เสียง
เสียง เป็นคลื่นกลที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อวัตถุสั่นสะเทือน ก็จะทำให้เกิดการอัดตัวและขยายตัวของคลื่นเสียง และถูกส่งผ่านตัวกลาง เช่น อากาศ ไปยังหู แต่เสียงสามารถเดินทางผ่านสสารในสถานะก๊าซ ของเหลว และของแข็งก็ได้ แต่ไม่สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้
การเคลื่อนที่ของเสียง
เสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุต้นกำเนิด คือ เมื่อเราให้งานหรือพลังงานแก่วัตถุต้นกำเนิดเสียง พลังงานของการสั่นจะถ่ายโอนให้กับโมเลกุลของตัวกลางที่อยู่รอบๆ ทำให้โมเลกุลของตัวกลางสั่น แล้วถ่ายโอนพลังงานให้กับโมเลกุลถัดไป มีผลให้คลื่นเสียงแผ่กระจายออกไปโดยรอบแหล่งกำเนิดโดยโมเลกุลของตัวกลางไม่ได้เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่นเสียง หลังจากเสียงเคลื่อนที่ผ่านไปแล้วโมเลกุลของตัวกลางแต่ละตำแหน่งยังคงอยู่ที่เดิม นั่นคือ คลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่านโมเลกุลของตัวกลางจะเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์โมนิกในแนวเดียวกับที่การเคลื่อนที่ของเสียง ดังนั้นเสียงจึงเป็นคลื่นตามยาว
เมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่ของเสียงในอากาศ ขณะที่เสียงผ่านอากาศโมเลกุลของอากาศจะเกิดการสั่นทำให้เกิดเป็นช่วงอัด (compression) และช่วงขยาย (rarefaction)
อัตราเร็วของเสียง
เสียง เป็นคลื่นกลที่ใช้อากาศเป็นพาหะ เกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อวัตถุสั่นสะเทือน ก็จะทำให้เกิดการอัดตัวและขยายตัวของคลื่นเสียง และถูกส่งผ่านตัวกลาง เช่น อากาศ ไปยังหู แต่เสียงสามารถเดินทางผ่านก๊าซ ของเหลว และของแข็งก็ได้ แต่ไม่สามารถเดินทางผ่าน สุญญากาศ เช่น ในอวกาศ ได้
เมื่อการสั่นสะเทือนนั้นมาถึงหูของเรา มันจะถูกแปลงเป็นพัลส์ประสาท ซึ่งจะถูกส่งไปยังสมอง ทำให้เรารับรู้และจำแนกเสียงต่างๆ ได้
กลไกการได้ยินสียง
ช่องหูจะทำให้คลื่นเสียงที่มีความถี่ระหว่าง 2,000 – 5,000 Hz มีพลังงานสูงขึ้นเนื่องจากเกิด resonance ในช่องหู ถ้าความถี่ ต่ำกว่า 400 Hz การรับคลื่นเสียงไม่ค่อยดี ทั้งใบรูและช่องหูทำให้เกิดการขยายเสียง เมื่อคลื่นเสียงไปกระทบแก้วหู ซึ่งต่ออยู่กับกระดูก 3 ชิ้น ซึ่งประกอบกันแบบคานดีดคานงัดจึงมีการได้เปรียบเชิงกลเกิดขึ้นทำให้มีแรงเพิ่มขึ้น กระดูกโกลนซึ่งอยู่ที่ตำแหน่งสุดท้ายมี ความแตกต่างระหว่างพื้นที่กับหน้าต่างรูปไข่มาก เมื่อมีแรงมากระทำจะทำให้ความดันเพิ่มขึ้น จึงเกิดการขยายเสียงขึ้นประมาณ 30 เท่า จากนั้นเสียงก็จะเดินทางเข้าสู่หูส่วนใน สัญญาณเสียงก็จะเกิดการขยายอีก เมื่อคลื่นเสียงผ่านหูส่วนในก็จะทำให้เยื่อบาซิลาร์สั่น ปลายประสาทที่เยื่อบาซิลาร์ก็ส่งสัญญาณต่อไปยังสมอง ทำให้เกิดความรู้สึกในการได้ยินเสียง
คุณลักษณะของเสียง
คุณลักษณะเฉพาะของเสียง ได้แก่ ความถี่ 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
แอมปลิจูด
แอมปลิจูด (amplitude) หมายถึง ความสูงระหว่างยอดคลื่นและท้องคลื่นของคลื่นเสียง ที่แสดงถึงความเข้มของเสียง (Intensity) หรือความดังของเสียง (Loudness) ยิ่งแอมปลิจูดมีค่ามาก ความเข้มหรือความดังของเสียงก็ยิ่งเพิ่มขึ้น
อัตราเร็วของเสียง
เสียงเป็นคลื่นที่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ดังนั้นอัตราเร็วของเสียงในตัวกลางตัวกลางแต่ละชนิดจะไม่เท่ากัน ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของตัวกลาง ดังนี้
อัตราเร็วของเสียงในตัวกลางต่างๆ ที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส
(ยกเว้นตัวกลางที่มีอุณหภูมิกำกับ)
ตัวกลาง อัตราเร็ว (เมตร/วินาที)
- แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ( 0 ํC) อัตราเร็ว 258 เมตร/วินาที
- อากาศ (0 ํC) อัตราเร็ว 331 เมตร/วินาที
- อากาศ ( 15 ํC) อัตราเร็ว 346 เมตร/วินาที
- อากาศ (100 ํC) อัตราเร็ว 336 เมตร/วินาที
- ไฮโดรเจน (0 ํC) อัตราเร็ว 1,290 เมตร/วินาที
- ออกซิเจน (0 ํC) อัตราเร็ว 317 เมตร/วินาที
- ฮีเลียม (0 ํC) อัตราเร็ว 972 เมตร/วินาที
- ไฮโดรเจน อัตราเร็ว 1,339 เมตร/วินาที
- น้ำ อัตราเร็ว 1,498 เมตร/วินาที
- น้ำทะเล อัตราเร็ว 1,531 เมตร/วินาที
- เมทิลแอลกอฮอล์ อัตราเร็ว 1,140 เมตร/วินาที
- แก้ว อัตราเร็ว 4,540 เมตร/วินาที
- อะลูมิเนียม อัตราเร็ว 5,000 เมตร/วินาที
- เหล็ก อัตราเร็ว 5,200 เมตร/วินาที
- ทองแดง อัตราเร็ว 3,560 เมตร/วินาที
- ตะกั่ว อัตราเร็ว 1,320 เมตร/วินาที
- ยาง อัตราเร็ว 54 เมตร/วินาที
ในตัวกลางชนิดหนึ่งๆ อัตราเร็วของเสียงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิด้วย
การใช้อัตราเร็วของเสียงวัดระยะทาง
ในการใช้คลื่นเสียงวัดระยะทาง ส่วนมากจะใช้ในน้ำ เนื่องจากอัตราเร็วของเสียงในน้ำมีค่าสูงกว่ายานพาหนะหรือวัตถุอื่นที่เคลื่อนที่ในน้ำมาก เช่นการวัดความลึกของทะเล หรือการใช้คลื่นโซนาร์เป็นเรดาร์ของชาวประมงในการสำรวจหาฝูงปลาเป็นต้น
ระยะทางที่เสียงเคลื่อนที่ได้ในเวลา 1 วินาที
อัตราเร็วของเสียงขึ้นอยู่กับ
1. ความหนาแน่น ความหนาแน่นมาก อัตราเร็วมาก
2. ความยืดหยุ่น ความยืดหยุ่นมาก อัตราเร็วมาก
3. อุณหภูมิ อุณหภูมิสูง อัตราเร็วมาก
อัตราเร็วของเสียงในอากาศ :
" สิ่งใดที่ทำให้ความหนาแน่นของอากาศเปลี่ยนแปลง โดยไม่ทำให้ความดันเปลี่ยน
สิ่งนั้นย่อมเป็นเหตุให้อัตราเร็วของเสียงเปลี่ยน"
อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงสามารถมีผลกระทบต่ออัตราเร็วของเสียงได้
ถ้าอุณหภูมิของอากาศเพิ่มขึ้น ณ ความดันคงที่ อากาศย่อม ขยายตัวออกตามกฏของชาร์ล
และจะมีความหนาแน่นลดลงทำให้อัตราเร็วของเสียงเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ
อัตราเร็วของเสียงในอากาศจะแปรผันโดยตรงกับอุณหภูมิ(อุณหภูมิเคลวิน)
สามารถสรุปความสัมพันธ์ได้เป็น
แต่ถ้าอุณหภูมิเป็นเซลเซียส ได้ความสัมพันธ์ดังนี้
เสียงมีคุณสมบัติเป็นคลื่น ดังนั้นอัตราเร็วของเสียงสามารถหา
จากสูตร
ตัวอย่าง
วิเคราะห์ : อัตราเร็วของเสียงในอากาศขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
2. เมื่อเคาะท่อเหล็กครั้งหนึ่งปรากฏว่าผู้ที่ยืนอยู่ที่ปลายอีกข้างหนึ่งของท่อเหล็ก
ได้ยินเสียง 2 ครั้งหลังจากเคาะแล้วเป็นเวลา 0.2 วินาที และ 3.0 วินาที ตามลำดับ
ถ้าขณะที่ทำการทดลองมี อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส จงหา
ก. ความยาวของท่อเหล็ก
ข. ความเร็วของเสียงในท่อเหล็ก
วิเคราะห์ :
1. การที่เราได้ยินเสียง 2 ครั้ง โดยเสียงเดินทางผ่านท่อเหล็กและอากาศ
เสียงจะเดินทางในอากาศช้ากว่าในเหล็ก
ดังนั้น เสียงเดินทางในอากาศใช้เวลา 3 วินาที
ในเหล็กใช้เวลา 0.2 วินาที
3. ระยะทางในอากาศ เท่ากับระยะทางในท่อเหล็ก
..... และ อัตราเร็วของเสียงในเหล็ก จาก S=v.t
วิธีทำ
(ก) การที่เราได้ยินเสียง 2 ครั้ง โดยเสียงเดินทางผ่านท่อเหล็กและอากาศ
...............เสียงจะเดินทางในอากาศช้ากว่าในเหล็ก
...............ดังนั้น เสียงเดินทางในอากาศใช้เวลา 3 วินาที
...........................................ในเหล็กใช้เวลา 0.2 วินาที
นั่นคือ ความยาวท่อเหล็ก = ระยะทางที่เสียงเดินทางในอากาศ
.....= 1029 m
ตอบ ความยาวท่อเหล็ก 1029 เมตร
(ข) อัตราเร็วของเสียงในท่อเหล็ก ความยาวท่อ 1029 m เวลา 0.2 วินาที
หมายเหตุ:
ความถี่เสียงที่มนุษย์ได้ยิน (Audible Frequency)จะมีความถี่ในช่วง 20-20000 Hz (เฮิรตซ์) เสียงที่มนุษย์ไม่ได้ยินมีความถี่เสียงที่สูงกว่าหูมนุษย์รับฟังได้(Ultrasonic Frequency) เป็นเสียงที่มีความถี่ มากกว่า 20000 Hz ซึ่งหูของสัตว์บางชนิดได้ยิน เช่น ค้างคาว สุนัข ฯ ส่วน เสียงที่มีความถี่ต่ำกว่าหูมนุษย์ได้ยิน (Infrasonic Frequency) มีความถี่ต่ำกว่า 20 Hz
ที่มาจาก : http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/286/10/sound/sound/velocity.htm
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น