บทที่01

บทที่ 1 คลื่นวิทยุและความสัมพันธ์ของคลื่น

1.1ลักษณะการเกิดคลื่น

คลื่น(Wave) คือพลังงานรูปหนึ่งที่เกิดขึ้นได้จากการกระทำของพลังงานอีกรูปหนึ่ง ลักษณะรูปแบบและชนิดของคลื่นที่มีมากมาย สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้หลากหลายแล้วแต่ความต้องการและความเหมาะสม ชนิดของคลื่นเช่น คลื่นความร้อน คลื่นแสง คลื่นวิทยุ เป็นต้น แม้ว่ารูปแบบและชนิดของคลื่นจะแตกต่างกัน แต่ขบวนการเกิดคลื่นจะเหมือนกัน เพื่อให้เกิดการเห็นภาพพจน์ของการกำเนิดคลื่นได้ง่ายและชัดเจน จึงเปรียบเทียบการโยนก้อนหินลงน้ำหรือทะเลในน้ำนิ่งจะเห็นได้ว่าผลของการโยนหินลงไปในน้ำจะทำให้เกิดระลอกคลื่นขึ้นโดยรอบก้อนหิวจะเกิดเป็นคลื่นน้ำมีการแกว่งตัวของผิวน้ำ ขึ้น ๆ ลง ๆสลับไปมาตลอดเวลามีทั้งยอดคลื่นทั้งสูงและต่ำสลับไปมาแต่ละต่ำแหน่งจะไม่เท่ากัน ดังรูปภาพ

รูปคลื่นที่เกิดขึ้นมีลักษณะการแกว่งตัวของคลื่นเปลี่ยนแปลงไปทางเพิ่มขึ้นสลับกับลดลง ลักษณะคลื่นหรือรูปสัญญาณที่เกิดขึ้นอยู่ในรูปคลื่นไซน์ (Sine Wave) รูปคลื่นไซน์ที่เกิดขึ้นจะเกิดซ้ำ ๆ กันตลอดเวลา ในกรณีของคลื่นอื่น ๆ เช่นคลื่นเสียงหรือคลื่นวิทยุ ลักษณะการเกิดคลื่นรูปล่างคลื่น ก็เป็นไปทำนองเดียวกัน

1.2ส่วนประกอบของคลื่น

คลื่นที่เกิดขึ้นโดยทั่วไปเป็นรูปคลื่นไซน์ แต่ในตัวกำเนิดคลื่นบางอย่างอาจกำเนิดคลื่นออกมาในรูปร่างอื่น ๆ คลื่นที่ถูกกำเนิดขึ้นมาใช้งานมีรูปร่างของคลื่นแตกต่างออกไป มีชื่อเรียกแตกต่างกันตามรูปร่างกำเนิดขึ้นเช่น คลื่นสีเหลี่ยม (Square Wave) คลื่นพัลส์ (Pulse Wave) คลื่นสามเหลี่ยม (Triangular Wave) และคลื่นฟันเลื่อย (Sawtooth Wave) เป็นต้น รูปคลื่นมีส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องกันรียกชื่อส่วนประกอบของคลื่นแต่ละส่วนแตกต่างกัน ส่วนประกอบของคลื่นและชื่อเรียกแสดงดังรูป

1.2.1ความสูงคลื่น(Amplitude) หรือความแรงคลื่น คือ ระดับของคลื่นที่เกิดขึ้นมามีขนาดความแรงมากน้อยเพียงไร ความสูงมี2ส่วนคือ ความสูงช่วงบวกเป็นความสูงที่วัดจากแนวกึ่งกลางคลื่นไปยังยอดสูงสุดของคลื่นในช่วงบวก และความสูงช่วงลบเป็นความสูงที่วัดจากแนวกึ่งกลางคลื่นไปยังยอดสูงสุดขอคลื่นในช่วงลบ

1.2.2ความยาวคลื่น(Wave Length) คือระยะห่างของลูกคลื่นที่เริ่มเกิดขึ้นซ้ำขึ้นมาช่วงยอดบวกระยะนี้เองเรียกว่าความยาวคลื่น

1.2.3รอบคลื่น(Cycle)คือการเคลื่อนที่ครบ1รอบของคลื่นพอดีคลื่นที่ไปยังช่วงบวกหนึ่งครั้งและไปยังช่วงลบหนึ่งครั้งเรียกว่ารอบคลื่น1รอบคลื่นจะมีค่าความยาวเท่ากับความยาวคลื่น

1.2.4คาบเวลา(Period)เวลาที่ใช้ในการทำให้คลื่นเคลื่อนที่ครบ1รอบพอดีคลื่นที่เกิดขึ้นจะมีความเร็วรอบที่แตกต่างกัน คลื่นที่มีความเร็วรอบต่ำมีคาบเวลามากและคลื่นที่มีความเร็วรอบสูงมีคาบเวลาน้อย คาบเวลานี้เป็นตัวบอกเวลาในการเคลื่อนที่ของคลื่นครบ1รอบ

1.2.5ความถี่(Frequency)คือค่าที่บอกความเร็วรอบในการเคลื่อนที่ของคลื่นครบรอบคลื่นภายในระยะเวลา1วินาที (s)มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์ (Hertz) ใช้อักษรย่อ Hz คลื่นต่างๆ ที่ถูกกำเนิดขึ้นมามักถูกบอกค่าความเร็วรอบในการเคลื่อนที่ออกมาเป็นค่าความถี่เสมอ

1.3คลื่นเสียงและคลื่นวิทยุ

คลื่นที่ถูกกำเนิดขึ้นมาใช้งานด้านวิทยุโทรคมนาคม หรือทางด้านวิทยุสื่อสาร ประกอบด้วยคลื่นสำคัญ2ชนิดคือคลื่อเสียง(Audio Wave)และคลื่นวิทยุ (Radio Wave) คลื่น2ชนิดนี้เป็นรูปคลื่นไซน์เหมือนกันแต่มีความถี่ที่แตกต่างกัน

1.3.1คลื่นเสียง เป็นคลื่นที่มีความถี่ใช้งานอยู่ในย่านความถี่ต่ำ20ถึง20,000 Hz ความถี่ในย่านนี้มนุษย์สามารถรับฟังได้อาจเกิดมาจากเสียงของมนุษย์หรือจากการกำเนิดสัญญาณเสียงต่างๆ คลื่นเสียงไม่สามารถเดินทางได้ไกลเพราะมีความถี่ต่ำ คลื่นเสียงที่มนุษย์ได้ยินจะมีความแตกต่างกัน มีทั้งเสียงทุ้ม กลาง และแหลม เสียงที่แตกต่างนี้มีความถี่แตกต่างกัน เสียงทุ้มมีความถี่ต่ำ 20ถึง500 Hz เสียงปานกลางมีความถี่ 500ถึง5,000 Hz เสียงแหลมมีความถี่สูง 5,000ถึง20,000 Hz และคลื่นเสียงจะได้ทางได้ไกลไม้นั้นขึ้นอยู่กับความแรงของคลื่นเสียง

1.3.2คลื่นวิทยุ เป็นคลื่นที่มีความถี่ใช้งานอยู่ในย่านความถี่สูงมาก ๆ ประมาณ 10 kHz (10,000Hz) ถึง3 THz (3,000,000,000,000 Hz) ความถี่ในย่านนี้มนุษย์ไม่สามารถรับฟังได้ การเดินทางของคลื่นวิทยุสามารถเดินทางไปได้ไกลมาก ด้วยความเร็วประมาณ (3x10)8 เมตรต่อวินาที (m/s)การเดินทางของคลื่นจะอยู่ในรูปแม่เหล็กไฟฟ้า สารมารถเดินทางไปได้ทุกที่โดยไม่ต้องผ่านตัวกลาง

คลื่นวิทยุอยู่ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นที่ถูกกำเนิดขึ้นมาจากอุปกรณ์กำเนิดตลื่นโดยปกติสามารถกำเนิดขึ้นมาได้จากสายอากาศ (Antenna) เครื่องส่งวิทยุเมื่อมีแรงดันไฟฟ้ากระแสสล้บป้อนให้สายอากาศ แรงดันไฟจะถูกเปลี่ยนเป็นสนามไฟฟ้า (Electric Field) และเมื่อมีกระแสไฟฟ้าสลับป้อนให้สายอากาศกระแสจะถูกสลับไปเป็นสนามแม่เหล็ก (Magnetic Field) สนามทั้งสองจะถูกแพร่กระจายรอบสายอากาศและเคลื่อนเดินออกไปในรูปแม่เหล็กไฟฟ้าลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังรูป

1.4ชื่อเรียกย่านความถี่ที่ใช้งาน

ความถี่ที่ถูกนำไปใช้ประโยชน์มีมากมายหลายค่าหลายความถี่ ในแต่ละค่าแต่ระช่วงความถี่ชื่อเรียกแตกต่างกัน มีคุณสมบุติแตกต่างกัน ตลอดจนประโยชน์ในการใช้งานก็แตกต่างกัน

เป็นตารางบอกรายละเอียดในส่วนของย่านความถี่ ความยาวคลื่น และชื่อเรียกใช้งานของคลื่นความถี่ต่างๆหน่วยที่ใช้บอกค่าความถี่ และใช้บอกค่าความยาวคลื่นมีความแตกต่างกันเพื่อให้เกิดความถูกต้องเหมาะสม หน่วยต่างๆ มีความสัมพันธ์กัน และ การใช้งานย่านความถี่วิทยุมีความแตกต่างกัน

1.4.1หน่วยความถี่

1กิโลเฮิรตซ์ = (10)3 Hz1เมกกะเฮิรตซ์ = (10)6 Hz

1จิกกะเฮิรตซ์ = (10)9 Hz1เทระเฮิรตซ์ = (10)12 Hz

1.4.2หน่วยความยาว

1กิโลเมตร = (10)3 เมตร (Meter ; M)

1เซนติเมตร = (10)-2 m

1มิลลิเมตร = (10)-3 m

1ไมโครเมตร = (10)-6 m

1นาโนเมตร = (10)-9 m1พิโคเมตร = (10)-12 m

1.4.3การใช้งานย่านความถี่วิทยุ มีความถี่หลายย่านถูกนำมาใช้ในเครื่องรับ-ส่งวิทยุหลายแบบ มีชื่อเรียกแตกต่างกันไป เช่น AM,FM,LW,MW,SWเป็นต้น

1.เครื่องรับวิทยุแบบAm (Amplitude Modulation)

เป็นเครื่องรับวิทยุที่นิยมใช้ย่านความถี่LF,MF,และHF

2.เครื่องรับวิทยุ FM (Frequency Modulation)เป็นเครื่องรับวิทยุที่ใช่งานในย่าน VHF

3.เครื่องรับ-ส่งวิทยุSSB (Single Sideband) เป็นเครื่องรับ-ส่งวิทยุที่ใช้งานในย่านความถี่ HFนิยมใช้ในระบบวิทยุสื่อสาร

4.เครื่องรับโทรทัศน์(Television) เป็นเครื่องรับสัญญาณภาพและเสียงใช้ความถี่ย่าน VHFและ UHF

5.เครื่องรับ-ส่งวิทยุสื่อสารไมโครเวฟ (Microwave) และดาวเทียม (Satellite) เป็นระบบวิทยุสื่อสารที่ใช้ในย่านความถี่ UHFและSHF

1.5การเดินทางของคลื่นวิทยุ

เกิดจากการอาศัยคลื่นวิทยุที่แพร่กระจายออกไปในอากาศในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเรียกหลักการนี้ว่า วิทยุ (Radio) หรือการสื่อสารโดยใช้คลื่นความถี่สูงไม่ใช้สายไฟเป็นตัวพาคลื่นไปมีส่วนประกอบ3ส่วนสำคัญคือ ส่วนแรกเครื่องส่งวิทยุ ทำหน้าที่ส่งสัญญาณต่างๆ ส่วนที่สองพาหะ เป็นคลื่นความถี่สูงทำหน้าที่พาสัญญาณเสียงออกไปจากเครื่องส่งวิทยุ ส่วนที่สามเครื่องรับวิทยุ ทำหน้าที่รับสัญญาณจากคลื่นพาหะมาแหลงกับเป็นเสียงพูดเสียงร้องและเสียงดนตรีที่รับฟังด้วยหูมนุษย์ ประกอบกับการสื่อสารด้วยคลื่นวิทยุดังรูป

พาหะถูกแพร่กระจายออกไปเครื่องส่งวิทยุจะต้องเดินทางผ่านไปในอากาศและชั้นบรรยากาศต่างๆเดินทางออกจากสายอากาศไปในลักษณะคลื่นเดินทาง3ชนิดคือ คลื่นดิน คลื่นฟ้า คลื่นตรง การเดินทางแต่ละชนิดมีคุณสมบัติแตกต่างกันย่านความที่ที่ใช้งานและระยะทางของการรับ-ส่งวิทยุก็ จะแตกต่างกันออกไปด้วย