บทที่ ๒ เสียง

เสียง ( Sound )

มนุษย์ใช้เสียงติดต่อสื่อสารระหว่างกัน และใช้เสียงดนตรีเพื่อทำให้เกิดอารมณ์และการพักผ่อนหย่อนใจในธรรมชาติเราได้ยินเสียงจากแหล่งต่างๆ เสียงเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร การศึกษาเกี่ยวกัธรรมชาติและสมบัติของเสียง จะทำให้เราเข้าใจและสามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆที่เกี่ยวข้อง รวมทั้งนำความรู้เกี่ยวกับเสียงไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันได้ธรรมชาติและสมบัติของเสียง

คลื่นเสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุที่เป็นตัวก่อกำเนิดเสียง พลังงานของการสั่นจะถ่ายโอนให้กับอนุภาคของตัวกลางที่สัมผัสกับตัวก่อเกเสียงนั้น และอนุภาคเหล่านี้จะถ่ายโอนพลังงานของการสั่นให้อนุภาคของตัวกลางที่อยู่ถัดกันต่อเนื่องกันไป ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของเสียง ( Sound propagation)

สำหรับคลื่นเสียงในอากาศ เมื่อตัวก่อเกิดเสียงมีการสั่น โมเลกุลของอากาศจะทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการถ่ายโอนพลังงานของการสั่นให้กับโมเลกุลของอากาศที่อยู่รอบๆโดยการชน

กรณีการเคลื่อนที่ของเสียงในอากาศ พบว่าทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียงกับทิศการสั่นของอนุภาคของอากาศอยู่ในแนวเดียวกัน ดังนั้น เสียงจึงเป็นคลื่นเสียงตามยาว

อัตราความเร็วของเสียงในตัวกลางต่างๆที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส

ตัวกลาง	อัตราเร็ว(เมตรต่อวินาที)
คาร์บอนไดออกไซด์ อากาศ ไฮโดรเจน น้ำ น้ำทะเล เเก้ว อะลูมิเนียม เหล็ก	272 346 1339 1498 1531 4540 5000 5200

นักฟิสิกส์ได้ศึกษาความเร็วของเสียงในอากาสพบวาอัตราเร็วของเสียงในอากาศนิ่งที่มีความหนาแน่นปกติ ที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส มีค่าประมาณ 331 เมตรต่อวินาที เมื่ออุณหภูมิของอากาศเพิ่มขึ้นทุก ๆ 1 องศาเซลเซียสเมื่อเขียนความสัมพันธ์ระหว่างอัตราความเร็วของเสียงในอากาศ กับอุณหภูมิของอากาศจะได้ดังสมการ V_{t =331m/s+}(0.6 m/s C) t……………..(2.1)เมื่อ t เมื่ออุณหภูมิของอากาศมีหน่วยเป็นองศาเซลเซียสv_t เป็นอัตราเร็วของเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ t ใดๆ

มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาทีสมบัติของเสียงเสียงมีสมบัติการสั่นสะท้อน ซึ่งเป็นสมบัติการสั่นสะท้อนที่สำคัญของคลื่น ถ้าตะโกนภายในห้องประชุมใหญ่ๆ จะได้ยินเสียงที่ตะโกนออกไปกระทบกับ ผนังห้อง เพดาน และ พื้นห้องแล้วเกิดการสะท้อนกับมาปกติเสียงที่ถูกส่งไปยังสมองจะติดประสาทหู แยกเสียงตะโกนออกไปเกิน 1/10 วินาที ดังนั้นถ้าเสียงจะสะท้อนกลับมาสู่หูช้ากว่าเสียงตะโกนออกไปเกิน 1/10 วินาที หู จะสามารถแยกเสียงตะโกนและเสียงสะท้อนได้เสียงสะท้อนเช่นนี้เรียกว่า echo

จากการสะท้อนพบว่าของคลื่นพบว่า การสะท้อนเกิดขึ้นได้ดี เมื่อวัตถุหรือสิ่งกีดขวางมีขนาดโตกว่าความยาวคลื่นที่ตกกระทบ นักฟิสิกส์ได้นำความรู้ดังกล่าว นี้สร้างเครื่องมือที่เรียกว่า โซนาร์( Sonar ) ซึ่งสามมารถใช้หาตำแหน่งใต้ทะเล โดยส่งคลื่นของดลของเสียงที่มีความถี่สูง จากใต้ท้องเรือเมื่อกระทบสิ่งกีดขวาง เช่น หินโสโครก ฝูงปลา หรือ เรือใต้น้ำที่มีขนาดใหญ่กว่าหรือเท่ากับความยาวคลื่นเสียงก็จะเกิดการสั่นของ เสียงกลับมายังเครื่องรับบนเรือ จากช่วงเวลาที่ส่งคลื่นเสียงระหว่างตำเเหน่งกับส่วนของเรือกับสิ่งกีดขวางได้เมื่อคลื่นเสียงคลื่นที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังตัวกลางหนึ่ง จะเกิดการหักเหเช่นเดียวกับคลื่นน้ำเมื่อผ่านระหว่างน้ำตื่นกับน้ำลึก ก็จะเกิดการหักเห ตัวอย่างการหักเหของเสียงที่เกิดตามธรรมชาติ ซึ่งอาจสังเกตได้เช่นการเห็นฟ้าเเลบแต่ไม่ไดัยินเสียงฟ้าร้อง ทั้งนี้เนื่องจากคลื่นเสียงที่ผ่นอากาศร้อนมากกว่าอากาศเย็น ซึ่งเราทราบแล้วว่าชั้นอากาศเหนือพื้นดินมีอุณหภูมิไม่เท่ากัน ยิ่งสูงขึ้นไปอุณหภูมิของอากาศยิ่งลดลง ดังในที่สูงๆ จากพื้นผิวโลก อัตราของเสียงจึงน้อยกว่าบริเวณใกล้ผิวโลก ขณะที่เกิดฟ้าแลบฟ้าร้องในตอกลางวันคลื่นเสียงจะเคลื่อนจากอากาศตอนบนซึ่งเย็นกว่ามาถึงอากาศบริเวณใกล้พื้นดินซึ่งร้อนกว่า ทำให้เกิดการหักเหของเสียงฟ้าร้องกลับขึ้นไปในอากาศตอนบนถ้าเสียงเกิดการหักเหทั้งหมด เราจะเห็นเเต่ฟ้าแลบเเต่ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง ปรากฏการณ์ขั้นต้นนี้แสดงว่าเสียงมีสมบัติการหักเหปรากฏการณ์บางอย่างของเสียง

บีตส์และคลื่นนิ่งของเสียงเมื่อคลื่นจากแหล่งกำเนิดสองแหล่งที่มีความถี่เท่ากัน เคลื่อนที่มาพบกันจะเกิดการซ้อนทับและแสดงปรากฏการณ์แทรกสอดขึ้น ถ้าคลื่นเสียงจากแหล่งกำเนิดสองแหล่งที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อย เคลื่อนที่มาแทรกสอดกันเสียงที่ได้ยิน เป็นเสียง บีตส์เสียงที่ได้ยินจาก แหล่งกำเนิดแหล่งเดียวกัน จะเป็นเสียงดังสม่ำเสมอต่อเนื่องกันส่วนเสียงที่ได้ยินจากแหล่งเสียงสองแหล่งที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อย จะเป็นเสียงที่ดังและค่อยสลับกันเป็นจังหวะคงตัว ซึ่งเรียกว่า เสียงบีตส์ (beats) ของเสียง บีตส์เกิดจากการแทรกสอดของคลื่นเสียงจากแหล่งกำเนิดสองแหล่งที่มีความถี่ต่างกันไม่มาก แต่ถ้าความถี่ของเสียงจากแหล่งกำเนิดทั้งสองต่างกันมากขึ้น เสียงท่ได้ยินจะเป็นจังหวะเร็วขึ้น โดยปกติหูมนุษย์สามารถจำแนกเสียงบีตส์ ซึ่งมีความถี่ไม่เกิน 7 เฮิรตว์

ถ้า ƒ₁ และ ƒ₂ เป็นความถี่ของคลื่นเสียงจากแหล่งกำเนิดสองแหล่งซึ่งต่างกันไม่เกิน 7 เฮิรตซ์ เมื่อมาซ้อนทับกันทำให้เกิดบีตส์ จำนวนครั้งของเสียงดังที่ได้ยินในหนึ่งวินาที เรียกว่า

ความถี่บีตส์ ( beats frequency ) ซึ่งจะหาได้จากผลต่างของความถี่คลื่นเสียงทั้งสองความถี่บีตส์ = ∆ ƒ= ƒ₁ - ƒ₂ ………( 2.3 )

บีตส์ไม่จำเป็นต้องจากเกิดจากแหล่งกำเนิดเสียงประเภทเดียวกันเท่านั้น อาจเกิดจากแหล่งกำเนิดเสียงคนละประเภทกันก็ได้ ในชีวิตประจำวันที่อาจจะพบเห็นได้แก่ การปรับแต่งเสียงของเครื่องดนตรีชนิดต่างๆ เช่น ไวโอลินเทียบกับเสียงจากหลอดเทียบเสียงความถี่มาตรฐาน

ขณะที่ความถี่ของการสั่นของสายไวโอลิน ยังไม่เท่ากับความถี่ของเสียงจากหลอดเทียบเสียงมาตรฐาน เราจะได้ยินบีตส์ จนกระทั่งเมื่อปรับความตรึงของสายไวโอลินไดพอเหมาะ นั่นคือ การสั่นของสายไวโอลินมีความถี่เท่ากับความถี่ของหลอดเทียบเสียงมาตรฐาน บีตส์ก็จะหายไปปฏิบัพและบัพของคลื่นนิ่งของเสียง

ปฏิบัพเป็นตำแหน่งที่ความดันอาการศมีค่าเปลี่ยนแปลงด้วยแอมพลิจูดสูงสุด

เรียกตำแหน่งนี้ว่า ปฏิบัพของความดัน ( pressure antinode ) บัพเป็นตำแหน่งที่

ความดันอากาศมีการเปลี่ยนแปลงด้วยแอมพลิจูดเป็นศูนย์พอดี เรียกตำแหน่งนี้ว่า บัพของความดัน ( pressure node )

การสั่นพ้องของเสียง

ความถี่ธรรมชาติและการสั่นพ้องเมื่อให้ลูกตุ้มที่ถูกแขวนไว้ด้วยเชือกแกว่งอย่างอิสระ ลูกตุ้มจะแกว่งด้วยความถี่คงตัวค่าหนึ่ง โดยความถี่ของการแกว่งของลูกตุ้มขึ้นอยู่กับความยาวของเชือกที่ผูกลูกตุ้ม นอกจากนี้วัถตุอื่นๆ เช่น เชือกที่ขึงตึง หรือแผ่นเหล็กสปริงที่ยึดปลายข้างหนึ่งไว้ เมื่อทำให้สั่นหรือแกว่งอย่างอสระก็จะสั่นด้วยความถี่คงตัวเช่นกัน ความถี่ในการสั่นหรือแกว่งอย่างอิสระของวัตถุ เรียก ความถี่ธรรมชาติ (natural frequency ) ของวัตถุ

การที่ให้วัตถุสั่นหรือแกว่งได้นั้น จะต้องใช้แรง ซึ่งถ้าออกแรงเพียงครั้งเดียวกระทำต่อวัตถุ แล้วปล่อยให้เคลื่อนที่เป็นอิสระ วัตถุจะสั่นหรือแกว่งด้วยความถี่ธรรมชาติของวัตถุ แต่ถ้าออกแรงหลายๆครั้งต่อเนื่องกัน โดยมีความถี่การออกแรงค่าหนึ่ง วัตถุจะถูกบังคับให้สั่นตามความถี่ของแรงที่มากระทำ การสั่นของวัตถุที่ถูกบังคับให้สั่นตามความถี่ของแรงที่มากระ

ทำจะเป็นอย่างไร

เมื่อออกแรงผลักลูกต้มหลายๆครั้งจะเห็นว่าความถี่ของแรงที่ผลักมีผลต่อการแกว่งของลูกตุ้ม ถ้าความถี่ของแรงที่ผลักเท่ากับความถี่ธรรมชาติของลูกตุ้มจะมีผลให้ลูกตุ้มแกว่งได้ไกลเพิ่มขึ้นหรือแอมพลิจูดของการแกว่งมากขึ้นทุกครั้งที่ออกแรงผลัก

การสั่นพ้องของเสียง

ขณะที่เสียงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง อนุภาพของตัวกลางจะสั่นด้วยความถี่เดียวกับความถี่ของแหล่งกำเนิด แต่ถ้าให้เสียง เคลื่อนที่ผ่านอากาศที่อยู่ในท่อซึ่งมีปริมาตรต่างๆกัน เสียงที่ได้ยินจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร

เมื่อลำโพงทำงาน อนุภาคของอากาศในหลอดเรโซแนนซ์ถูกบังคับให้สั่นด้วยความถี่ของเสียงจากลำโพง การเลื่อนลูกสูบออกห่างจากลำโพงทำให้ความดังของเสียงเปลี่ยนไป จนกระทั่งลูกสูบอยู่ ณ ตำแหน่งหนึ่ง จะได้ยินเสียงดังที่สุด การที่เป็นเช่นนี้เนื่องจากความถี่ของเสียงจากลำโพงเม่ากับความถี่ธรรมชาติของลำอากาศในหลอดพอดี ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นนี้ เรียกว่า การสั่นพ้องของเสียง