Pipatpongวิทยาศาสตร์ ม.6 : เสียง

เสียง เป็นคลื่นเชิงกลที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อวัตถุสั่นสะเทือน ก็จะทำให้เกิดการอัดตัวและขยายตัวของคลื่นเสียง และถูกส่งผ่านตัวกลาง เช่น อากาศ ไปยังหู แต่เสียงสามารถเดินทางผ่านสสารในสถานะแก๊ส ของเหลว และของแข็งก็ได้ แต่ไม่สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้

การเกิดเสียง

เสียง เริ่มเกิดขึ้นเมื่อวัตถุหรือแหล่งกำเนิดเสียงมีการสั่นสะเทือนส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของอากาศที่อยู่โดยรอบ กล่าวคือโมเลกกุลของอากาศเหล่านี้จะเคลื่อนที่จากตำแหน่งเดิมไปชนกับโมเลกุลที่อยู่ถัดไป ก่อให้เกิดการถ่ายโอนโมเมนตัมจากโมเลกุลที่มีการเคลื่อนที่ให้กับโมเลกุลที่อยู่ในสภาวะปกติ จากนั้นโมเลกุลที่ชนกันนี้จะแยกออกจากกันโดยโมเลกุลที่เคลื่อนที่มาจะถูกดึงกลับไปยังตำแหน่งเดิมด้วยแรงปฏิกิริยาและโมเลกุลที่ได้รับการถ่ายโอนพลังงานจะเคลื่อนที่ไปชนกับโมเลกุลที่อยู่ถัดไป ปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้นสลับกันไปมาได้เมื่อสื่อกลาง (ในที่นี้คืออากาศ) มีคุณสมบัติของความยืดหยุ่น การเคลื่อนที่ของโมเลกุลอากาศนี้จึงเกิดเป็นคลื่นเสียง

คุณลักษณะของเสียง

คุณลักษณะเฉพาะของเสียง ได้แก่ ความยาวช่วงคลื่น แอมปลิจูด และความเร็ว

เสียงแต่ละเสียงมีความแตกต่างกัน เสียงสูง-เสียงต่ำ, เสียงดัง-เสียงเบา, หรือคุณภาพของเสียงลักษณะต่างๆ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิดเสียง และจำนวนรอบต่อวินาทีของการสั่นสะเทือน

ความถี่

ระดับเสียง (pitch) หมายถึง เสียงสูงเสียงต่ำ สิ่งที่ทำให้เสียงแต่ละเสียงสูงต่ำแตกต่างกันนั้น ขึ้นอยู่กับความเร็วในการสั่นสะเทือนของวัตถุ วัตถุที่สั่นเร็วเสียงจะสูงกว่าวัตถุที่สั่นช้า โดยจะมีหน่วยวัดความถี่ของการสั่นสะเทือนต่อวินาที เช่น 60 รอบต่อวินาที, 2,000 รอบต่อวินาที เป็นต้น และนอกจาก วัตถุที่มีความถี่ในการสั่นสะเทือนมากกว่า จะมีเสียงที่สูงกว่าแล้ว หากความถี่มากขึ้นเท่าตัว ก็จะมีระดับเสียงสูงขึ้นเท่ากับ 1 ออกเตฟ (octave) ภาษาไทยเรียกว่า 1 ช่วงคู่แปด

ความยาวช่วงคลื่น

ความยาวช่วงคลื่น (wavelength) หมายถึง ระยะทางระหว่างยอดคลื่นสองยอดที่ติดกันซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการอัดตัวของคลื่นเสียง (คล้ายคลึงกับยอดคลื่นในทะเล) ยิ่งความยาวช่วงคลื่นมีมาก ความถึ่ของเสียง (ระดับเสียง) ยิ่งต่ำลง

ความดันเสียง (sound pressure)

หมายถึง ค่าความดันของคลื่นเสียงที่เปลี่ยนแปลงไปจากความดันบรรยากาศปกติ ซึ่งค่าความดันที่เปลี่ยนแปลงมากที่สุด คือ ค่าความสูงคลื่นหรือแอมปลิจูด การตอบสนองของหูต่อความดันเสียงไม่ได้มีลักษณะเป็นเส้นตรง แต่มีความสัมพันธ์นลักษณะของลอกาลิทึม (Logarithm) ดังนั้น ค่าระดับความดันเสียง ที่อ่านได้จากการตรวจวัดโดยเครื่องวัดเสียงนั้น เป็นค่าทีได้จากการเปรียบเทียบกับความดันเสียงอ้างอิงแล้ว มีหน่วยวัดเป็น เดชิเบล (decibel : dB)

แอมปลิจูด

แอมปลิจูด (amplitude) หมายถึง ความสูงระหว่างยอดคลื่นและท้องคลื่นของคลื่นเสียง ที่แสดงถึงความเข้มของเสียง (Intensity) หรือความดังของเสียง (Loudness) ยิ่งแอมปลิจูดมีค่ามาก ความเข้มหรือความดังของเสียงก็ยิ่งเพิ่มขึ้น

ความถี่ อัตราเร็ว และอัตราเร็วเสียงในอากาศ

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. อัตราเร็วของเสียง ขึ้นอยู่กับสภาพตัวกลาง เช่น อุณหภูมิ ความหนาแน่น ความยืดหยุ่น เป็นต้น อัตราเร็วเสียงที่เคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่มีอุณหภูมิสู.จะมีค่ามากกว่าตัวกลางที่มีอุณภูมิต่ำ

3. อัตราเร็วเสียงในอากาศ จะแปรผันตรงกับรากที่สองของอุณภูมิในหน่วยเคลวิน
- อุณหภูมิมาก อัตราเร็วมาก
- อุณภูมิน้อย อัตราเร็วน้อย
- ขณะอุณภูมิ + องศาเซลเซียส อัตราเร็วเสียงจะมีค่าประมาณ 331 เมตร/วินาที

สูตรนี้จะให้ค่าใกล้เคียงความจริง เมื่ออุณภูมิมีค่าไม่เกิน 45 องศาเซลเซียส

คุณสมบัติของเสียง

1. การสะท้อน เมื่อคลื่นเสียงตกกระผิวรอยต่อระหว่างตัวกลาง หรือตัวกลางขนิดเดียวกันแต่อุณหภูมิต่างกัน หรือตกกระทบสิ่งกีดขวางที่มีขนาดเท่ากันกับหรือโตกว่าความยาวคลื่นเสียงนั้น จะเกิดการสะท้อนเสียง

1. เมื่อคลื่นเสียงตกกระทบ ความถี่ ความเร็ว ความยาวคลื่น และแอมพลิจูด จะสะท้อนออกของเดิม

2. การเคลื่อนที่จากตัวกลางหนาแน่นน้อย ไป มาก การกระจัดที่สะท้อนมีเฟสตรงข้าม

3. การเคลื่อนที่จากตัวกลางหนาแน่นมาก ไป น้อย การกระจัดที่สะท้อนจะมีเฟสคงเดิม

4. ถ้าเสียงที่สะท้อนกลับมาสู๋หูของเราช้ากว่าเสียงที่ตะโกนออกไปเกินกว่า 0.1 วินาที หูของเราจะสมารถแยกเสียงตะโกนและเสียงที่สะท้อนกลับมาได้ เราเรียกว่า การเกิดเสียงก้อง

5. จากความรู้การสะท้อนของเสียง นำไปสร้างเครื่อวโซนาร์ ใช้หาความลึกของทะเล หาฝูงปลาในทะเล สร้างเครื่องอัลตราซาวด์

2. การหักเห คลื่นเสียงเมื่อเดินทางผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นแตกต่างกันจะเกิดการเปลี่ยนแปลงทิศทางความเร็วและความยาวคลื่น แต่ความถี่คลื่นยังคงที่ กล่าวคือเมื่อเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อย (อากาศ) เข้าสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า(น้ำ) เสียงจะหักเหออกจากเส้นตั้งฉาก หลักการนี้ใช้อธิบาย การเห็นฟ้าแลบ แต่ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง เพราะเมื่อเกิดฟ้าแลบ แม้จะมีเสียงเกิดขึ้นแต่เราไม่ได้ยินเสียง ทั้งนี้เพราะอากาศใกล้พื้นดินมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศเบื้องบน ทำให้การเคลื่อนที่ของเสียงเคลื่อนที่ได้ในอัตราที่ต่างกัน คือ เคลื่อนที่ในอากาศที่มี อุณหภูมิสูงได้เร็วกว่าในอากาศที่มีอุณหภูมิต่ำ ดังนั้น เสียงจึงเคลื่อนที่เบนขึ้นทีละน้อยๆ จนข้ามหัวเราไป จึงทำให้ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง

1. บริเวณที่มีอุณภูมิสูง เสียงจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วมากกว่าบริเวณที่มีอุณภูมิต่ำ

2. เสียงเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีอุณภูมิสูงไปสู่บริเวณที่มีอุณภูมิต่ำ คลื่นเสียงจะหักเหเข้าเส้นแนวฉาก

3. เสียงเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีอุณภูมิต่ำไปสู่บริเวณที่มีอุณภูมิสูงกว่า เสียงจะหักเหออกจาเส้นแนวฉาก

4. ในเวลากลางวันพื้นโลกจะมีอุณภูมิสูงกว่าอุณหภูมิที่ระดับสูงจากพื้นโลกขึ้นไปทำให้เสียงหักเหขึ้นสู่ที่สูง ส่วนในเวลากลางคืนอุณหภูมิที่พื้นโลกจะต่ำกว่าอุณภูมิที่ระดับสูงกว่าพื้นโลกทำให้เสียงหักเหลงสู่พื้น

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

4. การเลี้ยวเบน นอกจากการหักเหของเสียงที่เกิดขึ้น เมื่อผ่านตัวกลางต่างชนิดกันแล้วยังมีการเลี้ยวเบนได้ การเลี้ยวเบนของเสียงมักจะเกิดพร้อมกับการสะท้อนของเสียง เสียงที่เลี้ยวเบน จะได้ยินค่อยกว่าเดิม เพราะพลังงานของเสียงลดลง ในชีวิตประจำวันที่เราพบได้อย่างเสมออย่างหนึ่งคือการได้ยินเสียงของผู้อื่นได้โดยไม่เห็นตัวผู้พูด เช่น ผู้พูดอยู่คนละด้านของมุมตึก ปรากฏการณ์ดังนี้ แสดงว่าเสียงสามารถเลี้ยวเบนได้ การอธิบายปรากฏการณ์นี้สามารถจะกระทำได้โดยใช้หลักการของฮอยเกนท์อธิบายว่า ทุกๆจุดบนหน้าคลื่นสามารถทำหน้าที่เป็นต้นกำเนิดคลื่นอันใหม่ได้ ดังนั้นอนุภาคของอากาศที่ทำหน้าที่ส่งผ่านคลื่นเสียงตรงมุมตึกย่อมเกิดการสั่น ทำหน้าที่เหมือนต้นกำเนิดเสียงใหม่ ส่งคลื่นเสียงไปยังผู้ฟังได้

สรุป

เสียงเกิดจากการสั่นของแหล่งกำเนิด มีลักษณะสำคัญดังนี้

· เสียงเป็นคลื่นชนิดหนึ่ง เพราะสามารถแสดงสมบัติการสะท้อน การหักเห การแทรกสอดและการเลี้ยวเบนได้
· เสียงเป็นคลื่นกล ตามยาวเพราะต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ และอนุภาคตัวกลางสั่นขนานกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น
· คลื่นเสียงเคลื่อนที่จากแหล่งกำเนิดไปถึงผู้ฟังได้ เกิดจากการสั่นของตัวกลาง
โมเลกุลของอากาศในบริเวณที่เป็นส่วนอัดจะมีจำนวนมากกว่าเดิม ทำให้ความดันของอากาศที่บริเวณส่วนอัดมีค่าเพิ่มขึ้น
โมเลกุลของอากาศในบริเวณที่เป็นส่วนขยายจะมีจำนวนน้อยกว่าเดิม ทำให้ความดันของอากาศที่บริเวณส่วนขยายมีค่าลดลง

สิ่งที่ควรรู้

1. เสียงค่อยที่สุดที่มนุษย์สามารถได้ยินมีความเข้มเสียง 10 กำลัง-12 วัตต์ต่อตารางเมตร

2. เสียงดังที่สุดที่มนุษย์ปกติสามารถทนฟังได้ โดยไม่เป็นอันตราย มีความเข้มเสียงเป็น 1 วัตต์ต่อตารางเมตร

3. ระดับความเข้มเสียง คือ ปริมาณที่ใช้บอกความดังเสียง โดยเทียวความเข้มเสียงที่ต้องการวัด กับความเข้มเสียงที่ค่อยที่สุดที่คนปกติได้ยิน

โดย

คือความเข้มของเสียง มีหน่วยเป็นเดซิเบล

I คือความเข้มของเสียง

I₀ คือความเข้มของเสียงต่ำสุดที่มนุษย์จะได้ยิน คือ 10^-12 วัตต์/ตารางเมตร

4. ปรากฎการณ์ดอปเพลอร์ และคลื่นกระแทก

ปรากฎการณ์ดอปเพลอร์ของเสียง คือ ผู้ฟังได้ยินเสียงที่มีความถี่เปลี่ยนไปจากความถี่ของแหล่งกำเนิดเสียง

คลื่นกระแทก คือ หน้าคลื่นที่เคลื่อนที่มาเสริมกันในลักษณะที่เป็นคลื่นวงกลมซ้อนเรียงกันไป แหล่งกำเนิดที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากกว่าความเร็วของคลื่นในตัวกลาง

a. อัตราเร็วแหล่งกำเนิด น้อยกว่า อัตราเร็วของเสียง

b. อัตราเร็วแหล่งกำเนิด เท่ากับ อัตราเร็วเสียง

c. อัตราเร็วแหล่งกำเนิด มากกว่า อัตราเร็วเสียง

5. คุณภาพเสียงและเสียงดนตรี แหล่งกำเนิดเสียงต่างๆขณะสั่น จะให้เสียงซึ่งมี่ความถี่มูลฐานและฮาร์มอนิกต่างๆ ออกมาพร้อมกันเสมอ แต่จำนวนฮาร์มอนิกและความเข้มเสียงจะแตกต่างกันไป จึงจะทำให้ลักษณะของคลื่นเสียงแตกต่างกันสำหรับแต่ละแหล่งกำเนิดที่ต่างกัน โดยจะมีลักษณะเฉพาะตัวที่ต่างกัน