บทที่ 12 เสียง

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

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (Doppler Effect)

เป็นปรากฏการณ์ทางวิทยาศาสตร์อย่างหนึ่งที่ตั้งชื่อตาม คริสเตียน ดอปเพลอร์ เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความถี่ของคลื่นและความยาวคลื่นในมุมมองของผู้สังเกตเมื่อมีการเคลื่อนที่ที่สัมพันธ์กับแหล่งกำเนิดคลื่นนั้น

ปรากฏการณ์นี้ เราจะได้ยินเสียงความถี่ผิดไปจากที่แหล่งกำเนิดให้ออกมา (ทั้งๆ ที่แหล่งกำเนิดเสียงให้เสียงความถี่เท่าเดิม) เราเรียกว่าเกิด ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์

เลขมัค คือ ตัวเลขที่บอกให้เราทราบว่า อัตราเร็วของแหล่งกำเนิดคลื่น มีค่าเป็นกี่เท่าของอัตราเร็วของคลื่นในตัวกลาง เช่น เครื่องบินไอพ่นบินด้วยความเร็ว 2 มัค หมายความว่าเครื่องบินกำลังบินด้วยความเร็ว 2 เท่าของความเร็วเสียงในอากาศ เลขมัคถูกเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ ” M ” พิจารณาได้ดังนี้

ด้านสถาปัตยกรรม

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

ด้านการประมงและสำรวจใต้น้ำ

ชาวประมงใช้เครื่องโซนาร์ในการหาตำแหน่งของฝูงปลาเช่นเดียวกับค้างคาวใช้โซนาร์ใน การหาอาหาร โดยเครื่องโซนาร์ของเรือประมงจะส่งคลื่นเหนือเสียงออกไปเป็นจังหวะๆ

เมื่อคลื่นเสียงดังกล่าวกระทบฝูงปลา คลื่นเสียงจะสะท้อนกลับมายังเรือ และสัญญาณเสียงที่ได้รับนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าผ่านเข้าเครื่อง วิเคราะห์สัญญาณ ซึ่งจะบอกช่วงเวลาระหว่างสัญญาณเสียงที่ส่งออกไปกับสัญญาณเสียงสะท้อนที่ กลับมายังเรือ และเมื่อแปลงช่วงเวลานี้เป็นระยะห่างของวัตถุที่สะท้อนผลออกมาทางจอภาพ จะทำให้สามารถทราบตำแหน่งของฝูงปลา นอกจากนี้ ชาวประมงยังใช้คลื่นเหนือเสียงสื่อสารระหว่างเรือประมงด้วยกันอีกด้วย โดยทั่วๆ ไป เครื่องโซนาร์จะใช้คลื่นเหนือเสียงที่มีความถี่ในช่วง 20-100 กิโลเฮิรตซ์

ด้านการแพทย์

แพทย์ก็ได้มีการนำคลื่นเหนือเสียงมาใช้ในการตรวจอวัยวะภายในของคนไข้เพื่อ วินิจฉัยสาเหตุของความผิดปกติ เช่น ตรวจการทำงานของลิ้นหัวใจ ตรวจมดลูก ตรวจครรภ์ตรวจเนื้องอก ตับ ม้าม และสมอง เพราะคลื่นเหนือเสียงสามารถสะท้อนที่รอยต่อระหว่างชั้นของเนื้อเยื่อต่างๆ ได้ดีกว่ารังสีเอกซ์มาก คลื่นเหนือเสียงที่ใช้ในทางการแพทย์นี้ได้จากการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้ามาเป็น พลังงานคลื่นเหนือเสียงด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งมีความถี่ในช่วง 1-10 เมกะเฮิรตซ์ เมื่อคลื่นเสียงดังกล่าวผ่านผิวหนังเข้าในร่างกาย ไปกระทบเนื้อเยื่อที่มีความหนาแน่นต่างกันซึ่งสะท้อนคลื่นได้ดีต่างกัน เครื่องรับคลื่นสะท้อนจะเปลี่ยนคลื่นเสียงสะท้อนเป็นสัญญาณไฟฟ้า ซึ่งเมื่อผ่านเครื่องวิเคราะห์สัญญาณแล้วจะถูกส่งไปยังคอมพิวเตอร์เพื่อ ประมวลคลื่นสะท้อนที่มาจากทิศต่างๆ เข้าด้วยกัน แล้วสรุปผลที่ได้ออกมาเป็นภาพ

ด้านธรณีวิทยา

ในการสำรวจแหล่งแร่ด้วยการวิเคราะห์ชั้นหินต่าง ๆ นักธรณีวิทยาใช้วิธีการส่งคลื่นเสียงที่มีพลังงานสูงซึ่งได้จากการระเบิดของ ลูกระเบิดขนาดเล็กที่บริเวณผิวโลก คลื่นเสียงที่เกิดจากการระเบิดนี้จะทะลุผ่านชั้นต่างๆ ของเปลือกโลกลงไป เพราะเปลือกโลกประกอบด้วยชั้นหินที่มีลักษณะและความหนาแน่นแตกต่างกัน ทำให้คลื่นสะท้อนที่แต่ละชั้นของเปลือกโลกมีลักษณะแตกต่างกัน คลื่นเสียงสะท้อนนี้เมื่อกลับถึงผิวโลกจะเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าเข้าสู่ อุปกรณ์เพื่อวิเคราะห์ต่อไป และผลที่ได้จะถูกนำมาเป็นข้อมูลหนึ่งของลักษณะชั้นหินต่าง ๆ ใต้ผิวโลก

ด้านวิศวกรรมและอุตสาหกรรม

วิศวกรใช้คลื่นเหนือเสียงในการตรวจสอบรอยร้าวหรือรอยตำหนิในเนื้อโลหะ 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