่เดิม

-เสียงเป็นคลื่นตามยาว

-อาศัยตัวกลาง

-เสียงเป็นคลื่นกล

เมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่ของเสียงแล้ว จะพบว่าเสียงมีลักษณะเป็นคลื่นตามยาวและเนื่องจากการเดินทางของเสียงนั้นต้องอาศัยตัวกลางเสมอ ดังนั้นเสียงจึงมีลักษณะเป็นคลื่นกลด้วย

อัตราเร็วของเสียง

อัตราเร็วของเสียงสามรถหาค่าได้

เมื่อ v คืออัตราเร็ว (เมตร/วินาที)

s คือระยะทางที่เสียงเลื่อนที่ได้ (เมตร)

t คือเวลา (วินาที)

f คือความถี่เสียง (เฮิรตซ์)

λ  คือความยามคลื่น (เมตร)

ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราเร็วของเสียง

1.ความหนาแน่นของตัวกลาง

อัตราเร็วเสียงในตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า

จะมีค่ามากกว่าในตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า

2. อุณหภูมิ 

อัตราเร็วเสียงจะแปรผันตรงกับรากที่ 2 ของอุณหภูมิเคลวิน เพราะเมื่อ

อุณหภูมิสูงขึ้นจะทำให้อนุภาคตัวกลางมีพลังงานจลน์มากขึ้น การอัดตัว

และขยายตัวจะเกิดได้เร็วขึ้น ทำให้เสียงเคลื่อนที่ได้เร็วขึ้น ความสัมพันธ์ ระหว่างอัตราเร็วเสียงกับอุณหภูมิเคลวินคือ V ∝√ T

ในอากาศปกติเราสามารถหาอัตราเร็วเสียงที่อุณหภูมิต่างๆได้จากสมการ

v = 331 +0.6t

เมื่อ v = คืออัตราเร็วเสียงในอากาศ (เมตร/วินาที)

T= คืออุณหภูมิ(•C)

สมบัติของคลื่นเสียง

เสียงเป็นคลื่นชนิดหนึ่ง ดังนั้นเสียงจึงต้องมีสมบัติของคลื่นครบ 4 ประการ ได้แก่ การสะท้อน

ได้ การหักเหได้ การแทรกสอดได้ และการเลี้ยวเบนได้

1. การสะท้อนได้ของเสียง

เมื่อเสียงไปตกกระทบวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่นเสียง เสียงจะสะท้อนออกจากวัตถุนั้นได้

สิ่งที่ควรทราบเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสะท้อนเสียง

1) วัตถุจะสะท้อนเสียงออกมาได้นั้นต้องมีขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่นเสียง หากวัตถุมีขนาดเล็กกว่า

ความยาวคลื่นเสียง เมื่อเสียงตกกระทบจะเลี้ยวอ้อมไปทางอื่นถอนออกมา

2)หากมีเสียงสะท้อนจากหลายแหล่งมาถึงผู้ฟังในช่วงเวลาที่ต่างกันมากกว่า 0.1 วินาทีจะทำให้หากมี เสียงสะท้อนจากหลายแหล่งมาถึงหูฟังในช่วงเวลาที่ต่างกันมากกว่า 0.1 วินาทีจะทำให้ได้ยินเสียงสะท้อนหลายเสียงเรียกว่าเกิดเสียงก้อง

งแสง

2. การหักเหของแสง

เมื่อคลื่นเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งซึ่งมีความหนาแน่นไม่เท่ากันจะทำให้อัตราเร็ว

 ( v ) แอมพลิจูด ( A ) และความยาวคลื่น ( λ ) เปลี่ยนไป แต่ความถี่ ( f ) จะคงเดิมในกรณีที่คลื่นเสียงตกกระทบตกกระทบเอียงทำมุมกับแนวรอยต่อตัวกลางคลื่นเสียงที่จะทะลุลงไปในตัวกลางที่ 2 จะไม่ทะลุลงไปในแนวเส้นตรงเดิม แต่จะมีการเบี่ยงเบนไปจากแนวเดิมเล็กน้อยดังรูป ปราฟฎการณ์เช่นนี้เรียกว่าเกิดการหักเหของคลื่นเสียง

3. การเลี้ยวเบนของเสียง

เมื่อคลื่นเสีบงลอดผ่านช่องแคบไป คลื่นส่วนที่ลอดไปหลังช่องแคบจะสร้างคลื่นลูกใหม่หลังช่องแคบนั้น และคลื่นที่เกิดใหม่จะสามารถเลี้ยวกระจายออกไปทั้งด้านซ้ายและขวาของแนวคลื่นที่ลอดไปนั้น ปรากฎการณ์นี้จึงเรียกเป็นการเลี้ยวเบนได้ของคลื่นเสียง

           การเลี้ยวเบนจะเกิดได้ดี เมื่อช่องแคบมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่น หรือความยาวคลื่นต้องใหญ่กว่าช่องแคบ

4. การแทรกสอดของเสียง

ห่างกันขนาดหนึ่งแล้วส่ง คลื่นเสียง ที่มีลักษณะเหมือนกันทุกประการ (คลื่นอาพันธ์) ออกมาพร้อมกัน คลื่นเสียงทั้งสองนั้นจะเข้า

มาแทรกสอดกันโดยจะมีแนวคลื่นเสียงทั้งสองจะเข้ามาเสริมกันทำให้มีเสียงดังมากกว่า

ปกติ เรียกแนวนี้ว่าแนวปฏิบัพ (Antinode,A) ซึ่งจะมีอยู่หลายแนวกระจายออกไปทั้งทาง

ด้านซ้ายและด้านขวาอย่างสมมาตรกัน แนวปฏิบัพที่อยู่ตรงกลางเราจะเรียกปฏิบัพที่ 0

(A0) ถัดออกไปจะเรียกแนวปฏิบัพที่ 1 (A1), 2(A2),3(A3),… ไปเรื่อยๆทั้งทางด้านซ้าย

และด้านขวาดังรูป

ระหว่างกลางแนวปฏิบัพ คลื่นเสียงทั้งสองจะเกิดการหักล้างกันทำให้เสียงเบากกว่าปกติ เรียกแนวนี้ว่าเป็นแนวบัพ (Node,N) แนวบัพแรกที่อยู่ถัดจากแนวปฏิบัพกลาง (A0) แนว

บัพที่ 1 (N1) ถัดออกไปจะเรียกแนวบัพที่ 2(N2) ,3(N3) ,…ไปเรื่อยๆทั้งทางด้านซ้ายและ

ด้านขวาดังรูป

ความเข้มเสียง ความเข้มเสียง (I) คือกำลังเสียงส่งออกไปหนึ่งหน่วยพื้นที่ 

เขียนเป็นสมการจะได้I ∝ P, I∝1/A

 I = P/A

เมื่อ I คือความเข้มเสียง (วัตต์/ตารางเมตร)

P คือกำลังเสียง (วัตต์)

A คือพื้นที่ (ตารางเมตร)

ปกติแล้วนั้น เสียงที่ออกมาจากจุดกำเนิดจะมีลักษณะแผ่ออกเป็นทรงกลมคล้ายลูกบอลกว้างออกไป

เรื่อยๆดังรูป

และนอกจากพื้นที่ผิวทรงกลมจะหาค่าได้จากสมการ

A = 4πR2

ดังนั้นสมการหาความเข้มเสียงจึงสามารถเปลี่ยนเป็น

P/4πR2

เมื่อ I คือความเข้มเสียง (วัตต์/ตารางเมตร)

P คือกำลังเสียง (วัตต์)

R คือระยะห่างจากจุดกำเนิดเสียงถึงผู้ฟัง (รัศมีวงกลม) (เมตร)

***ความเข้มเสียงสูงสุดที่หูคนเราทนฟังได้มีค่าเท่ากับ 1 วัตต์/ตารางเมตร

ความเข้มเสียงต่ำสุดที่หูคนเรายังคงได้ยิน (I0) มีค่าเท่ากับ 10 -12 วัตต์/ตารางเมตร

ความเข้มสัมพัทธ์ คืออัตราส่วนของความเข้มเสียงที่จุดใดๆหารด้วย I 0

**ดังนั้น ความเข้มสัมพัทธ์ = I/I ; I0 = 10 -12 w/m2

ข้มเสียง

2.ระดับความเข้มเสียง

เนื่องจากค่าความเข้มเสียง (I) ปกติจะมีค่าน้อยมาก เราจึงนิยมเปลี่ยนให้อยู่ในรูปที่ดูง่าย

ขึ้นคือ รูปของระดับความเข้มเสียง (β ) วิธีการเปลี่ยนจะใช้สมการ

β = 10 log I/10 -12

เมื่อ  βคือระดับความเข้มเสียง (เดซิเบล ,dB)

I คือความเข้มเสียง (วัตต์/ตารางเมตร)

**หมายเหตุ 1. log 10 = 1 ; log n = 1

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

3. log x = log y ก็ต่อเมื่อ x=y *ถอดค่าlog

4. log xy = log x + log y

5. log x = log x - log y

เสียงดนตรี 

1.ความดัง เบา และระดับสูงต่ำของเสียง

ความดังหรือเบาของเสียงขึ้นกับแอมพลิจูดของคลื่นเสียง

ถ้าคลื่นเสียงมีแอมพลิจูดสูง เสียงจะดัง

ถ้าคลื่นเสียงมีแอมพลิจูดต่ำ เสียงจะเบา

ระดับความสูงต่ำ หรือทุ้มแหลมของเสียงจพขึ้นกับความถี่ของคลื่นเสียง

ถ้าคลื่นเสียงมีความถี่สูง เสียงจะแหลม เรียกเสียงระดับเสียงสูง

ถ้าคลื่นเสียงมีความถี่ต่ำ เสียงจะทุ้ม เรียกเสียงระดับเสียงต่ำ

** ช่วงความถี่ของเสียงที่หูคนปกติจะได้ยินคือช่วง 20-20000 เฮิรตซ์เท่านั้นเสียงที่มีความถี่ต่ำกว่า 20เฮิรตซ์ ลงไปเรียกคลื่นใต้เสียงเสียงที่มีความถี่สูงกว่า 20000 เฮิรตซ์ ขึ้นไปเรียกคลื่นเหนือเสียง

**หูคนปกติจะไม่ได้ยินเสรยงพวกนี้**

พเสียง

2. คุณภาพเสียง

ขณะที่เราฟังเสียงเครื่องดนตรีหลายชนิด เช่นขลุ่ย เปียโน ซึ่งเล่นโน้ตตัวเดียวกันพร้อมๆกัน แต่เราสามารถแยกออกได้ว่าเสียงใดเป็นเสียงขลุ่ย เสียงใดเป็นเสียงเปียโน ทั้งนี้เพราะเสียงทั้งสองจะมีลักษณะที่ต่างกัน กล่าวคือเสียงแต่ละเสียงจะมี Higher Hamonic (เสียงตัวโน้ตชั้นสูงถัดๆไป) และความเข้มของสัมพัทธ์ของแต่ละ Hamonic ไม่เท่ากัน จึงทำให้เสียงแต่ละเสียงมีลักษณะโดยรวมต่างกันไป ลักษณะของเสียงเช่นนี้เราเรียกคุณภาพเสียง

การบีต และคลื่นนิ่งของเสียง

1. การบีตเสียง

เมื่อมีคลื่นเสียง 2 คลื่น ซึ่งมีความถี่ต่างกันเล็กน้อยเข้ามาปนกัน คลื่นทั้งสองจะเกิดการแทรกสอด

กันเอง แล้วจะได้คลื่นรวมที่มีแอมพลิจูดสูงต่ำสลับกันไป เสียงที่เกิดจากคลื่นรวมจะมีลักษณะดังสลับ

เบา ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่าการบีตของเสียง (beats)

จำนวนครั้งที่เสียงดังใน 1 หน่วยเวลาเรียกความถีบีต ซึ่งหาค่าจาก

fb = | f1 - f2 |

เมื่อ คือความถี่บีต (เฮิรตซ์)

คือความถี่เสียงที่ 1 (เฮิรตซ์)

คือความถี่เสียงที่ 2 (เฮิรตซ์)

ปกติแล้วหูคนเราจะได้ยินเสียงบีตที่มีความถี่ไม่เกิน 7 เฮิรตซ์

2. คลื่นนิ่งของเสียง

คลื่นนิ่งของเสียง เป็นปรากฎการณ์แทรกสอดของคลื่นเสียงที่ตกกระทบ กับคลื่นเสียงที่สะท้อนจากตัวกลาง ทำให้เกิดตำแหน่งเสียงดังและเสียงค่อยสลับกันไป

ตำแหน่งเสียงดัง เรียกว่าปฏิบัพ (A)

ตำแหน่งเสียงค่อย เรียกว่าบัพ (N)

การบีต และคลื่นนิ่งของเสียง

1.ความถี่ธรรมชาติ และการสั่นพ้อง

เมื่อวัตถุถูกกระทบกระเทือน โดยทัวไปแล้ววัตถุจะเกิดการสั่นสะเทือนด้วยความถี่เฉพาะตัวค่าหนึ่ง เรียกความถี่นี้ว่าความถี่ธรรมชาติ( natural frequency )ของวัตถุนั้น เช่นลูกตุ้มที่ แขวนติดกับสายแกว่งเมื่อถูกกระทบก็จะแกว่งไปมาด้วยความถี่ธรรมชาติของลูกตุ้มนั้นและเมื่อวัตถุนั้นถูกแรงภายนอกมากกระทำอยางต่อเนื่องด้วยความถี่เท่ากบความถี่ธรรมชาติของวัตถุ จะทำให้วัตถุเกิดการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรง เราเรียกปรากฏการณ์การสั่นอย่างรุนแรงเนื่องจากเหตุเช่นนี้ว่าเป็นการสั่นพ้อง ( Resonance )

2. การสั่นพ้องเสียงในอากาศ

เมื่อเราส่งคลื่นเสียงเข้าไปในท่อปลายตัน เสียงที่ส่งเข้าไปนั้นจะไปกระทบผนังด้านในแล้วสะท้อนออกมา และเข้ามาแทรกสอดกบคลื่นที่เข้าไปเกิดเป็นคลื่นนิ่งและหากตรงตำแหน่งปากท่ออยู่ ตรงกับแนวปฏิบัพของคลื่นนิ่งนั้น จะทำให้โมเลกุลตัวกลาง(อากาศ) สั่นสะเทือนอย่างรุนแรงทำให้เสียงที่ออกมาจากท่อนั้นดังกว่าปกติปรากฏการณ์ที่มีเสียงดังอันเกิดจากอนุภาคตัวกลางสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงเช่นนี้ เรียกว่า การสั่นพ้องของเสียง 

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ และคลื่นกระแทก

1.ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์

เป็นปรากฏการณ์มีการเปลี่ยนแปลงระดับเสียง (ความถี่ของเสียง) เมื่อแหล่งกาเนิดและผู้สังเกต

เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสัมพัทธ์ต่อกัน

กรณีที่ 1 หากแหล่งกำเนิดเสียงพุ่งเข้าหาผู้ฟังที่อยู่นิ่งเช่นผู้ฟังยืนอยู่หน้ารถแล้วฟังเสียงรถที่พุ่งเข้า

มาหาตัวผู้ฟังเสียงรถที่มาถึงผู้ฟังจะถูกกดดันทำให้ความยาวคลื่น (λ ) ของเสียงลดลงความถี่ (f ) ของ

เสียงเพิ่มขึ้นทำให้ผู้ฟังได้ยินเสียงที่แหลมกวาปกติ

กรณีที่ 2 หากแหล่งกาเนิดเสียงเคลื่อนห่างออกจากผู้ฟังที่อยู่นิ่งเช่นผู้ฟังยืนอยู่หลังรถแล้วฟังเสียง

รถที่เคลื่อนห่างออกจากตัวผู้ฟัง เสียงรถที่มาถึงผู้ฟังจะถูกลากออกไปทำให้ความ

ยาวคลื่น (λ ) ของเสียงมากขึ้น ความถี่ (f )ของเสียงลดลง ทำให้ผู้ฟังได้ยินเสียงที่ทุ้มกวาปกติ 

กรณีที่ 3 หากผู้ฟังเคลื่อนห่างออกไปจากแหล่งกำเนิดเสียงที่อยู่นิ่งเสียงที่มาถึงผู้ฟังจะ

ถูกลากออกไปทำให้ความยาวคลื่น ( λ) ของเสียงมากขึ้น ความถี่ (f )ของเสียงลดลงทำให้ผู้ฟัง

ได้ยินเสียงที่ทุ้มกวาปกติ

กรณีที่ 4 หากผู้ฟังเคลื่อนเข้าหาแหล่งกำเนิดเสียงที่อยู่นิ่งเสียงที่มาถึงผู้ฟังจะถูกกดดัน

เข้าทำให้ความยาวคลื่น ( λ) ของเสียงลดลง ความถี่ (f ) ของเสียงมากขึ้น ทำให้ผู้ฟังได้ยินเสียง

ที่แหลมกวาปกติ 

กรณีที่ 5 หากแหล่งกาเนิดเสียงเคลื่อนที่เข้าหาผู้ฟังที่ก าลังเคลื่อนที่ หากความเร็วแหล่งกำเนิดเสียงมากกว่าผู้ฟังเสียงที่มาถึงผู้ฟังจะถูกกดดันเข้าทำให้ความ

ยาวคลื่น(λ ) ของเสียงลดลง ความถี่ (f )ของเสียงมากขึ้นทำให้ผู้ฟังได้ยินเสียงที่แหลมกว่าปกติหาก

ความเร็วแหล่งกำเนิดเสียงน้อยกว่าผู้ฟังเสียงที่มาถึงผู้ฟังจะถูกลากออกทำให้ความ

ยาวคลื่น ( λ) ของเสียงเพิ่มขึ้น ความถี่ (f )ของเสียงลดลง ทำให้ผู้ฟังได้ยินเสียงที่ทุ้มกวาปกติ

 2. คลื่นกระแทก

ถ้าแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่เร็วกว่าเสียงจะทำให้แหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนทะลุออกจากคลื่นเสียงที่กระจายออกไปและคลื่นเสียงที่เกิดจากแหล่งกำเนิดในเวลาต่อๆมาจะทะลุทะลวงออกจากคลื่นเสียงที่เกิดในตอนก่อนหน้า ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่าคลื่นกระแทก ( Sonic boom ) ซึ่งจะทำให้เกิดเสียงดังมากเหมือนเสียงระเบิด และเกิดแรงดันขึ้นอย่างมหาศาลเช่นในกรณีที่เครื่องไอพ่นบินด้วยความเร็วมากกว่าเสียงแรงดันที่เกิดขึ้นนี้อาจทำให้กระจกแตก