วิทยาศาสตร์พื้นฐาน: บทที่ 2

บทที่ 2 เสียง

เสียง

เสียง เป็นคลื่นเชิงกลที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อวัตถุสั่นสะเทือน ก็จะทำให้เกิดการอัดตัวและขยายตัวของคลื่นเสียง และถูกส่งผ่านตัวกลาง เช่น อากาศ ไปยังหู แต่เสียงสามารถเดินทางผ่านสสารในสถานะก๊าซ ของเหลว และของแข็งก็ได้ แต่ไม่สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้

2.1 การเคลื่อนที่ของเสียง

เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงสั่น พลังงานของการสั่นจะถูกถ่ายโอนให้แก่โมเลกุลของอากาศที่อยู่รอบๆ โดยการชนระหว่างโมเลกุล เมื่อพิจารณาแนวการถ่ายโอนพลังงานของคลื่นเสียงกับแนวการสั่นของโมเลกุลของอากาศซึ่งเป็นโมเลกุลของตัวกลางแล้ว จะพบว่าอยู่ในแนวเดียวกัน ดังนั้น คลื่นเสียงจึงเป็นคลื่นตามยาว

เมื่อวัตถุแหล่งกำเนิดเสียงเกิดการสั่น จะทำให้เกิดการอัดตัวและขยายตัวของโมเลกุลอากาศต่อเนื่องสลับกันไป เกิดการถ่ายถอดพลังงานผ่านโมเลกุลอากาศออกไป บริเวณที่อากาศอัดตัว อากาศจะมีความดันสูงกว่าปกติ และบริเวณที่อากาศขยายตัวจะมีความดันต่ำกว่าปกติ

จากรูป

• ณ ตำแหน่งที่อากาศอัดตัว จะทำให้ ความดันอากาศสูงสุด โดยโมเลกุลที่ตำแหน่งกึ่งกลางช่วงอัดไม่มีการกระจัด ดังนั้นตำแหน่งนี้ การกระจัดโมเลกุลอากาศเป็นศูนย์

• ณ ตำแหน่งที่อากาศขยายตัว จะทำให้ ความดันอากาศต่ำสุด โดยโมเลกุลที่ตำแหน่งกึ่งกลางช่วงอัดไม่มีการกระจัด ดังนั้นตำแหน่งนี้ การกระจัดโมเลกุลอากาศเป็นศูนย์

• เมื่อเปรียบเทียบเฟสของกราฟความดันอากาศกับกราฟการกระจัดโมเลกุลอากาศ พบว่ากราฟมีเฟสต่างกัน 90 องศา(โดยเฟสการกระจัดมากกว่า)

• ระยะจากกลางช่วงอัดถึงอัดที่อยู่ถัดกัน หรือขยายถึงขยายที่อยู่ถัดกันไป จะมีระยะห่างกันเท่ากับ 1 ความยาวคลื่น

2.2 อัตราเร็วของเสียง

อัตราเร็วของคลื่นเสียง คือ ระยะทางที่เสียงเคลื่อนที่ได้ในเวลา 1 วินาที

อัตราเร็วของเสียงขึ้นอยู่กับ

1. ความหนาแน่น ความหนาแน่นมาก อัตราเร็วมาก
2. ความยืดหยุ่น ความยืดหยุ่นมาก อัตราเร็วมาก
3. อุณหภูมิ อุณหภูมิสูง อัตราเร็วมาก

อัตราเร็วของเสียงในอากาศ
"สิ่งใดที่ทำให้ความหนาแน่นของอากาศเปลี่ยนแปลง โดยไม่ทำให้ความดันเปลี่ยนสิ่งนั้นย่อมเป็นเหตุให้อัตราเร็วของเสียงเปลี่ยน"

อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงสามารถมีผลกระทบต่ออัตราเร็วของเสียงได้
ถ้าอุณหภูมิของอากาศเพิ่มขึ้น ณ ความดันคงที่ อากาศย่อม ขยายตัวออกตามกฏของชาร์ล และจะมีความหนาแน่นลดลงทำให้อัตราเร็วของเสียงเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิอัตราเร็วของเสียงในอากาศจะแปรผันโดยตรงกับอุณหภูมิ(อุณหภูมิเคลวิน)

สามารถสรุปความสัมพันธ์ได้เป็น

แต่ถ้าอุณหภูมิเป็นเซลเซียส ได้ความสัมพันธ์ดังนี้

เสียงมีคุณสมบัติเป็นคลื่น ดังนั้นอัตราเร็วของเสียงสามารถหา

จากสูตร

2.3 ความถี่ของคลื่นเสียง

โดยธรรมชาติของมนุษย์สามารถรับรู้ความถี่เสียงได้ตั้งแต่ 20 Hz – 20 kHz ความสามารถในการรับรู้ในย่านของความถี่นั้นก็จะแตกต่างไปซึ่งในผู้หญิงและชายหนุ่มสามารถได้ยินที่ความถี่สูงสุดที่ 20,000 Hz หรือเรียกย่อ ๆ ว่า 20 kHz ส่วนในวัยกลางคนและผู้สูงอายุจะได้ยินลดลงไปในย่านความถี่สูงสุด อาจได้สูงสุดที่ 14 kHz
ความถี่เป็นสิ่งสำคัญทำให้เราสามารถแยกแยะได้ว่าเสียงต่าง ๆ ที่เราได้ยินนั้นคืออะไรและ เพราะความหลากหลายของความถี่ที่เกิดขึ้นมาของเสียงแต่ละแบบเปรียบได้กับลายนิ้วมือของคนเรานั่นเอง ซึ่งจะมีลักษณะเฉพาะของมันเอง มันจึงทำให้เราสามารถแปลได้ว่าเสียงที่ยินคืออะไรนั่นคือ สาเหตุที่ว่าทำไมเราจึงบอกได้ว่าเสียงที่ได้ยินคืออะไร

ความเร็วของคลื่นเสียงนั้นเรียกว่าความถี่ (frequency) ส่วนหน่วยวัดค่าความถี่นั้นเรียกว่า เฮิรต์ซ (hertz) ใช้อักษรย่อว่า Hz

หากใช้เกณฑ์การได้ยินเสียงของหูมนุษย์ เราก็อาจจำแนกคลื่นเสียงออกได้เป็น 3 จำพวกด้วยกัน คือ

1. คลื่นเสียงที่หูมนุษย์ได้ยิน (Audible waves) ซึ่งโดยปกติแล้วความถี่ของเสียงที่หูมนุษย์ได้ยินนั้นมีค่าตั้งแต่ 20 ถึง 20,000 เฮิรตซ์ อันเป็นเสียงจากเครื่องดนตรี, เสียงพูดคุยของมนุษย์ หรือเสียงจากลำโพง เป็นต้น

2. คลื่นใต้เสียง (Infrasonic waves) เป็นคลื่นเสียงที่มีความถี่ต่ำกว่าความถี่เสียงที่มนุษย์ได้ยิน ในธรรมชาติช้างใช้เสียงในระดับ infrasonic นี้ ในการสื่อสารกับช้างตัวอื่นๆ ซึ่งอยู่ไกลออกไปหลายกิโลเมตร และแน่นอนครับ มนุษย์เราไม่สามารถได้ยินเสียงของช้าง เมื่อช้างสื่อสารกันด้วยความถี่เสียงระดับนี้

3. คลื่นเหนือเสียง (Ultrasonic waves) เป็นคลื่นเสียงที่มีความถี่สูงกว่าความถี่เสียงที่มนุษย์ได้ยิน ตัวอย่างของอุปกรณ์ที่ผลิตคลื่นเสียงความถี่สูงระดับนี้ ได้แก่ นกหวีดไร้เสียงที่ใช้เป่าเรียกสุนัขหรือแมว (silent whistle) ดังรูป

นอกจากนี้ คลื่นเสียง Ultrasonic ยังถูกนำไปใช้ประโยชน์อย่างหลากหลาย อาทิเช่น การใช้หาฝูงปลาของเรือประมง หรือการใช้ในทางการแพทย์เพื่อสร้างภาพของทารกที่อยู่ในครรภ์มารดา ดังรูป

ภาพแสดงทารกในครรภ์ของมารดาอายุ 20 สัปดาห์

ในธรรมชาติ ค้างคาวจัดว่าเป็นสัตว์ที่ใช้ประโยชน์จากคลื่นเสียง Ultrasonic ในการดำรงชีพ เนื่องจากค้างคาวเป็นสัตว์หากินกลางคืน ค้างคาวจึงแทบจะไม่ใช้ตาในการมอง แต่กลับใช้การปล่อยคลื่นเสียง Ultrasonic และรับเสียงสะท้อนกลับเพื่อบอกตำแหน่งของวัตถุต่างๆในที่มืดแทน ดังรูป

ภาพแสดงการระบุตำแหน่งของวัตถุของค้างคาว

จะเห็นได้ว่าสัตว์แต่ละชนิด มีขีดจำกัดในการรับฟังเสียงที่แตกต่างกัน ลองเปรียบเทียบจากตารางต่อไปนี้

2.4 ลักษณะทางกายภาพของคลื่นเสียง

1.ความดัง (Loundness) หมายถึง ความรู้สึกได้ยินของมวลมนุษย์ว่าดังมากดังน้อย ซึ่งเป็นปริมาณที่ไม่อาจวัดด้วยเครื่องมือใด ๆ ได้โดยตรง ความดังเพิ่มขึ้นตามความเข้มเสียง ความรู้สึกเกี่ยวกับความดังจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับระดับความเข้มเสียง โดยถ้า I แทนความเข้มเสียง ความดังของเสียงจะแปรผันโดยตรงกับ log I หรืออาจกล่าวได้ว่า ความดังก็คือระดับความเข้มเสียงนั่นเอง หูของคนสามารถรับเสียงที่มีความดังน้อยที่สุดคือ 0 dB และมากที่สุดคือ 120 dB

2. ระดับเสียง (pitch) หมายถึง เสียงที่มีความยาวคลื่นและความถี่ต่างกัน โดยเสียงที่มีความถี่สูงจะมีระดับเสียงสูงส่วนเสียงที่มี ีความถี่ต่ำจะมีระดับเสียงต่ำ

3. คุณภาพของเสียง (quality) หมายถึง คุณลักษณ์ของเสียงที่เราได้ยิน เมื่อเราฟังเพลงจากวงดนตรีวงหนึ่งนั้น เครื่องดนตรี ทุกชนิดจะเล่นเพลงเดียวกัน แต่เราสามารถแยกได้ว่า เสียงที่ได้ยินนั้นมาจากดนตรีประเภทใด เช่น มาจากไวโอลิน หรือเปียโน เป็นต้นการที่เราสามารถแยกลักษณะของเสียงได้นั้นเพราะว่าคลื่นเสียงทั้งสองมีคุณภาพของเสียงต่างกัน คุณภาพของเสียงนี้ขึ้นอยู่กับ จำนวนโอเวอร์โทนที่เกิดจากแหล่งกำเนิดเสียงนั้น ๆ และแสดงออกมาเด่น จึงไพเราะต่างกัน นอกจากนี้คุณภาพของเสียงยังขึ้นกับ ความเข้มของเสียงอีกด้วย

2.5 การเกิดบีตส์

การเกิดบีตส์ (Beat) เป็นปรากฎการณ์จากการแทรกสอดของคลื่นเสียง 2 ขบวน ที่มีความถี่แตกต่างกันเล็กน้อย และเคลื่อนที่อยู่ในแนวเดียวกันเกิดการรวมคลื่นเป็นคลื่นเดียวกัน ทำให้แอมพลิจูดเปลี่ยนไป เป็นผลทำให้เกิดเสียงดังเสียงค่อยสลับกันไปด้วยความถี่ค่าหนึ่ง

ความถี่ของบีตส์ หมายถึง เสียงดังเสียงค่อยที่เกิดขึ้นสลับกันในหนึ่งหน่วยเวลา เช่น ความถี่ ของบีตส์เท่ากับ 7 รอบ/วินาที หมายความว่าใน 1 วินาที จะมีเสียงดัง 7 ครั้ง และเสียงค่อย 7 ครั้ง