Sound

เสียง

ในเรื่องของเสียงนี้ สิ่งที่นักเรียนควรจะต้องรู้ คือ

1. เสียงเป็นคลื่นตามยาวเป็นคลื่นกลที่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่

2. โดยที่เสียงเป็นคลื่นดังนั้น นักเรียนจะต้องนำความรู้เกี่ยวกับสมบัติของคลื่น 4 ประการคือ

การสะท้อน
การหักเห
การเลี้ยวเบน   และ
การแทรกสอด

ซึ่งนักเรียนศึกษามาจาก เรื่อง “คลื่น” มาใช้ประกอบการคำนวณด้วย แต่จะพบว่าที่นำมาใช้จริง ๆ คือ เรื่องการสะท้อน และการแทรกสอด

– ในเรื่อง การสะท้อน สูตรที่ใช้   มักเป็นสูตรการคำนวณการเคลื่อนที่ของเสียง ด้วยอัตราเร็วคงที่

 

ในเรื่อง การแทกสอด ของเสียง

สูตรที่ใช้   มักเป็น

กรณี P เป็นตำแหน่ง ปฎิบัพ
และ

กรณี P เป็นตำแหน่ง บัพ

ซึ่ง บางครั้ง อาจแทน S₁P – S₂P ด้วย d sinθ  หรือ

3.  โดยที่เสียงเป็นคลื่น

จึงใช้สมการ            มาคำนวณ ได้

6. โดยที่ การคำนวณเรื่องการเคลื่อนที่ของเสียง มักจะเป็นการคำนวณการเคลื่อนที่ในอากาศดังนั้น นักเรียนต้องทราบว่าอัตราเร็วของเสียงขึ้นอยู่กัยรากที่สองของอุณหภูมิในหน่วยองศาสัมบูรณ์

ซึ่งทำให้ ได้สมการสำหรับคำนวณ คือ

                                        v = 331 + 0.6t     (องศาเซลเซียส )

                              ซึ่ง ถ้า t > 47 องศาเซลเซียส จะต้องใช้สมการ

โดยเฉพาะสมการ   v = 331 + 0.6t         จะใช้ได้ถูกต้อง เมื่ออุณหภมิของอากาศไม่เกิน 47 องศาเซลเซียส ถ้าเกินกว่านี้ คำตอบจะคลาดเคลื่อนไปจากค่าที่ถูกต้อง

ดังนั้น เกี่ยวกับการหาอัตราเร็วของเสียง นั้น   ถ้าโจทย์ให้อุณหภูมิมา นักเรียนจะต้องรู้ทันทีว่า จะต้องใช้สมการ 2 สมการดังกล่าวข้างต้น

ในเรื่องเกี่ยวกับ การสะท้อน ของเสียงสิ่งที่นักเรียนควรจะทราบไว้ก็คือ การได้ยินเสียงก้องนั้น หูของคนจะแยกเสียงเดิมออกจากเสียงก้องได้นั้น     เวลาที่เสียงทั้งสองมาถึงหูจะต้องต่างกันอย่างน้อย 0.1 วินาที

 

7. การคำนวณพลังงานของเสียงที่ตกมาถึงจุดใดจุดหนึ่ง
จะคำนวณในรูปของ “ความเข้มเสียง” ซึ่งหมายถึง พลังงานเสียงที่ตกบนพื้นที่ 1 ตารางหน่วย ณ จุด นั้นในหนึ่งหน่วยเวลาเวลา

ซึ่งจะทำให้ได้สมการ
และจากสมการ จะพบว่า ความเข้มเสียงเป็นปฏิภาคผกผันกัยระยะห่างจากแหล่งกำเนิดเสียงยกกำลังสอง

ซึ่งทำให้สามารถคำนวณเกี่ยวกับการเปรียบเทียบความเข้มเสียงที่สองตำแหน่งของแหล่งกำเนิดเสียงเดียวกันได้จาก สมการ

ในเรื่องของความเข้มเสียงนี้ นักเรียนควรเข้าใจว่าความเข้มเสียงวัดจากค่าของพลังงาน ดังนั้น ถ้าแหล่งกำเนิดเสียงชนิดเดียวกันมีหลายแหล่งและให้พลังงานเสียงออกมาพร้อมกัน จะทำให้ความเข้มเสียงมากขึ้นในลักษณะของการแปรผันโดยตรง จำเอาไว้คำนวณเรื่องระดับความเข้มเสียง(ความดัง)

สิ่งที่นักเรียนควรจะรู้ คือ

– ความเข้มเสียงต่ำสุดที่หูมนุษย์สามารถรับฟังได้ = 10^-12 วัตต์/ตร.ม.

– ความเข้มเสียงสูงสุดที่หูมนุษย์สามารถทนฟังได้ = 1   วัตต์/ตร.ม.

8.ระดับความเข้มเสียง(ความดัง) β

การกำหนด ระดับความเข้มเสียง(ความดัง) นั้น เป็นการให้ความสนใจความเข้มเสียงในช่วงที่หูมนุษย์รับฟังได้ คือ 10^-12 – 1   วัตต์/ตร.ม.       เท่านั้น โดย กำหนดให้ – ความเข้มเสียงต่ำสุดที่หูมนุษย์สามารถรับฟังได้ = 10^-12 วัตต์/ตร.ม.

มี ระดับความเข้มเสียง(ความดัง) เท่ากับ 0 เดซิเบล โดยใช้สมการ

แต่ถ้า โจทย์พูดถึง ระดับความเข้มเสียง(ความดัง 2 ค่า นั่นแสดงถึงการเปรียบเทียบ ระดับความเข้มเสียง(ความดัง ในลักษณะของผลต่าง ซึ่งจะทำให้มีสมการ

อย่าลืมว่า ในการสนใจความแตกต่างของ ระดับความเข้มเสียง(ความดัง) โจทย์อาจกำหนดข้อมูลเป็นระยะทางมาให้ ดังนั้น สมการจะเปลี่ยนรูปเป็น

บางครั้ง โจทย์จะกำหนดว่ามีการเพิ่มจำนวนของแหล่งกำเนิดเสียงมากขึ้นนักเรียนจะต้องเข้าใจทันทีว่า ปริมาณที่เปลี่ยนแปลงแบบแปรผันตรงคือความเข้มเสียง

ดังนั้น สมการจึงกลายเป็น

 

9. ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler effect)

ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler effect) เป็นปรากฏการณ์ที่ผู้ฟ้งได้ยินเสียงมีความถี่ต่างไปจากความถี่จริงที่ออกมาจากแหล่งกำเนิดเสียง โดยความถี่เสียงที่ปรากฏต่อผู้ฟังอาจจะสูงหรือต่ำกว่าความถี่จริงที่ออกมาจากแหล่งกำเนิดเสียง ก็ได้ ซึ่งปรากฏการณ์นี้ จะเกิดขึ้นเมื่อระยะห่างของผู้ฟังและของแหล่งกำเนิดเสียงเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ซึ่งหมายถึงต้องมีการเคลื่อนที่ของผู้ฟ้ง หรือการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดเสียง หรือการเคลื่อนที่ของทั้งผู้ฟังและของแหล่งกำเนิดเสียงนั้น

เราเรียก ความถี่เสียงที่ปรากฏต่อผู้ฟัง ว่า “ความถี่ปรากฏ”

“ความถี่ปรากฏ” หาจาก

ถ้า สนใจจะหา “ความยาวคลื่นปรากฏ” หรือความยาวคลื่นเสียงที่ผู้ฟังได้รับ หาจาก

 

10. การสั่นพ้อง ( Resonance)ทางเสียง บางครังเรียก “กำทอน”

เป็นปรากฏการณ์ที่ ความถี่เสียงจากภายนอก มีความถี่ตรงกันกับความถี่ธรรมชาติในการสั่นของอนุภาคของตัวกลางที่เสียงใช้ในการถ่ายทอดพลังงาน   เป็นผลให้อนุภาคของตัวกลางมีการสั่นอย่างรุนแรง

ปรากฏการณ์ที่น่าสนใจ คือ การสั่นพ้องในท่อปลายปิด (ท่อปลายปิดหนึ่งข้างและเปิดหนึ่งข้าง) และ  การสั่นพ้องในท่อปลายเปิด (ท่อปลายเปิดทั้งสองข้าง)

10.1 กรณี หลอดมีความยาวคงที่

10.1.1   ท่อปลายปิด

กรณีนี้  จะมีความถี่เสียงที่ทำให้เกิดการสั่นพ้องกับการสั่นของโมเลกุลอากาศในท่อหลายค่า  ซึ่งค่าความถี่ต่ำสุด เรียกว่า “ความถี่มูลฐาน” ส่วนความถี่ค่าที่สูงขึ้นค่าต่อๆไป เรียกว่า โอเวอร์โทนที่ 1 ,  2  , 3, …หรือ ฮาร์มอนิกที่ 3 ,  5 , 7 , … (ตัวเลขฮาร์มอนิก เป็นตัวเลขที่บอกจำนวนเท่าของความถี่มูลฐาน ซึ่ง เรียก ความถี่มูลฐานว่า ฮาร์มอนิกที่ 1 )
ความถี่มูลฐาน ของ หลอดปลายปิดยาว l  มีค่าเท่ากับ

10.1.2  ท่อปลายเปิดความยาวคงที่
กรณีนี้  จะมีความถี่เสียงที่ทำให้เกิดการสั่นพ้องกับการสั่นของโมเลกุลอากาศในท่อหลายค่า  ซึ่งค่าความถี่ต่ำสุด เรียกว่า “ความถี่มูลฐาน” ส่วนความถี่ค่าที่สูงขึ้นค่าต่อๆไป เรียกว่า โอเวอร์โทนที่ 1 ,  2  , 3, …หรือ ฮาร์มอนิกที่ 2 ,  3 , 4 , … (ตัวเลขฮาร์มอนิก เป็นตัวเลขที่บอกจำนวนเท่าของความถี่มูลฐาน ซึ่ง เรียก ความถี่มูลฐานว่า ฮาร์มอนิกที่ 1 )
ความถี่มูลฐาน ของ หลอดปลายปิดยาว l  มีค่าเท่ากับ

10.2 กรณี หลอดปรับความยาวได้

10.2.1  ท่อปลายปิด

กรณี เช่นนี้ จะเป็นการสั่นพ้องกับความถี่เสียงค่าเดียว  สิ่งที่โจทย์ถาม คือ ความยาวหลอดที่สั้นที่สุด ซึ่ง จะเท่ากับ หนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น  และ ความยาวหลอดค่าต่อไป คือ การเพิ่มครั้งละครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น

10.2.2  ท่อปลายเปิด
กรณี เช่นนี้ จะเป็นการสั่นพ้องกับความถี่เสียงค่าเดียว  สิ่งที่โจทย์ถาม คือ ความยาวหลอดที่สั้นที่สุด ซึ่ง จะเท่ากับ ครึ่ง’หนึ่งของความยาวคลื่น  และ ความยาวหลอดค่าต่อไป คือ การเพิ่มครั้งละครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น เช่นกัน

11. คลื่นกระแทก (shock wave)

เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากแหล่งกำเนิดคลื่น เคลื่อนที่ได้เร็วกว่าคลื่นที่มันส่งออกมา เป็นผลให้เกิดการเสริมกันของแนวหน้าคลื่น ในกรณ๊ของคลื่นเสียงในอากาศ จะทำให้แนวหน้าคลื่นมีลักษณะเป็นกรวย เรียกว่า mach cone (กรวยมัค)

เป็นการสนใจ คลื่นที่เคลื่อนที่ไปช้ากว่าแหล่งกำเนิดคลื่น  ในกรณีของการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดเสียง จะทำให้เกิดปรากฏการรูปกรวยคลื่น เรียกว่า “กรวยมัค”
ส่วนอัตราเร็วของแหล่งกำเนิดคลื่นจะเป็น mach number หาจาก

โจทย์เสียงทดสอบความเข้าใจ 1
คลิปการทำโจทย์อยู่ระหว่างดำเนินการ

โจทย์เสียงทดสอบความเข้าใจ 2
คลิปการทำโจทย์อยู่ระหว่างดำเนินการ