1. อธิบายการเกิดเสียงและการเคลื่อนที่ของเสียง
2. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นการกระจัดของอนุภาคกับคลื่นความดันขณะคลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่าน
3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วของเสียงในอากาศกับอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสและคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง
4. สังเกตและอธิบายการสะท้อน การหักเห การเลี้ยวเบน และการแทรกสอดของเสียง
5. อธิบายและคำนวณปริมาณที่เกี่ยวข้องกับความเข้มเสียง
6. อธิบายระดับเสียง ความสัมพันธ์ระหว่างระดับเสียงและความเข้มเสียง และคำนวณปริมาณที่เกี่ยวข้อง
7. อธิบายระดับเสียงและความถี่ที่มีผลต่อการได้ยิน
8. อธิบายระดับสูงต่ำของเสียงและคุณภาพเสียง
9. อธิบายมลพิษทางเสียงที่มีต่อสุขภาพและการป้องกัน
10. ทดลองและอธิบายการเกิดคลื่นนิ่งของเสียง
11. อธิบายและคำนวณปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการเกิดการสั่นพ้องของอากาศในท่อปลายปิดหนึ่งด้าน
12. ทดลองการสั่นพ้องของอากาศในท่อปลายปิดหนึ่งด้านและการวัดความยาวคลื่นของเสียงในอากาศ
13. ทดลองและอธิบายการเกิดบีต
14. อธิบายปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ และคลื่นกระแทกของเสียง
15. นำความรู้เรื่องเสียงไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวัน
1.ธรรมชาติของเสียง
การเคลื่อนที่ของเสียง
อัตราเร็วเสียง
พฤติกรรมของเสียง
2.การได้ยินเสียง
ความเข้มเสียง
ระดับเสียงและความถี่เสียงกับการเริ่มได้ยิน
ระดับสูงต่ำของเสียงและคุณภาพเสียง
มลพิษทางเสียงและการป้องกัน
3.ปรากฏการณ์เกี่ยวกับเสียง
คลื่นนิ่งของเสียง
การสั่นพ้องของอากาศในท่อ
บีต
ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์
4.การประยุกต์ใช้ความรู้เรื่องเสียง
ภาพดีดกีตาร์
ที่มา: https://images.app.goo.gl/hz1WLy38aKBXZLvf6คลิปวิดีโอส้อมเสียงแตะน้ำ
เสียง (Sound) คือ การถ่ายทอดพลังงานจากการสั่นสะเทือนของแหล่งกำเนิดเสียงผ่านโมเลกุลของตัวกลางไปยังผู้รับ โดยที่หูของเรานั้น สามารถรับรู้ถึงการสั่นสะเทือนของโมเลกุลเหล่านี้ได้ และได้ทำการแปลผลลัพธ์ออกมาในรูปของเสียงต่างๆ เช่น การดีดสายกีตาร์ พลังงานในการดีดซึ่งเป็นพลังงานกล จะถูกถ่ายโอนให้กับสายกีตาร์ ทำให้สายกีตาร์สั่น พลังงานในการสั่นของสายกีตาร์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานเสียงแผ่กระจายออกไปโดยรอบ
คลื่นเสียง สามารถเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางได้ทุกสถานะ ไม่ว่าจะเป็นวัตถุของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ คลื่นเสียงนั้น มีคุณสมบัติเช่นเดียวกับคลื่นอื่นๆ เช่น แอมพลิจูด (Amplitude) ความเร็ว (Velocity) หรือ ความถี่ (Frequency)
การเคลื่อนที่ของโมเลกุลของอากาศเมื่อเสียงเคลื่อนที่ผ่าน
ที่มา: https://imgur.com/gallery/PbvZwFFเมื่อวัตถุเกิดการเคลื่อนที่หรือถูกกระทำด้วยแรงจากภายนอก ก่อให้เกิดการสั่นสะเทือนของโมเลกุลภายในวัตถุนั้น ซึ่งส่งผลไปยังอนุภาคของอากาศหรือตัวกลางที่อยู่บริเวณโดยรอบ ก่อให้เกิดการรบกวนหรือการถ่ายโอนพลังงาน ผ่านการสั่นและการกระทบกันเป็นวงกว้างทำให้อนุภาคของอากาศเกิด “การบีบอัด” (Compression) เมื่อเคลื่อนที่กระทบกัน และ “การยืดขยาย” (Rarefaction) เมื่อเคลื่อนที่กลับตำแหน่งเดิม ดังนั้น คลื่นเสียง จึงเรียกว่า “คลื่นความดัน” (Pressure wave) เพราะอาศัยการผลักดันกันของโมเลกุลในตัวกลางในการเคลื่อนที่
การเขียนกราฟระหว่างการกระจัดกับตำแหน่งเดิมของโมเลกุล กำหนดให้
1.อนุภาคใดไม่เคลื่อนที่ การกระจัดเป็น (0)
2. อนุภาคใดเคลื่อนที่ไปทางซ้าย จะให้ค่าการกระจัดเป็นลบ (-)
3.อนุภาคใดเคลื่อนที่ไปทางขวา จะให้ค่าการกระจัดเป็นบวก (+)
จากกราฟความดันกับระยะทาง ความจริงที่พบเกี่ยวกับส่วนอัด ส่วนขยาย และความดัน
1. อนุภาคของอากาศบริเวณส่วนอัดมีมากกว่าเดิม ทำให้ความดันอากาศบริเวณส่วนอัดมีค่าสูงขึ้นกว่าปกติ การเปลี่ยนแปลงความดันนี้จึงทำให้เกิดเสียงดัง
2. อนุภาคของอากาศบริเวณส่วนขยายมีน้อยลง ทำให้ความดันอากาศบริเวณส่วนขยายมีค่าต่ำลง การเปลี่ยนแปลงความดันนี้จึงทำให้เกิดเสียงดัง
3. ความดันของอากาศขณะไม่มีคลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่าน เรียกว่า ความดันปกติ หรือ ความดันอากาศ
4. บริเวณที่มีอากาศอัดตัวเข้าหากันจะมีความดันอากาศสูง ส่วนบริเวณที่โมเลกุลอากาศขยายตัวออกจากกันจะมีความดันต่ำ ความดันของอากาศที่แตกต่างจากความดันปกตินี้ เรียกว่า ความดันเกจ (Gage passure) ซึ่งเป็นตัวแสดงถึง ความดังของเสียง ดังนั้น บริเวณที่เป็นส่วนอัดหรือส่วนขยาย จึงมีความดันเกจสูง ซึ่งเป็นตำแหน่งที่ให้เสียงดัง และเป็นตำแหน่งที่มีแอมพลิจูดของความดัน มากที่สุด
5. จากกราฟ จะเห็นว่า คลื่นความดันและคลื่นการกระจัด จะมีเฟสต่างกัน 90 องศาเสมอ
6. จากจุดกึ่งกลางส่วนอัดถึงจุดกึ่งกลางส่วนอัดที่ติดกัน จะห่างกัน λ
7. จากจุดกึ่งกลางส่วนขยายถึงจุดกึ่งกลางส่วนขยายที่ติดกัน จะห่างกัน λ
8. จากจุดกึ่งกลางส่วนอัดถึงจุดกึ่งกลางส่วนขยายทีติดกัน จะห่างกัน λ/2
ภาพเปรียบคลื่นความดันของเสียงค่อยและเสียงดัง
ที่มา: https://images.app.goo.gl/b8DeAxZ8HX39YrsA8ตัวกลาง (Medium) จึงกลายเป็นปัจจัยสำคัญต่อการได้ยินเสียง เพราะคลื่นเสียงเคลื่อนที่โดยอาศัยตัวกลางในการถ่ายทอดพลังงานเท่านั้น ส่งผลให้ในภาวะสุญญากาศ ซึ่งเป็นพื้นที่ว่างที่ไม่มีอนุภาคตัวกลางใดๆ คลื่นเสียงจึงไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านไปได้
วิดีโอการทดลองการเคลื่อนที่ของเสียง
สถานะและอุณหภูมิของตัวกลางยังเป็นตัวแปรสำคัญในการกำหนดความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียงอีกด้วย ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว เสียงเคลื่อนที่ผ่านวัตถุของแข็งได้ดีกว่าของเหลวและก๊าซ
ตารางแสดงอัตราเร็วเสียงในตัวกลางต่างๆ
ที่มา: https://images.app.goo.gl/pupRjPBc3Ppzg2hNAภาพเปรียบเทียบอัตราเร็วของเสียงที่เคลื่อนที่ในตัวกลางต่างๆ
ที่มา: https://images.app.goo.gl/xr4iHNSGZLnu7zc7Aสำหรับตัวกลางที่เป็นอากาศ อัตราเร็วเสียงที่อุณหภูมิใด ๆ หาได้จาก
การคำนวณหาอัตราเร็วของคลื่นเสียง
เนื่องจากเสียงเป็นคลื่น ดังนั้น อัตราเร็ว ความถี่ และความยาวคลื่น จึงมีความสัมพันธ์เช่นเดียวกับคลื่น สำหรับตัวกลางชนิดเดียวกัน จะมีค่าเท่ากันเสมอ หาได้จาก
การสะท้อน (Reflection) คือ การเคลื่อนที่ของเสียงไปกระทบสิ่งกีดขวาง ส่งผลให้เกิดการสะท้อนกลับของเสียงที่เรียกว่า “เสียงสะท้อน” (Echo) ซึ่งโดยปกติแล้ว เสียงที่ผ่านไปยังสมองจะติดประสาทหูราว 0.1 วินาที ดังนั้นเสียงที่สะท้อนกลับมาช้ากว่า 0.1 วินาที ทำให้หูของเราสามารถแยกเสียงจริงและเสียงสะท้อนออกจากกันได้ นอกจากนี้ หากมุมที่รับเสียงสะท้อนเท่ากับมุมตกกระทบของเสียงจะส่งผลให้เสียงสะท้อนมีระดับความดังสูงที่สุดอีกด้วย ในกรณีที่เสียงสะท้อนจะมาถึงหูภายในเวลาน้อยกว่า 0.1 วินาที จะได้ยินเสียงจากแหล่งจริงและเสียงสะท้อนต่อเนื่อง เหมือนเป็นเสียงเดียวกัน เสียงที่สะท้อนในกรณีหลังนี้เราเรียกว่า เสียงก้อง (reverberation)
การหักเห (Refraction) คือ การเคลื่อนที่ของเสียงผ่านตัวกลางต่างชนิดกัน หรือการเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่มีอุณหภูมิต่างกัน ส่งผลให้อัตราเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่ของเสียงเปลี่ยนไป
การเลี้ยวเบน (Diffraction) คือ การเดินทางอ้อมสิ่งกีดขวางหรือเลี้ยวเบนผ่านช่องว่างต่างๆของเสียง โดยคลื่นเสียงที่มีความถี่และความยาวคลื่นมาก สามารถเดินทางอ้อมสิ่งกีดขวางได้ดีกว่าคลื่นสั้นที่มีความถี่ต่ำ
การแทรกสอด (Interference) เกิดจากการปะทะกันของคลื่นเสียงจากหลายแหล่งกำเนิด ซึ่งอาจทำให้เกิดเสียงที่ดังขึ้นหรือเบาลงกว่าเดิม หากคลื่นเสียงที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อย (ไม่เกิน 7 เฮิรตซ์) เมื่อเกิดการแทรกสอดกันจะทำให้เกิดเสียงบีต (Beat)
หู (Ear) เป็นอวัยวะที่ใช้ในการรับเสียงของมนุษย์ โดยมีองค์ประกอบที่สำคัญ 3 ส่วน ได้แก่
1) หูชั้นนอก ประกอบด้วยใบหูซึ่งจะทำหน้าที่รับคลื่นเสียง ก่อนส่งเสียงไปตามช่องหูจนถึงชั้นเยื่อแก้วหู (Tympanic membrane) ซึ่งกั้นระหว่างหูชั้นนอกและหูชั้นกลาง
2) หูชั้นกลาง มีลักษณะเป็นโพรงอากาศ ประกอบด้วยกระดูกขนาดเล็ก 3 ชิ้น ที่เรียงต่อกันเป็นโซ่ที่เรียกว่า “ค้อน” (Malleus) “ทั่ง” (Incus) และ “โกลน” (Stapes) ทำหน้าที่รับแรงสั่นสะเทือนและขยายเสียงต่อจากเยื่อแก้วหูก่อนส่งต่อไปยังหูชั้นใน
3) หูชั้นใน ประกอบด้วยอวัยวะรูปก้นหอย หรือ “คอเคลีย” (Cochlea) ภายในบรรจุของเหลวและเซลล์ขนจำนวนมากที่ทำหน้าที่รับเสียงจากกระดูกโกลนในหูชั้นกลาง ก่อนแปลงเป็นสัญญาณส่งไปยังโสตประสาทและสมอง ซึ่งทำหน้าที่จำแนก แยกแยะ และแปลความหมายของคลื่นเสียงต่างๆ
ลักษณะภายวิภาคของหู
ที่มา: https://ngthai.com/science/24180/soundwave/2/ภาพแสดงการถ่ายทอดพลังงานของเสียง
ที่มา: https://images.app.goo.gl/u41NHWU9U45sVXnP8ความเข้มเสียง (I) คือ อัตราการถ่ายทอดพลังงานของเสียงต่อพื้นที่ที่ตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของเสียง หรืออาจกล่าวได้ว่า ความเข้มเสียง หมายถึง กำลังของเสียงจากแหล่งกำเนิดที่ตกกระทบบนพื้นที่ 1 ตารางหน่วยในแนวตั้งฉากที่พิจารณา เนื่องจากเสียงแผ่ออกทุกทิศทาง ดังนั้นพื้นที่ที่เสียงตกกระทบจึงมีลักษณะเป็นทรงกลม คือ A = 4πr2 จะได้
เสียงเบาที่สุดที่มนุษย์ได้ยินจะมีความเข้มเสียงเป็น 10-12 วัตต์/ตารางเมตร
เสียงดังที่สุดที่มนุษย์ทนฟังได้จะมีความเข้มเสียงเป็น 1 วัตต์/ตารางเมตร
ระดับความเข้มเสียง คือ ปริมาณที่ใช้บอกความดังของเสียง ใช้สัญลักษณ์ β (บีตา) มีหน่วยเป็นเดซิเบล (dB)
ระดับความเข้มเสียงต่ำสุดหรือเสียงเบาที่มนุษย์ได้ยินมีค่าเป็น 0 dB
ระดับความเข้มเสียงดังที่สุดที่มนุษย์ทนฟังได้มีค่าเป็น 120 dB
ภาพเปรียบเทียบของระดับความเข้มเสียง
ที่มา: https://ngthai.com/science/24180/soundwave/2/การได้ยินเสียงของมุษย์ต้องขึ้นกับระดับความเข้มเสียง และความถี่เสียง ( 20 - 20,000 Hz ) ความถี่ที่ต่ำกว่า 20 เฮิรตซ์ ลงไปเรียกว่า คลื่นใต้เสียง (Infra Sound) ความถี่ที่สูงกว่า 20,000 เฮิรตซ์ ขึ้นไปเรียกว่า คลื่นเหนือเสียง (Ultra Sound)
คลื่นเสียง 20 - 20,000 Hz
การเริ่มได้ยินเสียงใดๆของมนุษย์จะขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ 2 อย่าง คือ ระดับความเข้มเสียง(ความดัง) และความถี่เสียงนั้น แสดงรายละเอียดในกราฟ
กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างระดับความเข้มเสียงและความถี่
ที่มา: https://images.app.goo.gl/1sVcJszhSQxJn6kF6จากกราฟ เส้นด้านล่างแสดงขีดเริ่มของการเริ่มได้ยินเสียงของมนุษย์ จะเห็นว่าช่วงความถี่ต่ำ เช่น ความถี่เสียง 100 Hz มนุษย์จะเริ่มได้ยินเสียงที่จะต้องมีระดับความเข้มเสียงถึง 40 dB แต่เสียงความถี่ช่วงกลางๆ ช่วง 2,000 - 4,000 Hz จะเริ่มได้ยินเสียงตั้งแต่ระดับความเข้มเสียงน้อยกว่า 0 dB
กราฟเส้นบน แสดงขีดเริ่มการเจ็บปวดของหู เช่น เสียงความถี่ 2,000 Hz เมื่อมีระดับความเข้มเสียงเท่ากับ 120 dB จะเริ่มปวดหู
การที่เราได้ยินเสียงสูงหรือต่ำ ขึ้นอยู่กับ ความถี่ของเสียง
ความถี่สูง เสียงจะสูง เรียกว่า เสียงแหลม (high pitch)
ความถี่ต่ำ เสียงจะต่ำ เรียกว่า เสียงทุ้ม (low pitch)
เส้นชั้นความดังเสียงเท่า (equal-loudness contours) ของ ISO โดยความถี่มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์ - เป็นเส้นชั้นแสดงความถี่สัมพันธ์กับความดังของเสียงที่มนุษย์รู้สึกว่าดังเท่ากัน โดยเส้นที่ 0 phon (threshold) จะเป็นเส้นแสดงขีดเริ่มเปลี่ยนมาตรฐานของการได้ยินในมนุษย์
เส้นชั้นความดังเสียงเท่า (equal-loudness contours)
ที่มา: https://www.wikiwand.com/th/พิสัยการได้ยินเสียงดนตรี
มาตรฐานการแบ่งระดับเสียงในทางวิทยาศาสตร์ ใช้เสียงโดกลางซึ่งมีความถี่ 256 เฮิรตซ์ เป็นระดับเสียงมาตรฐาน ระดับเสียงอื่นๆจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงเทียบกับเสียงนี้
ความถี่ของเสียงโน้ตดนตรีทางวิทยาศาสตร์และของเครื่องดนตรีสากล
ที่มา: https://www.mwit.ac.th/~physicslab/content_02/sci40103/chap2/103snd11/103snd11.htmฮาร์มอนิกส์ (Harmonics)
สีสันและคาแร็กเตอร์ของโน้ตดนตรีมักจะเกิดจากฮาร์มอนิกส์ สำหรับคำว่าฮาร์มอนิกส์โดยทั่วไปแล้วจะหมายถึง “ทิมบรี” (Timbre) ซึ่งเป็นลักษณะของโทนเสียง หรือคุณภาพโทนเสียงของโน้ตดนตรีที่มีความแตกต่างกัน เช่นเสียงประสาน และเครื่องดนตรี พวกเครื่องสาย เครื่องเป่า และเครื่องเคาะจังหวะ ซึ่งผู้ฟังจะรับรู้ความแตกต่างของเครื่องดนตรีแต่ละชิ้นได้ตามหมวดหมู่ของมัน ไม่ว่าจะเป็นไวโอลินและไวโอลาก็ตาม เครื่องดนตรีทุกๆ ชิ้น จะมีความถี่มูลฐาน (Fundamental) ซึ่งฮาร์มอนิกส์ก็เกิดจากความถี่ชนิดนี้
ในออสซิลโลสโคปความถี่มูลฐานจะแสดงเป็นคลื่นไซน์เวฟเดี่ยวๆ แต่ในความเป็นจริงเสียงดนตรีที่เราได้ยินนั้น ไม่ได้เกิดจากความถี่เพียงค่าเดียว แต่เกิดจากความถี่หลายๆ ค่าที่ซับซ้อนผสมกันอยู่ แต่เสียงทั้งหมดเหล่านั้น จะบรรจุข้อมูลของความถี่มูลฐานเอาไว้เสมอ ในทางดนตรีเครื่องดนตรีจะมีความถี่มูลฐานเฉพาะของตัวเอง และมีฮาร์มอนิกส์ที่ทำให้มีเสียงเป็นเอกลักษณะเฉพาะ ทำให้สามารถรับฟังเสียงและแยกเสียงของกีตาร์เบสได้ว่ามีความแตกต่างกับทูบา เฟร้นช์ฮอร์นต่างกับไวโอลิน หรือทุกๆ เสียงที่มากกว่า 2 เสียงที่เป็นโน้ตเดียวกันและมีความดังเท่ากัน เครื่องดนตรีชิ้นที่มีความสมูธอย่างฟรุทจะมีฮาร์มอนิกส์น้อย มีเพียงความถี่มูลฐานและฮาร์มอนิกส์ไม่กี่ลำดับ ทำให้สามารถได้ยินโทนของเครื่องดนตรีชัดเจนกว่า
ฮาร์มอนิกส์ของคลื่นธรรมดาและคลื่นที่ซับซ้อน
ที่มา: http://www.soundstagemag.com/main/index.php/magazine-articles/pa-sound-light-on-stage/990-2017-05-18-07-56-53ความถี่ต่ำสุดของเสียงที่ออกจากแหล่งกำเนิดใด ๆ เรียกว่า ความถี่มูลฐาน
จำนวนเต็มเท่าของความถี่มูลฐาน เรียกว่า ฮาร์มอนิกส์
โอเวอร์โทน (Overtone) คือ ความถี่ของคลื่นนิ่งที่ถัดจากความถี่มูลฐานแล้วทำให้เกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอดนั้นได้ มีค่าเป็นขั้นๆ
คุณภาพเสียง หมายถึง คุณลักษณ์ของเสียงที่เราได้ยิน เมื่อเราฟังเพลงจากวงดนตรีวงหนึ่งนั้น เครื่องดนตรี ทุกชนิดจะเล่นเพลงเดียวกัน แต่เราสามารถแยกได้ว่า เสียงที่ได้ยินนั้นมาจากดนตรีประเภทใด เช่น มาจากไวโอลิน หรือเปียโน เป็นต้น การที่เราสามารถแยกลักษณะของเสียงได้นั้นเพราะว่าคลื่นเสียงทั้งสองมีคุณภาพของเสียงต่างกัน คุณภาพของเสียงนี้ขึ้นอยู่กับ จำนวนโอเวอร์โทนที่เกิดจากแหล่งกำเนิดเสียงนั้น ๆ และแสดงออกมาเด่น จึงไพเราะต่างกัน นอกจากนี้คุณภาพของเสียงยังขึ้นกับ ความเข้มของเสียงอีกด้วย
รูปแสดงคุณภาพเสียงจากแหล่งกำเนิดต่างๆ
ที่มา: http://swastidesign.blogspot.com/2010/04/physics-of-sound.htmlรูปแสดงคุณภาพเสียงจากแหล่งกำเนิดต่างๆ
ที่มา: https://images.app.goo.gl/fyzfF9uTfLFHdJPJ6เสียงสามารถมีปรากฎการณ์คลื่นนิ่งได้เหมือนคลื่นทั่วๆไป เช่น คลื่นนิ่งของน้ำ หรือคลื่นนิ่งของคลื่นในเส้นเชือก คลื่นนิ่งของคลื่นเสียงก็เกิดจากคลื่นเสียง 2 คลื่น ซึ่งมีความถี่ ความยาวคลื่นและแอมพลิจูดเท่ากัน เคลื่อนที่สวนทางกันในแนวเส้นตรงเดียวกัน แล้วมาซ้อนทับกัน เช่น อาจเกิดจากลำโพง 2 ตัว ที่ให้เสียงที่มีความถี่เท่ากัน หันหน้าเข้าหากัน หรือลำโพงเสียงตัวเดียว หันหน้าเข้าหากำแพงแล้วส่งเสียงออกไปสะท้อนที่กำแพง คลื่นความดันของคลื่นเสียงทั้งสองจะเกิดการรวมกันเป็นคลื่นความดันลัพธ์ได้ตำแหน่งเสียงดัง (ปฏิบัพ, A) และเสียงค่อย(บัพ, N) สลับกันไปโดยระยะห่างระหว่างปฏิบัพที่ติดกันหรือบัพที่ติดกันเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น (λ/2) และระยะห่างระหว่างปฏิบัพและบัพที่ติดกันมีค่า (λ/4)
ภาพแสดงคลื่นนิ่งในเส้นเชือก
ที่มา: https://sites.google.com/site/seiyngsound/6-ka-rbit-laea-khlun-ning-khxng-seiyngรูปแสดงคลื่นนิ่งของเสียง เมื่อใช้แหล่งกำเนิดเสียง 2 แหล่ง
ที่มา: http://118.174.134.188/sciencelab/senior/item03/lab30/lab30_1.phpคลิปวิดีโอการสั่นพ้องของเสียงในท่อ
คลิปวิดีโอการวัดความยาวคลื่นเสียง
เสียงที่เกิดขึ้นนั้น เกิดจากปรากฏการณ์การสั่นพ้องของเสียง หรือที่ภาษาอังกฤษใช้คำว่า Sound Resonance เนื่องจากเสียงเกิดจากการสั่นของแหล่งกำเนิด และการเคลื่อนที่ของเสียงเป็นการเคลื่อนที่แบบคลื่น
ขณะที่เสียงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง อนุภาคของตัวกลางจะสั่นด้วยความถี่เดียวกับความถี่ของแหล่งกำเนิด เช่น ถ้าเราส่งคลื่นเสียงจากลำโพงเข้าไปทางปากหลอดเรโซแนนซ์ (หลอดกำทอน) อนุภาคของอากาศในหลอดเรโซแนนซ์จะถูกบังคับให้สั่นด้วยความถี่ของเสียงจากลำโพง
ถ้าปรับความถี่ของคลื่นเสียงให้มีค่าเท่ากับความถี่ธรรมชาติของอนุภาคของอากาศภายในหลอดเรโซแนนซ์อนุภาคของอากาศจะสั่นแรงที่สุด ทำให้เกิดเสียงออกจากปากหลอดเรโซแนนซ์ดังที่สุด ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นนี้ เรียกว่า "การสั่นพ้องของเสียง"
1. การเกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอดปลายเปิด
หลอดปลายเปิด เป็นหลอดที่ปลายทั้งสองข้างเปิดสู่อากาศ คลื่นเสียงที่สะท้อนบริเวณปากหลอดทั้งสองข้าง โมเลกุลของอากาศเคลื่อนที่ได้โดยอิสระจะเป็นตำแหน่งปฏิบัพของคลื่น ดังนั้นถ้าท่อยาว L
การเกิดคลื่นนิ่งในท่อปลายเปิดทั้งสองข้าง ยาว L
ที่มา: http://physics-m5.blogspot.com/2012/09/blog-post_6555.html2. การเกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอดปลายปิดหนึ่งข้าง
หลอดปลายปิด เป็นหลอดที่ปลายข้างหนึ่งปิด ปลายอีกช้างหนึ่งเปิด เมื่อให้คลื่นเสียงเข้าทางปากหลอดด้านเปิด คลื่นเสียงจะเข้าไปสะท้อนที่ด้านปิดโดยมีเฟสเปลี่ยนไป 180 องศา ดังนั้นที่ตำแหน่งผิวระนาบของด้านปิดจะเป็นตำแหน่งของบัพ ส่วนบริเวณปากหลอดด้านเปิด โมเลกุลของอากาศสั่นได้โดยอิสระจะเป็นตำแหน่งปฏิบัพของคลื่นนิ่งขณะเกิดการสั่นพ้อง ดังนั้น ถ้าท่อยาว L
การเกิดคลื่นนิ่งในท่อปลายปิด ยาว L
ที่มา: http://physics-m5.blogspot.com/2012/09/blog-post_6555.htmlเกิดขึ้นเมื่อเสียงจากแหล่งกำเนิดสองแหล่งที่ความถี่ต่างกันเล็กน้อย เคลื่อนที่ผ่านตัวกลางเดียวกันในเวลาและทิศเดียวกันก็จะรวมกันตามหลักการซ้อนทับของคลื่นทำให้คลื่นรวมที่ได้เคลื่อนที่ผ่านผู้ฟังซึ่งอยู่กับที่เป็นเสียงดังค่อย ดังค่อยสลับกันไปเป็นจังหวะที่คงตัว เรียกว่า บีตของเสียง หูของคนเราสามารถแยกเสียงบีตส์ เมื่อความถี่บีตมีค่าไม่เกิน 7 เฮิรตซ์
คลิปวิดีโอการทดลองบีตของเสียง
ความถี่บีต
ที่มา: https://math-physics-problems.wikia.org/wiki/Doppler_Beats?file=Beats.jpgเป็นปรากฏการณ์ทางวิทยาศาสตร์อย่างหนึ่งที่ตั้งชื่อตาม คริสเตียน ดอปเพลอร์ เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความถี่ของคลื่นและความยาวคลื่นในมุมมองของผู้สังเกตเมื่อมีการเคลื่อนที่ที่สัมพันธ์กับแหล่งกำเนิดคลื่นนั้น
ปรากฏการณ์นี้ เราจะได้ยินเสียงความถี่ผิดไปจากที่แหล่งกำเนิดให้ออกมา (ทั้งๆ ที่แหล่งกำเนิดเสียงให้เสียงความถี่เท่าเดิม) เราเรียกว่าเกิด ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์
คลิปวิดีโอปรากฏการณ์ดอปเพลอร์
ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์
ที่มา: https://images.app.goo.gl/9LTJh9eqYaummdZp9ในการพิจารณาเครื่องหมาย + หรือ – ให้กำหนดดังนี้
ถ้า vL , vs มีทิศสวนทางกับ v ให้แทนเครื่องหมาย +
vL , vs มีทิศเดียวกันกับ v ให้แทนเครื่องหมาย –
โดยทิศของ v จะมีทิศพุ่งเข้าหาผู้ฟังเสมอ
คลื่นกระแทก คือ ปรากฏการณ์ที่หน้าคลื่นเคลื่อนที่มาเสริมกันในลักษณะที่เป็นหน้าคลื่นวงกลมซ้อนเรียงกันไป โดยที่มีแนวหน้าคลื่นที่มาเสริมกันมีลักษณะเป็นรูปตัว V อันเนื่องมาจากแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่มากกว่าความเร็วของคลื่นในตัวกลาง ( vs>v ) เช่น คลื่นกระแทกของคลื่นที่ผิวน้ำขณะที่เรือกำลังวิ่ง หรือคลื่นเสียงก็เกิดขึ้นเมื่อเครื่องบิน บินเร็วกว่าอัตราเร็วของเสียงในอากาศ
คลื่นกระแทกของคลื่นผิวน้ำ
ที่มา: https://www.scimath.org/lesson-physics/item/7279-2017-06-13-14-47-52ถ้าอัตราเร็วของเครื่องบินมากกว่ามากกว่าอัตราเร็วเสียงในอากาศมากๆ จนกระทั่งทำให้รูปกรวยยิ่งเล็กลงมากๆ แล้วทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความดันอย่างมาก และรวดเร็วเป็นผลทำให้เกิดเสียงดังคล้ายเสียงระเบิดบริเวณคลื่นกระแทกนี้เคลื่อนที่ผ่าน อาจทำให้กระจกหน้าต่างแตกได้ เสียงที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า “โซนิกบูม ( Sonic Boom)”
คลิปวิดีโอการเกิด sonic boom
เลขมัค คือ ตัวเลขที่บอกให้เราทราบว่า อัตราเร็วของแหล่งกำเนิดคลื่น มีค่าเป็นกี่เท่าของอัตราเร็วของคลื่นในตัวกลาง เช่น เครื่องบินไอพ่นบินด้วยความเร็ว 2 มัค หมายความว่าเครื่องบินกำลังบินด้วยความเร็ว 2 เท่าของความเร็วเสียงในอากาศ เลขมัคถูกเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ ” M ” พิจารณาได้ดังนี้
ดังที่กล่าวมาแล้วในเรื่องการสะท้อนของเสียงว่า เสียงสะท้อนจากผนัง พื้น เพดาน ทำให้เกิดเสียงก้อง ดังเช่น การร้องเพลงในห้องน้ำที่มีผนังและพื้นมีกระเบื้องปู จะมีเสียงก้องจึงเหมาะกับการร้องเพลง เพราะทำให้ผู้ร้องเกิดความรู้สึกว่าการร้องเพลงในห้องน้ำเพราะกว่าการร้องในห้องธรรมดา ดังนั้น ห้องสำหรับฟังเพลงหรือร้องเพลงต้องมีการให้เสียงก้องเกิดขึ้นมากกว่าห้อง ทั่วไป แต่ก็ต้องมีค่าพอเหมาะสมไม่มากเกินไปจนฟังเพลงไม่รู้เรื่อง หรือเกิดความรำคาญ การออกแบบอาคาร ห้องประชุม ทั้งสถาปนิกและวิศวกรก็ต้องคำนวณล่วงหน้าว่าให้มีเสียงก้องมากหรือน้อยเพียงใด โดยการใช้วัสดุเก็บเสียง เช่น พรม ม่าน แผ่นกระดาษเก็บเสียง ฯลฯ เพื่อช่วยทำให้เวลาที่เกิดเสียงก้องพอเหมาะก่อนที่เสียงก้องจะจางหายไป
ปัจจุบันสถาปนิกมีปัญหาน้อยลง เพราะสามารถออกแบบให้ห้องมีเสียงก้องน้อยที่สุดเพื่อใช้ในการประชุม และเมื่อใดที่ต้องใช้ห้องเดิมในการแสดงดนตรีก็สามารถใช้เครื่องขยายเสียงที่ มีวงจรสำหรับสร้างเสียงก้องขึ้นมา ทำให้เสียงเพลง และเสียงดนตรีมีความไพเราะอย่างที่ควรจะเป็นคือมีเวลาก้องเสียงพอสมควร
ห้องบุแผ่นซับเสียง
ที่มา: https://images.app.goo.gl/FfU6ErtGc8jvs1qF7ชาวประมงใช้เครื่องโซนาร์ในการหาตำแหน่งของฝูงปลาเช่นเดียวกับค้างคาวใช้โซนาร์ใน การหาอาหาร โดยเครื่องโซนาร์ของเรือประมงจะส่งคลื่นเหนือเสียงออกไปเป็นจังหวะๆ
เมื่อคลื่นเสียงดังกล่าวกระทบฝูงปลา คลื่นเสียงจะสะท้อนกลับมายังเรือ และสัญญาณเสียงที่ได้รับนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าผ่านเข้าเครื่อง วิเคราะห์สัญญาณ ซึ่งจะบอกช่วงเวลาระหว่างสัญญาณเสียงที่ส่งออกไปกับสัญญาณเสียงสะท้อนที่ กลับมายังเรือ และเมื่อแปลงช่วงเวลานี้เป็นระยะห่างของวัตถุที่สะท้อนผลออกมาทางจอภาพ จะทำให้สามารถทราบตำแหน่งของฝูงปลา นอกจากนี้ ชาวประมงยังใช้คลื่นเหนือเสียงสื่อสารระหว่างเรือประมงด้วยกันอีกด้วย โดยทั่วๆ ไป เครื่องโซนาร์จะใช้คลื่นเหนือเสียงที่มีความถี่ในช่วง 20-100 กิโลเฮิรตซ์
เรือใช้คลื่น Sonar สำรวจใต้ทะเล
ที่มา: https://images.app.goo.gl/NdVTFtg36Zsmdvn69แพทย์ก็ได้มีการนำคลื่นเหนือเสียงมาใช้ในการตรวจอวัยวะภายในของคนไข้เพื่อ วินิจฉัยสาเหตุของความผิดปกติ เช่น ตรวจการทำงานของลิ้นหัวใจ ตรวจมดลูก ตรวจครรภ์ตรวจเนื้องอก ตับ ม้าม และสมอง เพราะคลื่นเหนือเสียงสามารถสะท้อนที่รอยต่อระหว่างชั้นของเนื้อเยื่อต่างๆ ได้ดีกว่ารังสีเอกซ์มาก คลื่นเหนือเสียงที่ใช้ในทางการแพทย์นี้ได้จากการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้ามาเป็น พลังงานคลื่นเหนือเสียงด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งมีความถี่ในช่วง 1-10 เมกะเฮิรตซ์ เมื่อคลื่นเสียงดังกล่าวผ่านผิวหนังเข้าในร่างกาย ไปกระทบเนื้อเยื่อที่มีความหนาแน่นต่างกันซึ่งสะท้อนคลื่นได้ดีต่างกัน เครื่องรับคลื่นสะท้อนจะเปลี่ยนคลื่นเสียงสะท้อนเป็นสัญญาณไฟฟ้า ซึ่งเมื่อผ่านเครื่องวิเคราะห์สัญญาณแล้วจะถูกส่งไปยังคอมพิวเตอร์เพื่อ ประมวลคลื่นสะท้อนที่มาจากทิศต่างๆ เข้าด้วยกัน แล้วสรุปผลที่ได้ออกมาเป็นภาพ
การตรวจครรภ์ด้วยอัลตราซาวด์
ที่มา: http://chonld.blogspot.com/p/blog-page_79.htmlในการสำรวจแหล่งแร่ด้วยการวิเคราะห์ชั้นหินต่าง ๆ นักธรณีวิทยาใช้วิธีการส่งคลื่นเสียงที่มีพลังงานสูงซึ่งได้จากการระเบิดของ ลูกระเบิดขนาดเล็กที่บริเวณผิวโลก คลื่นเสียงที่เกิดจากการระเบิดนี้จะทะลุผ่านชั้นต่างๆ ของเปลือกโลกลงไป เพราะเปลือกโลกประกอบด้วยชั้นหินที่มีลักษณะและความหนาแน่นแตกต่างกัน ทำให้คลื่นสะท้อนที่แต่ละชั้นของเปลือกโลกมีลักษณะแตกต่างกัน คลื่นเสียงสะท้อนนี้เมื่อกลับถึงผิวโลกจะเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าเข้าสู่ อุปกรณ์เพื่อวิเคราะห์ต่อไป และผลที่ได้จะถูกนำมาเป็นข้อมูลหนึ่งของลักษณะชั้นหินต่าง ๆ ใต้ผิวโลก
การสำรวจด้านธรณีวิทยา
ที่มา: http://chonld.blogspot.com/p/blog-page_79.htmlวิศวกรใช้คลื่นเหนือเสียงในการตรวจสอบรอยร้าวหรือรอยตำหนิในเนื้อโลหะ แก้ว หรือเซรามิก โดยการส่งคลื่นเสียงที่มีความถี่ในช่วง 500 กิโลเฮิรตซ์ ถึง 15 เมกะเฮิรตซ์ผ่านเข้าไปในชิ้นงานที่ต้องการตรวจสอบ และวิเคราะห์ในลักษณะของคลื่นสะท้อน หรือวิเคราะห์ลักษณะคลื่นที่ถูกรบกวนในคลื่นที่ผ่านออกไป วิธีนี้นอกจากจะใช้ตรวจสอบชิ้นงานประเภทโลหะหล่อหรือเซรามิกแล้วยังถูกนำไป ใช้ตรวจสอบยางรถยนต์ที่ผลิตใหม่ด้วย เครื่องมือวัดความหนาของแผ่นโลหะหรือวัสดุที่มีความแข็งอื่นๆ สามารถทำได้โดยใช้คลื่นเหนือเสียง แม้คลื่นจะไม่สามารถทะลุถึงอีกด้านหนึ่งของผิวหน้าแผ่นโลหะนั้นได้ก็ตาม เช่น การตรวจสอบความหนาของหม้อต้มน้ำความดันสูงสำหรับโรงงานอุตสาหกรรม เป็นต้น
คลื่นเหนือเสียงพลังงานสูงยังถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการทำความสะอาดผิว ของเครื่องใช้ขนาดเล็ก เช่น ชิ้นส่วนในนาฬิกาข้อมือและแว่นตา เป็นต้น เพื่อให้อนุภาคสกปรกที่จับเกาะผิวสั่นด้วยพลังงานของคลื่นเหนือเสียง เพราะความถี่ธรรมชาติของอนุภาคสกปรกเหล่านั้นหลุดจากผิวโลหะไปลอยปะปนในของเหลวที่โลหะแช่อยู่
ในการทหารก็มีการใช้คลื่นเหนือเสียงติดต่อสื่อสาร และตรวจจับการเคลื่อนไหวของเรือใต้น้ำ และตอร์ปิโด และใช้คลื่นเสียงจับตำแหน่งของเป้า เป็นต้น
อุตสาหกรรมการผลิตรถยนต์
ที่มา: http://chonld.blogspot.com/p/blog-page_79.htmlแหล่งที่มา
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)
คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี
ducksters.com
scienceforkidsclub.com
https://ngthai.com/science/24180/soundwave/
http://fahthansound.blogspot.com/2015/08/
https://sites.google.com/site/faiipromwang/home/gdy
https://www.wikiwand.com/th/พิสัยการได้ยิน
https://sites.google.com/site/srupsutrfiksiks/khlun-ning-khxng-seiyng
http://physics-m5.blogspot.com/2012/09/blog-post_6555.html
https://sites.google.com/site/khlunseiyngkabkarpramng12313/kar-prayukt-khwam-ru-reuxng-seiyng