เสียง

ธรรมชาติของเสียง

      เมื่อวัตถุเกิดการสั่นจะเกิดเสียงขึ้น เช่น การสั่นของเส้นเสียงในกล่องดนตรี ขณะที่มีการเปล่งเสียงพบว่ามีการสั่นอยู่ในลำคอ หรืออาจสั่งเกตได้จากสายกีตาร์เมื่อสายกีตาร์สั่นจะเกิดเสียงแต่หากสายกีต้าร์หยุดสั่นจะไม่ได้ยินเสียง

แหล่งกำเนิดเสียง

       เช่น เมื่อเราดีดสายกีตาร์ พลังงานพลังงานจากการดีดจะถ่ายโอนให้กับสายกีตาร์ ทำ ให้สายกีตาร์สั่น พลังงานของสายกีต้าร์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานเสียงแพร่ออกไปโดยรอบ กล่าวได้ว่า เสียงเกิดจาก การสั่นของสายกีตาร์ ถือว่า สายกีตาร์เป็นแหล่งกำเนิดเสียง

ตัวกลาง

      อากาศถือเป็นตัวกลางที่เสียงใช้ในการเคลื่อนที่ นอกจากนี้ยังพบอีกว่าของแข็งและของเหลวอาจ

เป็นตัวกลางในการเคลื่อนที่ของเสียงได้อีกเหมือนกัน

ผู้ฟัง

      เมื่อเสียงมาถึงผู้ฟัง จะทำให้ประสาทสัมผัสในหูรับรู้และสามารถได้ยินเสียงได้

ชนิดของเสียงตามความถี่ของคลื่นและความสามารถการได้ยินของมนุษย์

      1.คลื่นที่ได้ยิน หรือ เสียง (audio Wave หรือ sound) เป็นคลื่นเสียงที่มีความถี่อยู่ที่ช่วงมนุษย์ได้ยิน

คือ 20-20,000 เฮิร์ต ซึ่งเสียงที่เราพูดจะอยู่ในช่วงความถี่ดังกล่าว

      2.คลื่นใต้เสียง (Infrasonic wave หรือ infrasound) เป็นเสียงที่มีความถี่ต่ำกว่าช่วงความถี่ที่มนุษย์

ได้ยิน คือต่ำกว่า 20 เฮิร์ต เช่นเสียงที่ช้างใช้ในการสื่อกสารกัน

      3.คลื่นเหนือเสียง (ultrasonic waves หือ ultrasound) เป็นเสียงที่มีความถี่สูงกว่าช่วงความถี่ที่มนุย์

ได้ยิน สูงกว่า 20,000 เฮิร์ต เช่น สุนัขสามารถตอบสนองต่อเสียง นกหวีดความถี่สูง ในขณะที่มนุษย์

ไม่ได้ยิน

การเกิดคลื่นเสียง

      เสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุ พลังงานการสั่นของวัตถุจะถ่ายโอนให้กับโมเลกุลของอากาศ ทำให้โมเลกุลของอากาศสั่น แล้วถ่ายโอนโมเลกุลให้กับโมเลกุลถัดไป การสั่นของคลื่นเสียงจะมีการสั่นแบบซิมเปิลฮาร์มอนิกดังนั้นคลื่นเสียงเป็นคลื่นตามยาว

การเคลื่อนที่ของคลื่น

      การเคลื่อนที่ของเสียงผ่านตัวกลางซึ่งโดยปกติ คือ อนุภาคของอากาศแต่สามารถอธิบายโดยใช้คลื่นในลวดสปริงได้

ส่วนอัด(Compression)

      ส่วนอัดเป็นบริเวณที่อนุภาคตัวกลางอัดตัวกัน ทำให้บริเวณนี้มีความดันสูงกว่าปกติ ตรงกลางของส่วนอัดอนุภาคตัวกลางไม่มีการเคลื่อนที่

ส่วนขยาย (Rarefaction)

      ส่วนขยายเป็นบริเวณที่อนุภาคตัวกลางแยกออกจากกัน ทำให้บริเวณนี้มีความดันต่ำกว่าปกติ ตรงกลาง

ของส่วนขยาย อนุภาคตัวกลางไม่มีการเคลื่อนที่ เมื่อให้คลื่นเสียงผ่านอนุภาคของอากาศ

      บริเวณส่วนอัดจะมีความดันอากาศสูงกว่าปกติ อนุภาคอากาศกลางส่วนอัดไม่มีการกระจัด ไม่เคลื่อนที่ บริเวณส่วนขยายจะมีความดันอากาศต่ำกว่าปกติ อนุภาคอากาศกลางส่วนขยายไม่มีการกระจัดเช่นกัน

เมื่อพิจารณาคลื่นเสียงที่เคลื่อนที่ผ่านอากาศขณะหนึ่ง ลักษณะของอนุภาคอากาศตามแนวที่เสียง

ให้ x เป็นการกระจัดของอนุภาคอากาศเมื่อเสียงผ่าน และ P เป็นความดันอากาศ เมื่อคลื่นเสียงผ่าน

      กราฟระหว่างความดันกับระยะทาง และกราฟระหว่าง การกระจัด กับระยะทาง จะมีเฟสต่างกัน 90o ซึ่ง

หมายความว่า เมื่ออากาศมีความดันสูงจะเป็นบริเวณส่วนอัด แต่เมื่ออากาศมีความดันต่ำกว่าปกติ จะเป็นบริเวณส่วนขยาย ระยะห่างจากบริเวณส่วนอัดหนึ่งถึงส่วนอัดที่อยู่ติดกันเป็นความยาว 1 ช่วงคลื่น หรือเป็นความยาวคลื่น

อัตราเร็วของเสียง

      เสียงสามารถเคลื่อนที่ได้ทั้งในของแข็ง ของเหลว และแก๊สแต่พบว่า อัตราเร็วของเสียงใน ตัวกลางที่มีสถานะต่าง ๆ จะมีค่าไม่เท่ากัน โดยปกติในของแข็งจะมีอัตราเร็วเสียงมากกว่าในของเหลวและแก๊ส ตามลำดับ

      เมื่อเสียงโดยปกติที่เราได้ยินจะอาศัยตัวกลางที่เป็นอากาศ ดังนั้น เราจึงต้องศึกษาอัตราเร็วเสียงในอากาศ และพบว่า อัตราเร็วเฉลี่ยของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์

v ∝√T

      คลื่นเสียง (sound wave) เป็นคลื่นกลตามยาว เกิดจากการสั่นของแหล่งกำเนิดเสียงและถ่ายโอน

พลังงานทำให้อนุภาคตัวกลางสั่น เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านอากาศจะทำให้มีการเปลี่ยนแปลงการกระจัด ของอนุภาคอากาศและมีการเปลี่ยนแปลงความดันอากาศ โดยกราฟการกระจัดของอนุภาคอากาศ กับตำแหน่งและกราฟความดันอากาศที่เปลี่ยนแปลงกับตำแหน่งมีลักษณะเป็นคลื่นรูปไซน์ (sinusoidal wave) ที่มีเฟสต่างกัน90 องศา อัตราเร็วเสียงหาได้จาก

v=fλ และ v=d/t

อัตราเร็วเสียงขึ้นอยู่กับความยืดหยุ่นและความหนาแน่นในตัวกลางที่ต่างกัน เสียงมีอัตราเร็วที่ต่างกันโดยอัตาเร็วเสียงที่เป็นของแข็งในตัวกลางจะมากกว่าของเหลวและแก๊สตามลำดับ เมื่อเสียงเคลื่อนที่ผ่านอากาศหาอัตราเร็วได้จาก

v = 331 + 0.6Tc°

การสะท้อนของเสียง 

      เสียงที่ส่งผ่านไปยังสมองจะยังคงค้างอยู่นาน 0.1 วินาที ถ้าเสียงเปล่งออกไปนั้นเกิดการสะท้อนให้ได้ยินในช่วงเวลามากกว่า 0.1 วินาที เราจะสามารถแยกเสียงสะท้อนกลับและเสียงที่เปล่งออกมาได้ เรียกเสียงสะท้อนกรณีนี้ว่า เสียงสะท้อนกลับ (echo) แต่ถ้าเราส่งเสียงในห้องแคบ เช่นห้องน้ำ เสียงสะท้อนที่เกิดขึ้นในห้องน้ำเสียงสะท้อนจะกลับมาที่หูเราในเวลาที่สั้นกว่า 0.1 วินาที จะเรียกว่า เสียงกังวาน (reverberation)

การหักเหของเสียง

      เกิดขึ้นเมื่อเสียงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างชนิดกันซึ่งทำให้อัตราเร็วของเสียงเปลี่ยนแปลง และอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปก็ทำให้อัตราเร็วของเสียงเปลี่ยนแปลงไปด้วย ซึ่งเป็นสมบัติการหักเหของคลื่น ในการหักเหของคลื่นเสียงทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียงเปลี่ยนไปด้วย ยกเว้นเมื่อคลื่นเสียงตกตั้งฉากกับผิวรอยต่อของตัวกลางทิศทางจะไม่เปลี่ยน นอกจากนี้ลมยังมีผลต่ออัตราเร็วของเสียงในอากาศแสดงว่าลมทำให้เสียงเกิดการหักเหได้การหักเหของเสียงเมื่อคลื่นเสียงเดินทางในอากาศจากบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำไปสู่บริเวณที่มีอุณหภูมิสูงตอนกลางวันอากาศเหนือพื้นดินจะมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศบริเวณด้านบน เสียงจะหักเหขึ้นสู่อากาศ

การเลี้ยวเบนของเสียง 

      เสียงสามารถเคลื่อนที่อ้อมสิ่งกีดขวางได้ ทำให้เราได้ยินเสียงเสมอไม่ว่าจะอยู่ด้านหลังของสิ่งกีดขวาง และการเลี้ยวเบนของคลื่นเสียง เป็นไปตามหลักของฮอยเกนต์ คือ ทุกๆ จุดบนหน้าคลื่นถือเสมือนเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นใหม่

การแทรกสอดของเสียง

      การแทรกสอดของเสียง เกิดขึ้นเมื่อคลื่น 2 ขบวนในตัวกลางเดียวกัน มีความถี่เท่ากัน เกิดการรวมกันแบบ เสริม ซึ่งจะทำให้ได้ยินเสียงดัง และตำแหน่งที่รวมกันแบบหักล้างจะได้ยินเสียงค่อย

นายณัชพล วังวงศ์