เสียง

เสียง ( Sound )

เสียงเกิดได้อย่างไร

                    เสียง  เป็นคลื่นกลที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อวัตถุเกิดการสั่นสะเทือน จะทำให้เกิดการอัดตัว และขยายตัวของคลื่นเสียง และถูกส่งผ่านตัวกลางที่เป็นสสารอยู่ในสถานะ ก๊าซ ของเหลว ของแข็ง (คลื่นเสียงจะไม่ผ่านสุญญากาศ) ไปยังหู ทำให้ได้ยินเสียงเกิดขึ้น

          เสียงเกิดขึ้น เมื่อวัตถุหรือแหล่งกำเนิดเสียง มีการสั่นสะเทือน ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของอากาศที่อยู่โดยรอบกล่าวคือโมเลกุลของอากาศเหล่านั้นจะเคลื่อนที่จากตำแหน่งแหล่งกำเนิดเสียงไปชนกับโมเลกุลของอากาศที่อยู่ถัดออกไป จะเกิดการถ่ายโอนโมเมนตัมจากโมเลกุลที่มีการเคลื่อนที่ไปให้กับโมเลกุลของอากาศ ที่อยู่ในสภาวะปกติ จากนั้นโมเลกุลที่ชนกันจะแยกออกจากกันโดยโมเลกุลของอากาศที่เคลื่อนที่มาชนจะถูกดึงกลับไปยังตำแหน่งเดิมด้วยแรงปฎิกิริยา และโมเลกุลที่ได้รับการถ่ายโอนพลังงาน ก็จะเคลื่อนที่ต่อไปและไปชนกับโมเลกุลของอากาศที่อยู่ถัดไป เป็นดังนี้ไปเรื่อยๆ จนเคลื่อนที่ไปถึงหู เกิดการได้ยินขึ้น

           ปรากฏการณ์นี้จะเกิดสลับกันไปมาได้เมื่อสื่อกลางหรือตัวกลางคืออากาศซึ่งมีคุณสมบัติยืดหยุ่น การเคลื่อนที่ของโมเลกุลอากาศจะเกิดเป็นคลื่นเสียง

ความหมายของเสียง

           มนุษย์ใช้เสียงติดต่อสื่อสารระหว่างกัน และใช้เสียงดนตรีเพื่อทำให้เกิดอารมณ์และการพักผ่อนหย่อนใจในธรรมชาติเราได้ยินเสียงจากแหล่งต่างๆ เสียงเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร การศึกษาเกี่ยวกับธรรมชาติและสมบัติของเสียง จะทำให้เราเข้าใจและสามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆที่เกี่ยวข้อง รวมทั้งนำความรู้เกี่ยวกับเสียงไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันได้

แหล่งกำเนิดเสียง

             แหล่งกำเนิดเสียงคือ วัตถุที่ทำให้เกิดเสียง เมื่อวัตถุนั้นเกิดการสั่นสะเทือน แหล่งกำเนิดเสียงแต่ละชนิดจะทำให้กำเนิดเสียงที่มีความแตกต่างกันไประดับความดังของเสียงมีหน่วยวัดเป็น เดซิเบล (db)

เสียงดัง (Noise)

       เสียงดัง (Noise) หมายถึง เสียงชึ่งไม่เป็นที่ต้องการของคนเพราะทำให้เกิดการรบกวนการรับรู้เสียงทีต้องการ

ความถี่ของเสียง (Frequency of  sound)

      ความถี่ของเสียง (Frequency of  sound) หมายถึง จำนวนครั้งของการเปลี่ยนแปลงความดันบรรยากาศ

ตามการอัดและขยายของโมเลกุลอากาศในหนึ่งวินาที หน่วยวัด คือ รอบต่อวินาที หรือ เฮิรตช์ (Hertz ; Hz)

ความดันเสียง (sound pressure) 

      ความดันเสียง (sound pressure) หมายถึง ค่าความดันของคลื่นเสียงที่เปลี่ยนแปลงไปจากความดันบรรยากาศปกติ ซึ่งค่าความดันที่เปลี่ยนแปลงมากที่สุด คือ    ค่าความสูงคลื่นหรือแอมปลิจูด   การตอบสนองของหูต่อความดันเสียงไม่ได้มีลักษณะเป็นเส้นตรง แต่มีความสัมพันธ์นลักษณะของลอกาลิทึม (Logarl1thm) ดังนั้น ค่าระดับความดันเสียง ที่อ่านได้จากการตรวจวัดโดยเครื่องวัดเสียงนั้น เป็นค่าทีได้จากการเปรียบเทียบกับความดันเสียงอ้างอิงแล้ว มีหน่วยวัดเป็น เดชิเบล (decibel : dB)

      เดซิเบลเอ ; dBA    หรือ เดซิเบล (เอ) ; dB(A) เป็นหน่วยวัดความดังเสียงที่ใกล้เคียงกับการตอบลนองต่อเสียงของหูมนุษย์

การเคลื่อนที่ของเสียง

การเคลื่อนที่ของเสียง

            การเดินทางของเสียง ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เสียงมาถึงหูของเราโดยมีอากาศเป็นตัวกลาง แหล่งกำเนิดเสียงจะทำให้อากาศรอบๆสั่นสะเทือน การสั่นสะเทือนจะกระจายออกไปรอบทุกทิศทาง เมื่อคลื่นเดินทางมาถึงหูของเรา เราจะรับรู้เสียงต่างๆ

            การเคลื่อนที่ของเสียงผ่านตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง ความถี่จะมีค่าคงที่ โดยความเร็วของ คลื่นเสียงจะขึ้นอยู่กับชนิดของตัวกลางและอุณหภูมิ

ตารางแสดงอัตราเร็วเสียงในตัวกลางต่างๆ ที่อุณหภูมิต่างๆ

อัตราเร็วเสียงในอากาศที่อุณหภูมิใดๆเป็นไปตามความสัมพันธ์ ดังนี้

v = 331+0.6t

เมื่อ v แทนอัตราเร็วเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ 1 องศาเซลเซียส

t แทนอุณหภูมิของอากาศเป็นองศาเซลเซียส             

ธรรมชาติและสมบัติของคลื่นเสียง

คลื่นเสียง

          เกิดจากการสั่นของวัตถุที่เป็นตัวก่อกำเนิดเสียง พลังงานของการสั่นจะถ่ายโอนให้กับอนุภาคของตัวกลางที่สัมผัสกับตัวก่อเกเสียงนั้น และอนุภาคเหล่านี้จะถ่ายโอนพลังงานของการสั่นให้อนุภาคของตัวกลางที่อยู่ถัดกันต่อเนื่องกันไป ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของเสียง ( Sound propagation )

      สำหรับคลื่นเสียงในอากาศ เมื่อตัวก่อเกิดเสียงมีการสั่น โมเลกุลของอากาศจะทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการถ่ายโอนพลังงานของการสั่นให้กับโมเลกุลของอากาศที่อยู่รอบๆโดยการชน

            กรณีการเคลื่อนที่ของเสียงในอากาศ พบว่าทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียงกับทิศการสั่นของอนุภาคของอากาศอยู่ในแนวเดียวกัน ดังนั้น เสียงจึงเป็นคลื่นเสียงตามยาว

สมบัติของเสียง 

......... เนื่องจากเสียงมีลักษณะเป็นคลื่นจึงมีสมบัติเหมือนคลื่นทุกประการคือ

1. การสะท้อนของเสียง 

          เสียงมีการสะท้อนเหมือนกับคลื่น เป็นไปตามกฏการสะท้อน โดยที่เมื่อเสียงเคลื่อนที่จาก

ตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากจะมีการสะท้อนของคลื่นเสียงเกิดขึ้นซึ่งเฟสจะเปลี่ยนไป 180 องศา แต่ถ้าเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากไปยัง

ตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยจะมีการสะท้อนเพียงบางส่วนซึ่ง การสะท้อนนี้คลื่นเสียงจะมีเฟสเท่าเดิม 

สิ่งที่จะสะท้อนเสียงได้ มีความยาวอย่างน้อยเท่ากับความยาวคลื่น

ปรากฏการณ์การสะท้อนของคลื่นเสียง

1) เสียงก้อง(Echo) 

............คือการสะท้อนของเสียงกลับซึ่งสามารถรับฟังได้ เมื่ออยู่ห่างตัวกลางที่ทำให้เกิดการสะท้อน

ของเสียงมากกว่า 17 เมตร เพราะหูของคนเราจะสามารถแยกเสียงครั้งที่ 1และ 2 ได้เมื่อเสียงนั้น

ห่างกันอย่างน้อย 0.1 วินาที

เราสามารถหาระยะทางระหว่างผู้ฟังถึงตัวกลางที่ทำให้เกิด การสะท้อนได้

จาก S = Vt

โดยที่ S = ระยะทาง มีหน่วยเป็นเมตร

V = ความเร็ว มีหน่วยเป็นเมตร/วินาที

t = เวลา มีหน่วยเป็นวินาที 

ตัวอย่างการคำนวณ:

           1.ชายคนหนึ่งตะโกนในหุบเขาได้ยินเสียงสะท้อนกลับมาในเวลา 4 วินาที ขณะนั้นอุณหภูมิของอากาศ  15 องศาเซลเซียส

วิเคราะห์:

          เสียงเดินทางไป  - กลับ ใช้เวลา 4 วินาที

          เสียงเดินทางเทียวเดียวใช้เวลาเพียงครึ่งหนึ่ง    เวลา  =   2 วินาที

          อัตราเร็วของเสียงในอากาศ เมื่ออุณหภูมิ  15  องศาเซลเซียส  

          2. ชายคนหนึ่งเป่านกหวีดอยู่หน้ากำแพงซึ่งได้ยินเสียงก้องหลังเป่า 2.1 วินาที ต่อมาเดินเข้า   ไปใกล้อีก 50 เมตร  จะได้ยินเสียงก้องหลังเป่า 1.8  วินาที จงหาว่าชายคนนี้ยืนห่างจาก กำแพงกี่เมตรในตอนแรก

                2) คลื่นนิ่ง 

            เมื่อคลื่นเสียงเคลื่อนที่จากแหล่งกำเนิด เข้าหาสิ่งกีดขวางจะสะท้อนกลับทำให้เกิดคลื่นนิ่งดังรูป

ตำแหน่ง Antinode เสียงดัง ตำแหน่ง Node เสียงจะค่อย

ตัวอย่างการคำนวณ

            1. ผู้ขับรถยนต์คันหนึ่งกำลังเปิดรับฟังวิทยุฟังรายการจากสถานีแห่งหนึ่ง ขณะที่รถกำลัง

เคลื่อนที่เขาหาตึกใหญ่ข้างหน้าด้วยความเร็ว 1 เมตร/วินาที เขาสังเกตว่าวิทยุเงียบ ไป 2 ครั้งใน 3 วินาที คลื่นวิทยุนั้นมีความยาวคลื่นเท่าไร 

วิเคราะห์ : 

          คลื่นวิทยุเคลื่อนที่เข้าหาตึกจะสะท้อนกลับรวมกับคลื่นเดิมเป็นคลื่นนิ่ง ทำให้เกิดตำแหน่ง บัพ (Node) เสียงเงียบ และตำแหน่งปฏิบัพ ( Antinode) เสียงดัง เมื่อรถเคลื่อนที่ผ่านเสียงเงียบ 2 ครั้งใน 3 วินาที 

วิธีทำ

                         จากรูป ระยะที่เสียงเงียบหายไป 2 ครั้ง จะเท่ากับความยาวคลื่น

หาความยาว

                            S =  v.t

                                =  1x3

                                =  3  เมตร

ตอบ  คลื่นวิทยุมีความยาวคลื่น 3  เมตร

2. การหักเห 

           การหักเหของคลื่นเสียงคือการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียง เมื่อคลื่นเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปอีกตัวกลางหนึ่งที่มีความหนาแน่นต่างกัน สามารถสรุปความสัมพันธ์ได้ดังนี้

คลื่นเสียงจะเบนออกจากเส้นปกติเมื่อเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง หรือจากบริเวณที่มีความเร็วน้อยไปยังตัวกลางที่มีความเร็วมาก

ตัวอย่างการคำนวณ

ถ้าอัตราเร็วของเสียงในน้ำและในอากาศ เท่ากับ  1400 และ 350 เมตร/วินาที ตามลำดับ เสียงระเบิดจากใต้น้ำเดินทางมากระทบผิวน้ำด้วยมุมตกกระทบ 30 องศา จงหา sin ของมุมหักเห

ตัวอย่าง เกี่ยวกับการหักเห เช่นฟ้าแลบแล้วยังไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง เพราะการหักเห

 มุมวิกฤต

           คือ มุมตกกระทบที่ทำให้มุมหักเหเท่ากับ 90 คลื่นเสียงต้องเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีความเร็วน้อยไปสู่บริเวณ ที่มีความเร็วมาก เช่น จากอุณหภูมิต่ำไปยังอุณหภูมิสูงได้สูตร

ถ้ามุมตกโตกว่ามุมวิกฤต คลื่นเสียงจะไม่หักเหแต่ จะสะท้อนกลับหมด

3. การแทรกสอด 

            คือปรากฎการณ์ที่คลื่นเสียง 2 ขบวนเคลื่อนที่เข้ามาในตัวกลางเดียวกันเกิดการรวมคลื่น กันขึ้นทำให้เกิดการเสริมกันและหักล้างกัน ตำแหน่งที่เสริมกันเรียกว่า ตำแหน่งปฎิบัพ (เสียงดัง) ตำแหน่งที่หักล้างกันเรียกว่า ตำแหน่งบัพ (เสียงจะค่อย)

          แหล่งกำเนิดอาพันธ์ คือแหล่งกำเนิดคลื่นเสียงที่มีความถี่เท่ากัน ความยาวคลื่นเท่ากัน

อัตราเร็วเท่ากัน แอมปลิจูดเท่ากัน แต่เฟสอาจจะเท่ากันหรือต่างกันคงที่ก็ได้ 

ปรากฏการณ์บีตส์(Beat)

            เป็นปรากฏการณ์จากการแทรกสอดของคลื่นเสียง 2 ขบวนที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อยและเคลื่อนที่อยู่ในแนวเดียวกันเกิดการรวมคลื่นเป็นคลื่นเดียวกัน ทำให้แอมพลิจูดเปลี่ยนไป เป็นผลทำให้เกิดเสียงดังค่อยสลับกันไปด้วยความถี่ค่าหนึ่ง

               ความถี่ของบีตส์ หมายถึงเสียงดังเสียงค่อยที่เกิดขึ้นสลับกันในหนึ่งหน่วยเวลา เช่น ความถี่ของบีตส์เท่ากับ 10 รอบต่อวินาทีหมายความว่าใน 1 วินาทีเสียงดัง 10 ครั้งและเสียงค่อย 10 

4. การเลี้ยวเบน 

           คือการที่คลื่นเสียงเคลื่อนที่ไปพบสิ่งกีดขวางแล้วสามารถเคลื่อนที่อ้อมได้หลัง สิ่งกีดขวางได้อธิบายได้โดยใช้หลักของฮอยเกนต์

ปรากฏการณ์ของเสียง

เสียงดังหรือเสียงค่อย

          ความดังของเสียง คือ ปริมาตรของพลังงานเสียงที่มาถึงหูของเรา

            ปัจจัยที่มีผลทำให้วัตถุเกิดเสียงดังหรือเสียงค่อย ได้แก่

1. ระยะทางจากแหล่งกำเนิดเสียง ถึง หูผู้ฟัง ถ้าระยะทางใกล้ๆ จะได้ยินเสียงดังมากและจะได้ยินเสียงค่อยๆ ลงไปเมื่อระยะห่างออกไปเรื่อยๆตามลำดับ
2. ความแรงในการสั่นสะเทือนของวัตถุแหล่งกำเนิดเสียง ถ้าแหล่งกำเนิดเสียงสั่นด้วยความรุนแรง จะทำให้เกิดเสียงดัง แต่ถ้าแหล่งกำเนิดเสียงสั่นเบาๆ ก็จะทำให้เกิดเสียงสั่นค่อยลง ตามลำดับ
3. ชนิดของตัวกลาง ความดังของเสียงขึ้นอยู่กับชนิดของตัวกลางที่คลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่านไป ถ้าคลื่นเสียงเคลื่อนที่ไปในน้ำจะมีความดังของเสียงมากกว่าคลื่นเสียงที่เคลื่อนที่ไปในอากาศ
4. ขนาดและรูปร่างของวัตถุที่เป็นแหล่งกำเนิดเสียงสั่นสะเทือน เช่น กระดิ่งจักรยาน ทำให้เกิดเสียงดังและได้ยินในระยะทางหลายร้อยฟุต แต่ระฒังก็มีเสียงดังได้ไกลไปหลายๆกิโลเมตร เป็นต้น

เสียงสูงเสียงต่ำ 

            เรียกว่า ระดับเสียง  ถ้าแหล่งกำเนิดเสียงมีความเร็วในการสั่นสะเทือน (มีความถี่สูง) จะทำให้เกิดเสียงสูง  และถ้า แหล่งกำเนิดเสียงมีความเร็วในการสั่นสะเทือนน้อย หรือเบา (มีความถี่ต่ำ) จะทำให้เกิดเสียงต่ำ หรือเสียงทุ้ม

            ปัจจัยที่มีผลต่อการเกิดเสียงสูงต่ำ  เสียงสูงต่ำขึ้นอยู่กับความถี่ในการสั่นสะเทือนของวัตถุที่เป็นแหล่งกำเนิดเสียง แหล่งกำเนิดเสียงสั่นสะเทือนด้วยความถี่ต่ำ จะเกิดเสียงต่ำ  แต่ถ้าสั่นสะเทือนด้วยความถี่สูง เสียงก็จะสูง  โดยระดับเสียงสามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วย

1. ขนาดของวัตถุกำเนิดเสียง

2. ความยาวของวัตถุกำเนิดเสียง

3. ความตึงของวัตถุกำเนิดเสียง

          จะเกิดการเปลี่ยนแปลง  ดังนี้

1. วัตถุที่ต้นกำเนิดเสียง  มีขนาดเล็กจะสั่นสะเทือนเร็วทำให้เกิดเสียงสูง แต่   ถ้าวัตถุที่ต้นกำเนิดเสียง มีขนาดใหญ่จะสั่นสะเทือนช้าทำให้เกิดเสียงต่ำ
2. ถ้าวัตถุที่เป็นต้นกำเนิดเสียงมีขนาดยาวน้อยหรือสั้นจะสั่นสะเทือนเร็วทำให้เกิดเสียงสูง แต่ ถ้าวัตถุที่เป็นต้นกำเนิดเสียง มีขนาดความยาวมากจะสั่นสะเทือนช้าทำให้เกิดเสียงต่ำ
3.  ถ้าวัตถุที่เป็นต้นกำเนิดเสียงมีความตึงมากจะสั่นสะเทือนเร็วทำให้เกิดเสียงสูง แต่ ถ้าวัตถุที่เป็นต้นกำเนิดเสียงมีความตึงน้อยหรือหย่อนจะสั่นสะเทือนช้าทำให้เกิดเสียงต่ำ

การกำทอน (Resonance)

             เป็นปรากฏการณ์ที่มีแรงไปกระทำให้วัตถุสั่นหรือแกว่ง โดยความถี่ของแรงกระทำ(ความถี่กระตุ้น)    ไปเท่ากับความถี่ธรรมชาติของวัตถุ จะทำให้วัตถุนั้นสั่นด้วยแอมปลิจูดที่มากที่สุด เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การสั่นพ้อง หรือ การกำทอน (resonance)

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (The Doppler Effect)

            เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากการรับคลื่นของผู้ฟังหรือผู้สังเกต อันเนื่องมาจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์กันของแหล่งกำเนิดคลื่นหรือการเคลื่อนที่ของผู้ฟัง “ความเร็วสัมพัทธ์ระหว่างผู้ฟังกับแหล่งกำเนิดไม่

เท่ากับศูนย์”

คลื่นกระแทก (Shock wave)

          เกิดขึ้นเมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่เร็วกว่าอัตราเร็วคลื่นในตัวกลางนั้น เช่น คลื่นกระแทกของคลื่นที่ผิวน้ำขณะที่เรือกำลังวิ่งหรือคลื่นเสียงก็เกิดขึ้นเมื่อเครื่องบินบินเร็วกว่าอัตราเร็วของเสียงในอากาศโดยแนวหน้าคลื่นที่ถูกอัดมีลักษณะเป็นรูปตัว V (V-shape)

มลภาวะของเสียง

มลภาวะของเสียง

                  บริเวณใดที่มีระดับความเข้มเสียงที่ทำให้หูและสภาวะจิตใจของผู้ฟังผิดปกติ ถือว่าเสียงในบริเวณนั้นเป็น “มลภาวะของเสียง”กระทรวงมหาดไทยได้กำหนดมาตรฐานความเข้มเสียงของสถานประกอบการไว้ดังนี้

หูกับการได้หู แบ่งออกเป็น 3 ส่วน คือ หูชั้นนอก หูชั้นกลาง และหูชั้นใน ดังรูปคลื่นเสียงเป็นสิ่งเร้า เมื่อคลื่นเสียงผ่านเข้าสู่ช่องหู  ส่วนนอก (External auditory canal) ไปสู่หูส่วนกลาง (middle ear) ซึ่งมีเยื่อแก้วหู(lympanic membrane) คลื่นเสียงทำให้อากาศสั่นสะเทือนส่งผลให้เยื่อแก้วหูสั่น กระทบกับกระดูกหูรูปค้อน กระดูกรูปทั่งและกระดูกรูปโกลนทำให้เกิดการสั่นสะเทือนไปยังของเหลว  Perilymph และของเหลว Endolymph ในหูส่วนใน ซึ่งคลื่นของเหลวนี้จะไปกระตุ้นเซลล์รับเสียงส่งต่อไปยัประสาทรับเสียง (auditory nerve) ส่งไปยังศูนย์กลางรับเสียงในสมอง ซึ่งแปลความรู้สึกเป็นเสียงต่างๆ