เสียงท่ีนักเรียนไดยินในชีวิตประวันเกิดจากส่ันสะเทือนของแหลงกําเนิดเสียงหรือไม

สรุปความรู เร่ือง คล่ืนเสียง

การเกิดเสียง เสียงเกิดจากการส่ันของวัตถุ วัตถุท่ีมีการส่ันแลวทําใหเกิดเสียงเรียกวา แหลงกําเนิดเสียง สําหรับมนุษยเสียงพูดเกิดจากการส่ันสะเทือนของสายเสียงซ่ึงอยูภายในกลองเสียงบริเวณดานหนาของลําคอเรียกวาลูกกระเดือก มนุษยสามารถควบคุมเสียงท่ีพูดพูดข้ึนโดยใชฟน ล้ิน ริมฝปาก ทําใหเกิดเสียงท่ีแตกตางกัน แตเสียงจะมีประโยชนอยางสมบูรณตองมีการไดยิน

เสียงเดินทางจากแหลงกําเนิดมาถึงผูฟงไดอยางไร

การเดินทางของเสียง เม่ือเสียงเกิดจากส่ันสะเทือนของวัตถุ แสดงวาวัตถุไดรับพลังงาน พลังงานนี้ก็จะถูกถายโอนผานอากาศมายังหูผูฟง ถาไมมีอากาศเปนตัวกลางในการถายโอนพลังงาน เราจะไมไดยินเสียงเลย เราสามารถทดสอบความจริงนี้ได โดยการทดลองใชกระดิ่งไฟฟาท่ีสงเสียงตลอดเวลาใสไวในครอบแกว แลวคอยๆสูบอากาศออก เราจะไดยินเสียงกระด่ิงไฟฟาคอยลงๆ จนในท่ีสุดจะไมไดยินเสียงกระด่ิงไฟฟาในครอบแกวอีกเลย เม่ือภายในครอบแกวเปนสุญญากาศ จากสถานะการณขางตน สรุปไดวา การเคล่ือนท่ีของเสียงจากตัวกอกําเนิดเสียง ตองอาศัยตัวกลางในการถายโอนพลังงานการส่ันของตัวกอกําเนิดเสียงนั้นไปยังท่ีตางๆ จะเห็นไดวา เสียงท่ีเราไดยินนี้ เปนพลังงานรูปหนึ่งและถือวาเปนคล่ืนประเภทหนึ่งดวย และพิจารณาจากอากาศท่ีเปนตัวกลางน้ันการถายโอนพลังงานเสียง อนุภาคของตัวกลางคืออากาศจะมีการส่ันในลักษณะอัดขยายสลับกันไป จึงถือไดวา เสียงเปนคล่ืนตามยาว

สูบอากาศออก

การเคล่ือนท่ีของเสียงในตัวกลางหนึ่งๆ จะคงตัว เม่ืออุณหภูมิของตัวกลางคงตัว ดังแสดงในตาราง

คุณสมบัตขิองเสียง เสียงเปนคล่ืนชนิดหนึ่งท่ีเคล่ือนท่ีโดยอาศัยตัวกลาง ดังนั้นจึงมีคุณสมบัติเหมือนคล่ืน คือ

1. การสะทอน 2. การหักเห 3. การแทรกสอด 4. การเล้ียวเบน

การสะทอนของเสียง เนื่องจากเสียงเปนพลังงานชนิดหนึ่ง เม่ือคล่ืนเสียงเคล่ือนท่ีไปกระทบส่ิงกีดขวาง จะทําใหเกิดการ

สะทอนของเสียง และปจจัยท่ีมีผลตอการสะทอนของเสียง ไดแก 1. ลักษณะพ้ืนผิวท่ีคล่ืนเสียงไปกระทบ ( ผิวเรียบและแข็ง สะทอนไดดี สวนผิวออนนุมเนื้อพรุน

จะดูดซับเสียงไดดี 2. มุมตกกระทบกับระนาบสะทอนเสียง ( เสียงจะสะทอนไดดี เม่ือ มุมของเสียงสะทอนเทากับมุม

ของเสียงตกกระทบ ) มนุษยและสัตว ไดอาศัยประโยชนจากการสะทอนของเสียง หลายอยางเชน การเดินเรือ การประมง หาความลึกของทองทะเล หาระดับของเรือดําน้ํา หาฝูงปลา โดยการสงคล่ืนอัลตราโซนิกออกไป แลวรอรับฟงคล่ืนท่ีสะทอน จากเคร่ืองรับ การสงคล่ืนชนิดนี้เรียกวา โซนาร ( Sonar – Sound Navigation and Ranging ) คางคาว เปนสัตวสายตาไมดี ใชหลักการสะทอนเสียง โดยสงและรับความถ่ีสูง อุตสาหกรรมใชในการตรวจสอบรอยราว

ตาราง อัตราเร็วของเสียงในตัวกลางตางๆท่ีอุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส ตัวกลาง อัตราเร็ว(เมตร/วินาที)

แกสคารบอนไดออกไซด 272 อากาศ 346

แกสไฮโดรเจน 1,339 น้ํา 1,498

น้ําทะเล 1,531 แกว 4,540

อะลูมิเนียม 5,000 เหล็ก 5,200

จากตารางนี้นักเรียนคิดวาเสียงเดินทางผานตัวกลางใดไดเร็วท่ีสุดเม่ือเทียบระหวางของแข็ง ของเหลว แกส

โซนาร

ทางการแพทยใชตรวจสอบเนื้อเยื่อของอวัยวะตางๆ ใชในการสลายน่ิวในไต ใชทําลายเช้ือโรคบางชนิดในอาหาร และนํ้า การหักเหของเสียง คล่ืนเสียงเม่ือเดินทางผานตัวกลางท่ีมีความหนาแนนแตกตางกันจะเกิดการเปล่ียนแปลงทิศทางความเร็วและความยาวคล่ืน แตความถ่ีคล่ืนยังคงท่ีกลาวคือเม่ือเสียงเคล่ือนท่ีจากตัวกลางที่มีความหนาแนนนอย(อากาศ) เขาสูตัวกลางท่ีมีความหนาแนนมากกวา (น้ํา) เสียงจะหักเหออกจากเสนต้ังฉาก หลักการนี้ใชอธิบาย การเห็นฟาแลบ แตไมไดยินเสียงฟารอง เพราะเม่ือเกิดฟาแลบ แมจะมีเสียงเกิดข้ึนแตเราไมไดยินเสียง ท้ังนี้เพราะอากาศใกลพื้นดินมีอุณหภูมิสูงกวาอากาศเบ้ืองบน ทําใหการเคล่ือนท่ีของเสียงเคล่ือนท่ีไดในอัตราท่ีตางกัน คือ เคล่ือนท่ีในอากาศที่มี อุณหภูมิสูงไดเร็วกวาในอากาศท่ีมีอุณหภูมิตํ่า ดังนั้น เสียงจึงเคล่ือนท่ีเบนข้ึนทีละนอยๆ จนขามหัวเราไป จึงทําใหไมไดยินเสียงฟารอง การแทรกสอดของเสียง การแทรกสอดของเสียงเปนปรากฏการณท่ีเกิดจากคล่ืนเสียงท่ีมาจากแหลงกําเนิดเสียงต้ังแต 2 แหลงข้ึนไปรวมกัน จึงเกิดการแทรกสอดแบบเสริมกันและหักลางกัน ทําใหเกิดเสียงดัง และ เสียงคอย

นํ้า

รอยตอระหวาง ตัวกลาง

อากาศ เสนต้ังฉาก

เสียงความถ่ี f1

เสียงความถ่ี f2

เสียงความถ่ี f1 และ f2 รวมกนั

เกิดการแทรกกัน (เสริม, หักลาง)

เสริม หักลาง

เสริม เสริม เสริม หักลาง หักลาง หักลาง

ในกรณีท่ีเปนเสียงเสริมกัน ตําแหนงท่ีมีการเสริมกันจะมีเสียงดัง สวนตําแหนงท่ีแทรกสอดแลวหักลางกันจะมีเสียงคอย แตการเกิดปรากฏการณแทรกสอดเกิดจากแหลงกําเนิดเสียงท่ีมีความถ่ีตางกัน ทําใหเกิดเสียงดัง เสียงคอยเปนจังหวะๆ เรียกวา บีตส ( Beats ) ประโยชนจากการแทรกสอดและบีตสนี้ นํามาใชเทียบเคร่ืองดนตรี โดยมีเคร่ืองเทียบเสียงมาตรฐาน ใชหลักวาเม่ือความถ่ีเสียงเทากันจะไมเกิดบีตส ถายังมีบีตสอยูแสดงวา ความถ่ีเสียงยังไมเทากัน ตองปรับจนเสียงท้ังสองมีความถ่ีเทากันจึงไมทําใหเกิดบีสต ถาเราต้ังลําโพงลักษณะเหมือนๆกัน 2 ตัว ใหหางกันระยะหนึ่ง ดังรูป แลวเดินในแนวขนานกับลําโพงท้ังสองตามแนว AB

จากการเดินในแนว AB ดังกลาว เราจะรูสึกไดวา เสียงท่ีเราไดรับจะมีลักษณะดัง-คอย สลับกันไป การเล้ียวเบนของเสียง

นอกจากการหกัเหของเสียงท่ีเกิดข้ึน เม่ือผานตัวกลางตางชนิดกันแลวยังมีการเล้ียวเบนได การเล้ียวเบนของเสียงมักจะเกดิพรอมกับการสะทอนของเสียง เสียงท่ีเล้ียวเบน จะไดยินคอยกวาเดิม เพราะพลังงานของเสียงลดลง ในชีวิตประจําวันท่ีเราพบไดอยางเสมออยางหนึ่งคือการไดยินเสียงของผูอ่ืนไดโดยไมเห็นตัวผูพูด เชน ผูพูดอยูคนละดานของมุมตึก ปรากฏการณดังนี้ แสดงวาเสียงสามารถเล้ียวเบนได การอธิบายปรากฏการณนี้สามารถจะกระทําไดโดยใชหลักการของฮอยเกนทอธิบายวา ทุกๆจุดบนหนาคล่ืนสามารถทําหนาท่ีเปนตนกําเนิดคล่ืนอันใหมได ดังนัน้อนุภาคของอากาศท่ีทําหนาท่ีสงผานคล่ืนเสียงตรงมุมตึกยอมเกิดการส่ัน ทําหนาท่ีเหมือนตนกําเนิดเสียงใหม สงคล่ืนเสียไปยังผูฟงได เราสามารถทดลอง การเล้ียวเบนของเสียงไดโดย ใหผูฟง ฟงเสียงลําโพงจากนอกหองดังรูป ท่ีตําแหนง ก. ข. ค. ง. ผูฟงยอมไดยินเสียงลําโพง ท่ีอยูในหองไดทุกคน แสดงวาเสียงสามารถเล้ียวเบนไดตามแบบของคล่ืน การเล้ียวเบนของเสียงจะเกิดไดดี เม่ือชองกวางท่ีใหเสียงผานมีขนาดเทากับความยาวคล่ืนของเสียงนั้น เนื่องจาก ชองกวางนั้นจะทําหนาท่ีเหมือนเปนแหลงกําเนิดเสียงขนาดนั้นไดพอดีนั่นเอง

การแทรกสอดของเสียง

S2 S1

A B

ก. ข. ค. ง.ผนังหอง ผนังหองประตู

ลําโพง

ปรากฏการณบางอยางของเสียง บีตส ( Beats ) เปนปรากฏการณท่ีคล่ืนเสียงสองชุดซ่ึงมีความถ่ีใกลเคียงกัน แอมพลิจูดเทากันหรือไมก็ได เคล่ือนท่ีในตัวกลางเดียวกัน เกิดการแทรกสอดกันข้ึน ไดคล่ืนเสียงลัพธซ่ึงมีแอมพลิจูดไมคงท่ี แปรเปล่ียนตลอดเวลา ทําใหเกิดเสียงดัง-คอย เปนจังหวะสลับกันไป จํานวนคร้ังของเสียงดัง ( หรือจํานวนคร้ังของเสียงคอย ) ใน 1 วินาที เรียกวาความถ่ีบีตส ( fb ) เราสามารถ หาความถ่ีบีตสไดดังนี ้ fb = f1 – f2 คือ จังหวะดังหรือคอยท่ีไดยิน ตัวอยาง 1 เม่ือเคาะสอมเสียงสองอันมีความถ่ี 450 และ 456 เฮริตซ จะทําใหเกิดจังหวะเสียงดังหรือเสียงคอยใน 1 วินาที เทากับเทาไร วิธีทํา fb = f1 – f2 = 450 – 456 = 6 = 6 Hz ( มีความถ่ีบีตส 6 เฮริตซ ) จะไดยินจังหวะเสียงดัง 6 คร้ัง ใน 1 วินาที หรือ ไดยินจังหวะเสียงคอย 6 คร้ัง ใน 1 วินาที คล่ืนนิ่ง และ การส่ันพอง ( การกําทอน ) ( Standing Wave and Resonance ) คล่ืนนิ่ง (Standing Wave ) คือ คล่ืนรวมท่ีเกิดจากคล่ืนสองขบวน ( ซ่ึงเปนคล่ืนจากแหลงกําเนิดอาพันธ ) เคล่ือนท่ีเขาหากันในตัวกลางเดยีวกนั มีผลใหเกดิปฏิบัพและบัพสลับกันไป โดยตําแหนงของปฏิบัพ และบัพคงท่ี ไมเปล่ียนตําแหนง ดังรูป หาความยาวคล่ืนไดดังนี ้ หาความยาวคล่ืนไดดังนี ้

ปลายตึง ท้ัง 2 ขาง

ปลายตึง ขางเดียว

L

2

L

4

L

L

43

จากรูป 2 = L

= 2L จากรูป = L

หาความยาวคล่ืนไดดังนี้

การสั่นพอง (Resonance) คือปรากฏการณซ่ึงเกิดข้ึนเม่ือพลังงานกระทบวัตถุ แลวทําใหวัตถุส่ันดวยความถ่ีธรรมชาติซ่ึงเทากับความถี่ของพลังงานที่ตกกระทบ ทําใหวัตถุนั้นเกิดการส่ันท่ีฐานแรงท่ีสุด (เกิดเปนคล่ืนนิ่ง) ซ่ึงอาจทําให กระจกหรือแกวแตกได เม่ือบางคนรองเพลง ความถ่ีธรรมชาติ เปนลักษณะเฉพาะตัวในการส่ันของวัตถุแตละชนิด ไมวาจะใหพลังงานเทาใด เม่ือคิดการส่ันในหนึ่งหนวยเวลา แลวจะเทากันทุกคร้ัง เชน การแกวงของลูกตุมท่ีจะพิจารณาจากรูปตอไปนี้

จากรูป ขางบน ไมวาจะดึงลูกตุมใหหางจากแนวดิ่งเทาใดก็ตาม ความถ่ีในการแกวงของลูกตุมจะเทาเดิมทุกคร้ังไป ซ่ึงเปนความถ่ีในการแกวงของลูกตุม อันเปนลักษณะเฉพาะตัวตามธรรมชาติของลูกตุม จึงเรียกความถ่ีในการแกวงของลูกตุมนี้วา ความถ่ีธรรมชาติของลูกตุม

ปลายอิสระท้ังสองขาง

L

2

L

จากรูป 4 = L

= 4L

จากรูป 4

3 = L

= 3

4L

4 ซม. 6 ซม. 8 ซม.

50 รอบ ในเวลา 80 วินาที ความถ่ี = 0.625 Hz

50 รอบ ในเวลา 80 วินาที ความถ่ี = 0.625 Hz

50 รอบ ในเวลา 80 วินาที ความถ่ี = 0.625 Hz

การสั่นพองของเสียง การใหพลังงานจากภายนอกกับวัตถุ ดวยความถ่ีซ่ึงเทากับความถี่ธรรมชาติของวัตถุ วัตถุจะรับพลังงานไดดีท่ีสุด พลังงานน้ีจะสะสมอยูในวัตถุนั้น ทําใหเกิดการส่ันของวัตถุรุนแรงข้ึน สภาวะท่ีเกิดข้ึนนี้ เรียกวา การส่ันพอง (Resonance) ตัวอยาง การสรางเคร่ืองดนตรี เชน ซอ ไวโอลีน กีตาร

จากรูปแผนไมท่ีขึงสายเอ็น เม่ือดีดสายเอ็นจะทําใหเกิดเสียงในระดับหนึ่ง เม่ือ สรางกระปอง หรือกลองไม กลองโลหะ ภายในกลวง วางไวดานลาง จะทําใหเกิดเสียงดังข้ึน

กวาเดิม ปรากฏการณนี้เปนการทําใหเกิดการส่ันพองของเสียง เกิดข้ึนภายในกระปอง โมเลกุลของอากาศไดรับพลังงานจากภายนอก เก็บสะสมไว ทําใหเกิดการส่ันท่ีรุนแรงข้ึน จึงทําใหเกิดเสียงท่ีดังมากกวาเดิม (เกิดคล่ืนนิ่ง) ปรากฏการณดอปเปลอร (Doppler Effect) คือปรากฏการณท่ีผูสังเกตไดยินเสียงมีความถ่ีเปล่ียนไปจากความถ่ีเดิม อันอาจเนื่องมาจากการเคล่ือนท่ีของผูสังเกตทําใหความเร็วของเสียงมาถึงผูสังเกตเปล่ียนแปลงไปจากเดิม และหรือเนื่องจากการเคล่ือนท่ีของแหลงกําเนิดเสียง ทําใหความยาวคล่ืนท่ีผูสังเกตไดรับผิดไปจากเดิม จึงมีผลใหผูสังเกตไดยินเสียงแหลม หรือทุมมากกวาความจริง (ความถ่ีสูงเสียงแหลม , ความถ่ีตํ่าเสียงทุม) กําหนดให v = ความเร็วเสียงในอากาศ vO = ความเร็วของผูสังเกต

vS = ความเร็วของแหลงกําเนิด fO = ความถ่ีท่ีผูสังเกตไดยิน

fS = ความถ่ีเสียงของแหลงกําเนิด = ความยาวคล่ืนเสียงในอากาศ v = ความเร็วสัมพัทธ

พิจารณาจากรูป เก่ียวกับ การเกิดปรากฏการณดอปเปลอร เม่ือตัวกลางอยูกับท่ี ( อากาศ ) จากรูป 1

Source ( แหลงกําเนิดเสียง ) อยูกับท่ี v 1

ผูสังเกต ( Observe ) อยูกับท่ีดวย จะไดวา ความถ่ีท่ีผูสังเกตไดยิน = ความถ่ีของ Source

fO = fS

จากรูป 2 และ 3 Source ( แหลงกําเนิดเสียง ) อยูกับท่ี ผูสังเกต ( Observe ) เคล่ือนท่ี

1. จากรูป 2 ผูสังเกต ( Observe ) เคล่ือนท่ี เขาหา จะทําใหผูสังเกตไดยนิเสียงมีความถี่เพิ่มข้ึน

การเคล่ือนท่ีในลักษณะน้ี จะมีการเคล่ือนท่ีสัมพัทธระหวาง ความเร็วเสียงในอากาศ แหลงกําเนิดเสียง และ ผูสังเกต

ดังนั้น ให v คือ ความเร็วสัมพทัธระหวาง ความเร็วเสียงกบัแหลงกําเนิด หรือ ความเร็วสัมพัทธระหวาง ความเร็วเสียงกับผูสังเกต

พิจารณาความเร็วเสียงกับความเร็วแหลงกําเนิด จะได ความเร็วสัมพทัธระหวาง ความเร็วเสียงกบัความเร็วแหลงกําเนิด ดังนี้

คือ v = v vS ถา v = v + vS แสดงวา ความเร็วเสียง และ แหลงกําเนดิเสียง เคล่ือนท่ีสวนทางกัน

v = v - vS แสดงวา ความเร็วเสียง และ แหลงกําเนดิเสียง เคล่ือนท่ีไปทางเดียวกนั พิจารณาความเร็วเสียงกับความเร็วของผูสังเกต จะได

ความเร็วสัมพทัธระหวาง ความเร็วเสียงกบัความเร็วของผูสังเกต ดังนี้ คือ v = v vO

ถา v = v + vO แสดงวา ความเร็วเสียง และ ผูสังเกต เคล่ือนท่ีสวนทางกัน v = v – vO แสดงวา ความเร็วเสียง และ ผูสังเกต เคล่ือนท่ีไปทางเดียวกัน

จาก v = f จะได v = f

จากรูป 2 พิจารณาท่ีแหลงกําเนิดเสียง ได v vS = fS S ; เม่ือแหลงกาํเนิดเสียงอยูกบัท่ี vS = 0 แทนคา vS = 0 ได v = fS S ………………… ( 1 )

จากรูป 2 พิจารณาท่ีผูสังเกต ได v vO = fO O เม่ือ v กับ vO เคล่ือนท่ีสวนทางกันจะได v + vO = fO O ………………… ( 2 )

vO v 2

( 1 ) / ( 2 ) O vv

v

= OO

SSff

เม่ือ S = O เพราะความยาวคล่ืน อยูระหวางผูสังเกตและแหลงกําเนิดท่ีเดียวกนั จึงเทากนั

O vv

v

= O

Sff

fO = (vvv O ) fS

2. จากรูป 3 ผูสังเกต ( Observe ) เคล่ือนท่ี หนี จะทําใหผู

สังเกตไดยินเสียงมีความถ่ีตํ่าลง จาก v = f จะได v = f

จากรูป 3 พิจารณาท่ีแหลงกําเนิดเสียง ได v vS = fS S ; เม่ือแหลงกําเนิดเสียงอยูกับท่ี vS = 0 แทนคา vS = 0 ได v = fS S ………………… ( 1 )

จากรูป 3 พิจารณาท่ีผูสังเกต ได v vO = fO O เม่ือ v กับ vO เคล่ือนท่ีไปทางเดียวกนั จะได v - vO = fO O ………………… ( 2 )

( 1 ) / ( 2 ) O vv

v

= OO

SSff

เม่ือ S = O เพราะความยาวคล่ืน อยูระหวางผูสังเกตและแหลงกําเนิดท่ีเดียวกนั จึงเทากนั

O vv

v

= O

Sff

fO = (vvv O ) fS

จากรูป 4 และ 5

Source (แหลงกําเนิดเสียง ) เคล่ือนท่ี ผูสังเกต ( Observe ) อยูกับท่ี

1. จากรูป 4 Source ( แหลงกําเนิดเสียง ) เคล่ือนท่ี เขาหา จะทําใหผูสังเกตไดยินเสียงมีความถ่ีเพิ่มข้ึน

vO v

3

v

vS

4

จาก v = f จะได v = f

จากรูป 4 พิจารณาท่ีแหลงกําเนิดเสียง ได v vS = fS S

เม่ือ v กับ vO เคล่ือนท่ีไปทางเดียวกนั จะได v - vS = fS S ………………… ( 1 ) จากรูป 4 พิจารณาท่ีผูสังเกต ได v vO = fO O ; เม่ือผูสังเกตอยูกับท่ี vO = 0 แทนคา vO = 0 จะได v = fO O ………………… ( 2 )

( 1 ) / ( 2 ) v v-v S =

OO

SSff

เม่ือ S = O เพราะความยาวคล่ืน อยูระหวางผูสังเกตและแหลงกําเนิดท่ีเดียวกนั จึงเทากนั

v v-v S =

O

Sff

fO = (S v-v

v ) fS

2. จากรูป 5 Source ( แหลงกําเนิดเสียง ) เคล่ือนท่ี หนี จะ

ทําใหผูสังเกตไดยนิเสียงมีความถ่ีตํ่าลง จาก v = f จะได v = f

จากรูป 5 พิจารณาท่ีแหลงกําเนิดเสียง ได v vS = fS S

เม่ือ v กับ vO เคล่ือนท่ีสวนกัน จะได v + vS = fS S ………………… ( 1 ) จากรูป 4 พิจารณาท่ีผูสังเกต ได v vO = fO O ; เม่ือผูสังเกตอยูกับท่ี vO = 0 แทนคา vO = 0 จะได v = fO O ………………… ( 2 )

( 1 ) / ( 2 ) v

vv S = OO

SSff

เม่ือ S = O เพราะความยาวคล่ืน อยูระหวางผูสังเกตและแหลงกําเนิดท่ีเดียวกนั จึงเทากนั

v

vv S = O

Sff

vS v

5

fO = (S vv

v

) fS

ดังนั้นเราสามารถสรุป สูตร ของปรากฏการณดอปเปลอร เม่ือ ตัวกลางอยูนิ่ง ( อากาศ )ไดดังนี ้จากรูป 6 สรุปสูตรไดดังนี ้

fO =

S

O vv

vv fS

ผูสังเกตเคล่ือนท่ีเขา แทน vO ดวย ( + ) ผูสังเกตเคล่ือนท่ีหนี แทน vO ดวย ( - ) Source ( แหลงกําเนิด ) เคล่ือนท่ีเขา แทน vO ดวย ( - ) Source ( แหลงกําเนิด ) เคล่ือนท่ีหนี แทน vO ดวย ( + )

ตัวอยาง ชายคนหนึ่งวิ่งเขาหาแหลงกําเนิดเสียงดวยความเร็ว 10 เมตรตอวินาที ถาเสียงนั้นถูกปลอยออกจากแหลงกําเนิดเสียงท่ีหยุดนิ่ง และมีความถ่ี 480 Hz ขณะน้ันความเร็วเสียงในอากาศ 300 Hz ชายผูนั้นจะไดยินเสียงความถ่ีเทาใด

วิธีทํา จาก fO =

S

O vv

vv fS

เม่ือ v = ความเร็วเสียงในอากาศ = 300 m/s vO = ความเร็วของผูสังเกต = 10 m/s เคล่ือนท่ีเขาหา ( + )

vS = ความเร็วของแหลงกําเนิด = 0 m/s fO = ความถ่ีท่ีผูสังเกตไดยิน = ?

fS = ความถ่ีเสียงของแหลงกําเนิด = 480 Hz

จะได fO =

v vv O fS

แทนคา fO =

30010300 480 = 496 Hz

vO vS

v

vS vO

6

vO v

ตอบ ชายผูนั้นจะไดยินเสียงความถ่ีเทากับ 496 เฮิรตซ คล่ืนกระแทก ( Shock Wave ) คือ ปรากฏการณท่ีผูสังเกตท่ีหยุดนิ่งไดยนิเสียงจากแหลงกําเนิดเสียง ( Source ) มีความเร็วมากกวาความเร็วของเสียง แสดงลักษณะของคล่ืนไดดังรูป จากรูป แหลงกําเนิดเสียง ( Source ) เคล่ือนจาก A B ใชเวลา t คล่ืนเสียง เคล่ือนจาก A Cใชเวลา t อันเดียวกนั

จะได sin = ABAC =

tABtAC

= Sv

v

sin = Sv

v

เม่ือ v = ความเร็วคล่ืนเสียง , vS = ความเร็วของแหลงกําเนิด , = คร่ึงหนึ่งของมุมท่ีปลาย

กรวย Mach number คือเลขท่ีใหทราบความเร็วของแหลงกําเนิดเสียงเปนกี่เทาของความเร็วคล่ืนเสียง

หาคา Mach number ไดจาก อัตราสวนระหวาง อัตราเร็วของแหลงกําเนิดกับอัตราเร็วเสียง

A

B

C

หนาคล่ืนกระแทก

หนาคล่ืนกระแทก

Mach number = v

vS = sin

1

ตัวอยาง เครื่องบิน มีความเร็ว 2.5 มัค จะมีอัตราเร็วเทากับเทาไร ถาอัตราเร็วเสียงเทากับ 340 เมตรตอวินาที วิธีทํา

ความเขมของเสียงและระดับความเขมของเสียง

แหลงกําเนิดท่ีมีชวงกวางของการส่ัน ( amplitude ) กวางมาก จะเกิดเสียงดังกวาเสียงท่ีมี amplitude นอย ในทางวิทยาศาสตร เรียกความดังของเสียงวา ความเขมของเสียง การวัดความเขมของเสียงวัดไดจากพลังงานของเสียงท่ีตกต้ังฉากบน 1 หนวยพ้ืนท่ีใน 1 หนวยเวลา มีหนวยเปนวัตตตอตารางเมตร ( Watt/m2 ) และหาไดจากสมการดังตอไปนี้ เม่ือ I คือ ความเขมของเสียงท่ีจุดใดจุดหนึ่ง ( Watt/m2 )

P คือ กําลังของเสียงจากแหลงกําเนิด ( Watt ) R คือ ระยะระหวางแหลงกําเนิดเสียงกับจุดท่ีพิจารณา ( m ) A คือ พื้นท่ีของเสียงท่ีตกต้ังฉากกับแหลงกําเนิด S คือ จุดกําเนิดคล่ืนเสียงท่ีมีหนาคล่ืนเปนรูปทรงกลม พื้นท่ี ๆ เสียงตกต้ังฉากก็คือ พื้นท่ีผิวทรงกลม ซ่ึงมีพื้นท่ี = 4R2

I = tAW

= AP

= 2R4P

I 2R1

ความเขมเสียงสูงสุดท่ีมนุษยไดยิน ( เสียงดัง ) 1 watt / m2 ความเขมเสียงตํ่าสุดท่ีมนุษยไดยิน ( เสียงเบา ) 10- 12 watt/m2

ตัวอยาง ชายคนหน่ึงขณะอยูหางจากแหลงกําเนิด 3 เมตร จะไดยินเสียงมีความเขม 10- 8 watt / m2 แหลงกําเนิดเสียงมีกําลังเสียงกี่วัตต

วิธีทํา จาก I = 2R4P

P = 4R2 ( I )

Mach number = v

vS แทนคา 1.25 = 340vS

VS = ( 2.5 )( 340 ) = 850 เมตรตอวินาที เคร่ืองบิน มีความเร็ว 1.25 มัค จะมีอัตราเร็วเทากับ 850 เมตรตอวนิาที

S

R A

แทนคา P = 4(3 )2 ( 10- 8 ) = 36x10- 8 วัตต ตอบ แหลงกําเนิดเสียงมีกําลังเสียงเทากับ 36x10- 8 วัตต เม่ือหูไมสามารถใชเปนมาตรฐานในการวัดความเขมของเสียงได จึงมีการวัดความเขมของเสียงดัง สมการและตัวอยางขางตน และเพ่ือเปนเกียรติแก อเลกซานเดอร เกรแฮม เบล จึงวัดความดังของเสียงเปนระดับความเขมของเสียงและมีหนวยเรียกวา เบล แตเนื่องจากเบลเปนหนวยท่ีใหญเกินไป ไมสามารถบอกความละเอียดท่ีจะอยกคาความดังของเสียงตางๆได จึงแบงเปนหนวยยอยลงไป เรียกวา เดซิเบล ( dB ) 1 เบล = 10 เดซิเบล ตัวเลขความดัง 1 เดซิเบล จะดังกวา 0 เดซิเบล = 10 เทา ตัวเลขความดัง 2 เดซิเบล จะดังกวา 0 เดซิเบล = 100 เทา

มนุษยสามารถไดยินเสียงท่ีมีความดังท่ีระดับความเขมของเสียงต้ังแต 0 – 120 เดซิเบล เสียงท่ีดังมากเกินไปอาจทําใหหูหนวกได เชน เสียงฟาผาใกลๆตัว ท่ีมีคาความดังเกิน 120 dB เปนตน เสียงท่ีมีความดังไมมากแตไดยินเปนเวลานานหลายช่ัวโมงก็อาจเปนอันตรายได เชน เสียงเคร่ืองจักรในโรงงานอุตสาหกรรม ( มลภาวะทางเสียง ) องคการอนามัยโลกจึงกําหนดวาเสียงท่ีปลอดภัยตองมีความเขมไมเกิน 85 dB เม่ือตองไดยินติดตอกันวันละ 8 ช่ัวโมงข้ึนไป เสียงท่ีดังไมถึงข้ันเปนอันตรายกับหู แตอาจมีผลกระทบทางดานจิตใจได เชน ทําใหเกิดความเครียด ไมมีสมาธิ เปนตน

เราสามารถหาระดับความเขมของเสียง ไดดังนี้ เม่ือ คือ ระดับความเขมของเสียงท่ีจุดพิจารณา ( dB , เดซิเบล ) I คือ ความเขมของเสียงขณะใดขณะหน่ึงท่ีจุดพิจารณา ( watt/m2 ) I0 คือ ความเขมของเสียงตํ่าสุดท่ีมนุษยไดยิน = 10- 12 watt/m2

= 10 log 0II

ตัวอยาง หนาตางแหงหนึ่ง มีคล่ืนเสียงผานวดัระดับความเขมของเสียงได 80 dB จงหาวา ขณะนั้นมีความเขมของเสียงกี่วัตตตอตารางเมตร

วิธีทํา จาก = 10 log 0II

แทนคา 80 = 10 log 12 -10I

80 = 10 ( log I – log 10-12 ) 80 = 10 ( log I – (-12)log 10 )

1080 = log I + 12

8 – 12 = log I -4 = log I 10- 4 = I I = 10- 4 watt/m2

ตอบ คล่ืนเสียงขณะที่ผานหนาตางมีความเขมของเสียงเทากับ 10- 4 วัตตตอตารางเมตร หูกับการรับรู หูเปนอวัยวะสําคัญในการรับเสียง แบงออกเปน 3 สวนคือ

1 ) หูสวนนอก ( external ear ) ประกอบดวยใบหู รูหูหรือชองหู จนถึงแกวหู ทําหนาท่ีรับเสียงจากภายนอก คล่ืนเสียงเดินทางไปทางรูหู โดยมีชองหูทําหนาท่ีรวมเสียงไปสูแกวหู

2 ) หูสวนกลาง ( middle ear ) อยูถัดจากแกวหูเขาไป มีลักษณะเปนโพรงอากาศ ภายในมีกระดูก 3 ช้ิน ไดแกกระดูกคอน อยูชิดแนบกับแกวหู กระดูกโกลนมีฐานวางปดชองท่ีตอไปยังหูช้ันใน และกระดูกท่ังทําหนาท่ีสงตอแรงส่ันสะเทือนของเสียงไปยังหูสวนใน และหูสวนกลาง นอกจากนี้ยังทําหนาท่ีปรับความดันอากาศภายในใหเทากับความดันอากาศภายนอก โดยอาศัยทอท่ีติดตอกับโพรงอากาศ หากความดันไมเทากันจะทําใหหูอ้ือ ไดยินเสียงไมชัดเจน

3 ) หูสวนใน ( inner ear ) ประกอบดวยสวนสําคัญ 2 สวน สวนแรก คือ คอเคลีย (Cochlea) เปนทอขดคลายรูปหอยโขง ภายในมีของเหลว มีเซลลรับ

ความส่ันสะเทือนของของเหลวภายในคอเคลีย ทําหนาท่ีรับคล่ืนเสียง และแปลงเปนคล่ืนไฟฟาไปตามประสาทไดยินไปยังสมอง เพื่อรับรูการไดยินและแปลความหมายโดยสมอง

สวนท่ีสอง คือ ทอคร่ึงวงกลม 3 ทอ ต้ังฉากซ่ึงกันและกัน ทําหนาท่ีรับการทรงตัวของรางกายและการเคล่ือนไหวของศรีษะ

เสียง

เสนประสาทหูใบห

กระดูกคอนทอคร่ึงวงกลม

คอเคลยีแกวหู

ทอยูสเตเชียนทิวป