Physics M.5 | Sound (เสียง)

เสียง ♬

1.ธรรมชาติและสมบัติของเสียง ⋆

เสียงเกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุซึ่งส่งผลให้โมเลกุลของตัวกลางเกิดการอัดตัวและขยายตัวแล้วเกิดการถ่ายทอดพลังงานไปโดยที่อนุภาคตัวกลางสั่นไปมาอยู่ที่เดิม

 

เมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่ของเสียงแล้วจะพบว่าเสียงมีลักษณะเป็นคลื่นตามยาวและเนื่องจากการเดินทางของเสียงนั้นต้องอาศัยตัวกลางเสมอ ดังนั้นเสียงจึงมีลักษณะเป็นคลื่นกลด้วย

 

2.อัตราเร็วของเสียง ⋆

 อัตราเร็วเสียงสามารถหาค่าได้จาก  

ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราเร็วเสียง  

 1.ความหนาแน่นของตัวกลาง

 อัตราเร็วเสียงในตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่าจะมีค่ามากกว่าในตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกวาา

 2.อุณหภูมิ

อัตราเร็วเสียงจะแปรผันตรงกับรากที่ 2 ของอุณหภูมิเคลวิน เพราะอุณหภูมิสูงขึ้นจะทําให้โมเลกุล มีพลังงานจลน์มากขึ้น การอัดตัวและขยายตัวเร็ว ทําให้สียงเคลื่อนที่ได้เร็วขึ้น

และสําหรับในอากาศนั้น เราสามารถหาอัตราเร็วเสียงที่อุณหภูมิต่างๆได้ โดยอาศัยสมการ

3.สมบัติของคลื่นเสียง ⋆

ดังได้กล่าวไปแล้วว่า เสียงเป็นคลื่นชนิดหนึ่ง ดังนั้นเสียงจึงต้องมีสมบัติของคลื่น
ครบ 4 ประการ ได้แก่ การสะท้อนได้ การหักเหได้ การแทรกสอดได้ และการเลี้ยวเบนได้

 1.การสะท้อนได้ของเสียง

เมื่อเสียงไปตกกระทบวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่นเสียง เสียงจะสะท้อน ออกจากวัตถุนั้นได้

 

 สิ่งควรทราบเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสะท้อนเสียง

1)วัตถุที่จะสะท้อนเสียงออกมาได้นั้นต้องมีขนาดใหญ่กวาความยาวคลื่นเสียง หากวัตถุมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นเสียง เมื่อเสียงตกกระทบจะเลี้ยวอ้อมไปทางอื่น ไม่สะท้อนออกมา

2)หากมีเสียงสะท้อนจากหลายแหล่งมาถึงผู้ฟังในช่วงเวลาที่ต่างกันมากกว่า 0.1วินาที

จะทำให้ได้ยินเสียงสะท้อนหลายเสียง เรียกว่าเกิดเสียงกอง

2.การหักเหของเสียง

เมื่อคลื่นเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง ซึ่งมีความหนาแน่นไม่เท่ากัน จะทำให้อัตราเร็ว ( v ) แอมพลิจูด(A) และความยาวคลื่น (λ) เปลี่ยนไป แต่ความถี่ ( f )จะคงเดิม ในกรณีที่คลื่นเสียงตกกระทบตกกระทบเอียงทำมุมกับแนวรอยต่อตัวกลาง คลื่นเสียงที่ทะลุลงไปในตัวกลางที่ 2 จะไม่ทะลุลงไปในแนวเส้นตรงเดิม แต่จะมีการเบี่ยงเบนไปจากแนวเดิมเล็กน้อยดังรูป ปรากฏการณ์เช่นนี้เรียกว่าเกิดการหักเหของคลื่นเสียง

3.การเลี้ยวเบนของเสียง

เมื่อคลื่นเสียงลอดผ่านช่องแคบไป คลื่นส่วนที่ลอดไปหลังช่องแคบจะสร้างคลื่นลูกใหม่ หลังช่องแคบนั้น และคลื่นที่เกิดใหม่จะสามารถเลี้ยวกระจายออกไปทั้งด้านซ้ายและขวา ของแนวคลื่นที่ลอดไปนั้น ปรากฏการณ์นี้จึงเรียกเป็นการเลี้ยวเบนได้ของคลื่นเสียง

 การเลี้ยวเบนจะเกิดได้ดี เมื่อช่องแคบมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นหรือความยาวคลื่นต้องใหญ่กว่าช่องแคบนั่นเอง

4.การแทรกสอดของเสียง 

ในแนวเสริม หรือแนวปฏิบัพ คลื่นเสียงมีการเสริมกัน จึงมีเสียงดังกว่าปกติ

ในแนวหักล้าง หรือ แนวบัพ คลื่นเสียงมีการหักล้างกัน จึงมีเสียงเบากว่าปกติ

4.ความเข้มเสียง ⋆

4.1 ความเข้มเสียง

เสียงที่ออกมาจากจุดกําเนิดจะมีลักษณะแผ่ออกเป็นทรงกลมคล้ายลูกบอล กว้างออกไป
เรื่อย ๆ ความเข้มเสียง (I) คือ อัตราส่วนของกําลังเสียง ต่อ พื้นที่ที่เสียงกระจายออกไป

4.2 ระดับความเข้มเสียง

ค่าความเข้มเสียง เป็นค่าที่มีค่าน้อย ตัวเลขยุ่งยาก เราจึงนิยมเปลี่ยนให้อยู่ในรูปที่ดูง่ายขึ้น
คือรูปของ ระดับความเข้มเสียง (≤) วิธีการเปลี่ยน จะใช้สมการ

สูตรเพิ่มเติมเกี่ยวกับระดับความเข้มเสียง 

β1 , β2 คือ ระดับความเข้มเสียงตอนแรก และตอนหลัง (เดซิเบล)

I1 , I2 คือ ความเข้มเสียงตอนแรกและ ตอนหลัง (วัตต์/ตารางเมตร)

P1 , P2 คือ กําลังเสียงตอนแรกและ ตอนหลัง (วัตต์)

R1 , R2 คือ ระยะห่างตอนแรกและ ตอนหลัง (เมตร)  

5.เสียงดนตรี ⋆

5.1ความดังเบาของเสียง

ความดังหรือเบาของเสียงขึ้นอยู่อัมพลิจูดของคลื่นเสียง                                                                                      

ถ้าคลื่นเสียงมีอัมพลิจูดสูง เสียงจะดัง

ถ้าคลื่นเสียงมีอัมพลิจูดต่ํา เสียงจะเบา 

5.2 ระดับเสียง ( ความทุ้มแหลมของเสียง )

ความทุ้ม แหลม ของเสียงจะขึ้นอยู่ ความถี่ของคลื่นเสียง

ถ้าคลื่นเสียงมีความถี่สูง เสียงจะแหลม เรียกว่า ระดับเสียงสูง

ถ้าคลื่นเสียงมีความถี่ต่ํา เสียงจะทุ้ม เรียกว่า ระดับเสียงต่ํา

ช่วงความถี่ของเสียงที่หูคนปกติจะได้ยิน คือ ช่วง 20 – 20000 Hz เท่านั้น

เสียงที่มีความถี่ต่ำกว่า 20 Hz ลงไปเรียก  Infra Sonic

เสียงที่มีความถี่สูงกว่า 20000 Hz ขึ้นไปเรียก   Ultra Sonic 

หูคนปกติจะไม่ได้ยินเสียงพวกนี้  

5.3 คุณภาพเสียง

เวลาเราฟังเสียงเครื่องดนตรีหลาย ๆ ชนิด เช่น ขลุ่ยและเปียโน ซึ่งเล่นโน๊ตตัวเดียวกัน
พร้อม ๆ กัน แต่เรายังสามารถแยกออกได้ว่า เสียงใดเป็นเสียงขลุ่ย เสียงใดเป็นเสียงเปียโน

ทั้งนี้เพราะเสียงทั้งสองจะมีลักษณะที่ต่างกัน
ที่เป็นเช่นนี้เพราะเสียงแต่ละเสียงจะมี Higher Hamonic และความเข้มสัมพัทธ์
แต่ละ Hamonic ไม่เท่ากัน จึงทําให้เสียงแต่ละเสียงมีลักษณะที่ต่างกัน ลักษณะของเสียง
เราเรียกว่าคุณภาพเสียง

5.4 บีสต์ของเสียง

หากมีคลื่นเสียง 2 คลื่น ซึ่งมีความถี่ต่างกันเล็กน้อยเข้ามาปนกัน คลื่นทั้งสองจะเกิด
การแทรกสอดกันเองแล้วจะได้คลื่นรวมที่มีอัมพลิจูดสูงต่ำสลับกันไป เสียงที่เกิดจากคลื่น

รวมจะมีลักษณะดังสลับกับเบา ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า บีสต์ของเสียง

จํานวนครั้งที่เสียงดังใน 1 หน่วยเวลาเรียก ความถี่บีตส์ ซึ่งหาจาก

เมื่อ f1 คือ ความถี่เสียงที่ 1 f2 คือ ความถี่เสียงที่ 2 และความถี่คลื่นเสียงรวมหาจาก  

5.5 คลื่นนิ่ง

คลื่นนิ่ง เป็นปรากฏการณ์แทรกสอดของคลื่นเสียงที่ตกกระทบ กับคลื่นเสียงที่สะทอน
จากตัวกลาง ทําให้เกิดตําแหน่งเสียงดังและเสียงค่อยสลับกันไป
ตําแหน่งเสียงดัง เรียกว่า ปฏิบัพ (A) และ ตําแหน่งเสียงค่อย เรียกว่า บัพ (N)

5.6 ความถี่ธรรมชาติ และการสั่นพ้อง

เมื่อวัตถุถูกกระทบกระเทือน โดยทั่วไปแล้ววัตถุจะเกิดการสั่นสะเทือนด้วยความถี่เฉพาะ
ตัวค่าหนึ่ง เรียกความถี่นี้ว่า ความถี่ธรรมชาติของวัตถุนั้น เช่นลูกตุ้มที่แขวนติดกับสายแกว่ง
เมื่อถูกกระทบกระเทือน ก็จะแกว่งไปมาด้วยความถี่ธรรมชาติของลูกตุ้มนั้น

และเมื่อวัตถุนั้นถูกแรงภายนอกมากกระทําอย่างต่อเนื่องด้วยความถี่เท่ากับความถี่ธรรม
ชาติของวัตถุ จะทําให้วัตถุเกิดการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรง เราเรียก ปรากฏการณ์การสั่นอย่าง
รุนแรงเนื่องจากเหตุเช่นนี้ว่าเป็น การสั่นพ้อง

5.7 การสั่นพ้องของเสียง (Resonance) 

เมื่อเราส่งคลื่นเสียงเข้าไปในท่อปลายตัน เสียงที่ส่งเข้าไปนั้นจะไปกระทบผนังด้านใน
คลื่นเสียงนั้นจะเกิดการสะท้อนออกมา แล้วมาแทรกสอดกับคลื่นที่เข้าไปเกิดเป็นคลื่นนิ่งและ
หากตรงตําแหน่งปากท้อเป็นแนวปฏิบัพของคลื่นนิ่งนั้น จะทําให้โมเลกุลตัวกลาง (อากาศ) สั่น
สะเทือนอย่างรุนแรงกว่าปกติทําให้เสียงที่ออกมาจากท่อนั้น ดังกว่าปกติเช่นกัน
ปรากฏการณ์ที่มีเสียงดัง อันเกิดจากอนุภาคตัวกลางสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงเช่นนี้ เรียกว่าการสั่นพ้องของเสียง (กําทอน) 

ควรทราบเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสั่นพ้อง

ประการที่ 1 ท่อที่ทําให้เกิดเสียงดัง จะต้องเป็นท่อที่มีความพอดีที่จะทําให้ปากท่ออยู่ตรงกับแนวปฏิบัพของคลื่นนิ่งพอดี หากปากท่อตรงกับแนวบัพจะไม่เกิดเสียงดัง ดังแสดงในรูปภาพ

และที่สําคัญ

ความยาวที่ทําให้เกิดสั่นพ้องแต่ละครั้งที่อยู่ถัดกัน จะอยู่ห่างกัน = 2

ความยาวจากปากท่อถึงจุดที่เกิดสั่นพ้องครั้งแรก จะมีความยาว = 4

ประการที่ 2 หากมีท่อปลายตัน มีความยาวขนาดหนึ่ง หากเราปรับความถี่ของเสียงที่เป่า

เข้าไปให้เหมาะสม อาจทําให้เกิดการสั่นพ้องได้เช่นกัน ความถี่ที่ทําให้เกิด
การสั่นพ้องนั้น สามารถคํานวณหาได้จาก

                                                    

เมื่อ f คือ ความถี่เสียงที่เป่าเข้าไปแล้วทําให้เกิดการสั่นพ้อง

v คือ ความเร็วเสียง m/s

L คือ ความยาวลําอากาศ หรือความยาวท่อกําทอน (m)

n คือ จํานวนเต็มบวกคี่ คือ 1 , 3 , 5 , 7 , 9 , ....

ถ้า n = 1 ความถี่ที่ได้จะทําให้เกิดเสียงดังครั้งแรกเรียกความถี่นี้ว่า ความถี่มูลฐาน

หรือ Harmonic ที่ 1

ถ้า n = 3 ความถี่ที่ได้ทําให้เกิดเสียงดังครั้งที่ 2 เรียกความถี่นี้ว่า Harmonic ที่ 2

ถ้า n = 5 ความถี่ที่ได้จะทําให้เกิดเสียงดังครั้งที่ 3 เรียกความถี่นี้ว่า Harmonic ที่ 3

หมายเหตุ สูตรนี้ใช้สําหรับท่อปลายตัน ( คือ ท่อที่มีปลายด้านหนึ่งปิดไว้) 

ในกรณีที่ท่อกําทอนมีปลายเปิดทั้งสองข้าง เราสามารถหาค่าความถี่เหมาะสมทําให้เสียงดัง
ได้จากสูตร

เมื่อ f คือ ความถี่เสียงที่เป่าเข้าไปแล้วทําให้เกิดการสั่นพ้อง
v คือ ความเร็วเสียง (m/s)
L คือ ความยาวลําอากาศ หรือความยาวท่อกําทอน (m)
n คือ จํานวนเต็มบวกธรรมดา คือ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , .....
ถ้า n = 1 ความถี่ที่ได้จะทําให้เกิดเสียงดังครั้งแรก เรียกความถี่นี้ว่า ความถี่มูลฐาน
หรือ Harmonic ที่ 1
ถ้า n = 2 ความถี่ที่ได้จะทําให้เกิดเสียงดังครั้งที่ 2 เรียกความถี่นี้ว่า Harmonic ที่ 2
ถ้า n = 3 ความถี่ที่ได้จะทําให้เกิดเสียงดังครั้งที่ 3 เรียกความถี่นี้ว่า Harmonic ที่ 3

สําหรับความถี่เสียงที่เกิดจากสายสั่น เราสามารถหาความถี่เสียงที่เกิดได้จากสูตร

เมื่อ f คือ ความถี่เสียงที่เกิดจากสายสั่น (Hz)

n คือ จํานวน Loop คลื่นนิ่งที่เกิดในสายสั่น

L คือ ความยาวสายสั่น (เมตร)

T คือ แรงดึงสายสั่น (นิวตัน)

ℵ คือ มวลสายสั่นซึ่งยาว 1 เมตร (กิโลกรัม)

6.ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ และคลื่นกระแทก ⋆

6.1 ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์

หมายถึง ปรากฏการณ์เปลี่ยนแปลงระดับเสียง (ความถี่ของเสียง) เมื่อแหล่งกําเนิด

และผู้สังเกตุเคลื่อนที่ด้วย ความเร็วสัมพัทธ์ต่อกัน

เสียงกระจายออกจากเปียโน

ขับรถหนีออกเสมือนลากความยาวคลื่น                                    ขับรถเข้า เสมือนกดความยาวคลื่นเสียง
เสียงให้ยืดยาวออกจะทําให้ความถี่เสียง                                  ให้สั้นลงจะทําให้ความถี่เสียงเพิ่มขึ้น
ลดลงและได้ยินเสียงทุ้มลง                                                       และได้ยินเสียงแหลมขึ้น

เสียงแตรออกจากมอเตอร์ไซด์                            

หากความเร็วรถยนต์น้อยกว่า มอเตอร์ไซด์             หากความเร็วรถยนต์มากกว่า มอเตอร์ไซด์
เสมือนว่าความยาวคลื่นเสียงถูกมอเตอร์ไซด์          เสมือนว่าความยาวคลื่นเสียง ถูกรถยนต์ดึง
กดดันเข้ามา ทําให้ความยาวคลื่นลดลง ให้ยืด        ทําให้ความยาวคลื่นยาวขึ้น ความถี่
ความถี่มากขึ้น เสียงที่ได้ยินจะแหลม                      ลดลงลดลงเสียงที่ได้ยินจะทุ่ม

เราสามารถหาความถี่ที่เปลี่ยนไปนี้โดยหาจากสมการดังนี้

และหาความยาวคลื่นโดยใช้สมการ 

เงื่อนไขการใช้สมการทั้งสองนี้คือ

ในการแทนค่า VL กับ Vs ต้องคํานึงค่า +, – ด้วยโดยอาศัยหลักดังนี้

ถ้า VL , Vs เคลื่อนที่สวนทางกับ Vo จะมีค่าเป็น +

ถ้า VL , Vs เคลื่อนที่ไปทางเดียวกัน Vo จะมีค่าเป็น –

6.2 คลื่นกระแทก 

ถ้าแหล่งกําเนิดเคลื่อนที่เร็วกว่าเสียง เรียกว่า Supersonic Speed จะเกิดปรากฏการณ์ดังรูป
ลักษณะนี้เรียกว่า เกิดคลื่นกระแทกขึ้น ซึ่งจะทําให้เกิดเสียงดังมากเหมือนกับระเบิด และเกิดแรงดันขึ้นอย่างมหาศาลเรียกว่า Sonic boom เช่น ในกรณีที่เครื่องไอพ่นบินด้วยความเร็วมากกว่าเสียงแรงดันที่เกิดขึ้นนี้อาจทําให้กระจกหน้าแตกได้

เมื่อ ± = มุมครึ่งหนึ่งของยอดกรวยเสียง
Vo = ความเร็วเสียง (m/s)
Vs = อัตราเร็วแหล่งกําเนิดเสียง (m/s)
M = เลขมัค คือ จํานวนเท่าตัวของความเร็วเสียง
h = ความสูงจากพื้นดินถึงเพดานบิน
x = ระยะจากจุดสังเกตถึงแหล่งกําเนิดเสียง ตอนที่ได้ยินเสียงพอด

♫♫♫