สรุป คลื่นเสียง ฟิสิกส์ ม.5

สรุปเนื้อหา เรื่อง เสียง ฟิสิกส์ ม.5 พร้อมวีดีโอติวฟรี!

-เสียง คือ อะไร?
-อัตราเร็วของเสียง
-อัตราเร็วของเสียงในอากาศ!
-พฤติกรรมของเสียง(คุณสมบัติคลื่นเสียง)
-เสียงแหลม และเสียงทุ้ม เกิดจากอะไร
-ความถี่เสียงที่มนุษย์ได้ยิน
-ความเข้มเสียง
-ความดัง และระดับของเสียง

เสียง คือ อะไร?
เสียง เป็น คลื่นกล หรือ การถ่ายทอดพลังงานออกไปจากการถูกรบกวนจากการสั่นของโมเลกุลตัวกลาง ไม่ว่าจะมีสถานะเป็น ของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สก็ตาม ซึ่งถ้าไม่มีตัวกลาง หรือเป็นพื้นที่ว่างอย่างอวกาศ เสียงจะไม่สามารถถ่ายทอดออกไปได้
มนุษย์อย่างเราสามารถรับรู้ถึงเสียงได้จากประสาทสัมผัส “การได้ยิน” หรือบางคนมีความสามารถพิเศษของระบบประสาท ก็จะสามารถรับเสียง เป็น “การสัมผัสการสั่นสะเทือน” ผ่านผิวหนัง ได้เช่นกัน
อัตราเร็วของเสียง

อย่างไรก็ตาม ในระดับชั้นมัธยมฯ ปลาย เราจะโฟกัสที่ “อัตราเร็วเสียงในอากาศ” เท่านั้น
อัตราเร็วเสียงในอากาศ
ปัจจัยที่ผลต่ออัตราเร็วเสียงในอากาศ คือ อุณหภูมิ
โดย อัตราเร็วเสียงในอากาศ ที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส (273) เคลวิน มีค่า 331 เมตร/วินาที (ความดัน 1 atm)
และ สมการแปรผันที่บอกความสัมพันธ์ของ อัตราเร็วเสียงในอากาศ กับ อุณหภูมิ คือ
\[\large v \alpha \sqrt{T} \]โดย *T ในสมการใช้หน่วย เคลวิน(K) ในการคำนวณอกสาร แสงเชิงรังสี
แต่อย่างไรก็ตาม เพื่อให้การคำนวณเป็นไปอย่างง่าย จึงมีการสร้างสูตรคำนวณอัตราเร็วเสียง อย่างง่ายออกมาคือ
\[ \large v = 331 + 0.6t \] โดย *t ในสมการคือ อุณหภูมิในหน่วย องศาเซลเซียส
และ มีข้อจำกัด! คือ สมการนี้ใช้คำนวณได้ใกล้เคียงค่าจริงได้แค่อุณหูมิในช่วง -50 ถึง 50 องศาเซลเซียส

พฤติกรรมของเสียง(คุณสมบัติคลื่นเสียง)

เสียง เป็น เป็นคลื่นชนิดหนึ่ง ดังนั้น จึงมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น 4 อย่าง คือ การะสะท้อน การหักเห การแทรกสอด และการเลี้ยวเบน
การสะท้อนของเสียง
คือ พฤติกรรมที่เสียงไปกระทบเข้ากับสิ่งกีดขวาง แล้วเกิด “เสียงสะท้อน” ออกมาจากสิ่งกีดขวาง
และถ้าเสียงที่เราพูดออกไปสะท้อนกับสิ่งกีดขวางกลับมาที่หูคนพูดช้ากว่า 0.1 วินาทีจะเกิดปรากฎการ การกังวาล
หรือ Echo
*เพิ่มเติม โดยปกติแล้ว สมองของมนุษย์จะแยกเสียงเดิมออกเป็นสองครั้งได้ก็ต่อเมื่อได้ยินเสียงเดิมในเวลาที่แตกต่างกันมากกว่า 0.1 วินาที
นอกจากนี้หลักการสะท้อนของเสียงยังถูกนำไปใช้ประโยชน์เช่น การใช้คลื่นโซนาร์ หาตำแหน่งของวัตถุต่าง ๆ น้ำ การใช้คลื่นเหนือเสียง(Ultrasound) ในการสร้างภาพของอวัยวะภายในร่างกาย หรือภาพของเด็กทารกในครรภ์

การหักเหของเสียง
คือ การหักเหของเสียงคือการที่เสียงคลื่นที่เปลี่ยนตัวกลาง หรือตัวกลางเดิมที่มีคุณสมบัติแตกต่างกัน แล้วมีการเปลี่ยนอัตราเร็ว หรือทิศทางตามสมการ
\[
\boldsymbol{\frac{\sin \theta_2}{\sin \theta_1} = \frac{v_2}{v_1} = \frac{\lambda_2}{\lambda_1}}
\]
ซึ่งความถี่จะคงเดิมไว้.

การหักเหของคลื่นเสียงในอากาศ จะเกิดขึ้นเมื่อเสียงเคลื่อนที่ในอากาศที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน
ซึ่งทำให้ได้สมการได้ว่า \[
\boldsymbol{\frac{\sin \theta_2}{\sin \theta_1} = \frac{v_2}{v_1} = \frac{\lambda_2}{\lambda_1} = \sqrt{\frac{T_2}{T_1}}}
\]

การแทรดสอดของเสียง
คือ การที่เกิดการรวมกันของคลื่นเสียงที่มาจากแหล่งกำเนิดสองแหล่ง ซึ่งถ้าแหน่งกำเนิดของคลื่นเสียงเป็นแหล่งกำนิดแบบอาพันธ์ (ความถี่เท่ากัน อัตราเร็วเท่ากัน และความยาวคลื่นเท่ากัน) จะทำให้เกิดตำแหน่ง ปฏิบัพ และบัพ ตามสมการ

ปฏิบัพ \[
\boldsymbol{d \sin \theta = n\lambda} \quad \text{หรือ} \quad \boldsymbol{|S_1 P – S_2 P| = n\lambda}
\]
บัพ d \[
\boldsymbol{d \sin \theta = (n – \frac{1}{2})\lambda} \quad \text{หรือ} \quad \boldsymbol{|S_1 P – S_2 P| = (n – \frac{1}{2})\lambda}
\]

แต่ถ้าเป็นแหล่งกำเนิดเสียงสองแหล่ง มีความถี่ต่างกันเล็กน้อย (ไม่เกิน 7 เฮิรตซ์) มารวมกัน หรือแทรกสอดกันจะเกิด เสียง ดัง-ค่อย สลับกันเป็นจังหวะคงตัว โดย จำนวนครั้งที่เกิด เสียงดัง-ค่อย ในเวลา 1 วินาที่ เรียกว่า ความถี่บีต ( fB )

โดยการคำนวณ “ความถี่บีต” คือ การหาผลต่างของ ความถี่ของแหล่งกำเนิดเสียงสองแหล่ง หรือ \[
\boldsymbol{f_B = |f_2 – f_1|}
\]

การเลี้ยวเบนของเสียง
เป็นพฤติกรรมที่คลื่นเสียง อ้อมเดินทางผ่านอ้อมผ่านสิ่งกีดขวางได้ หรือให้ลองนึกถึงเหตุการณ์ที่ เวลาที่เราพูดอยู่หลังกำแพงในห้องที่เปิดประตูทิ้งไว้ แต่มีคนที่อยู่นอกห้องหลังกำแพงได้ยิน นั่นคือการที่คลื่นเสียงเลี้ยวเบนสามารถอ้อมผ่านกำแพงออกไปด้านนอกทางประตู

เสียงแหลม-เสียงทุ้ม เกิดจากอะไร?
ถ้าจะตั้งคำถามให้ถูกต้อง และอธิบายได้ง่ายขึ้น คือ เสียงแหลมและเสียงทุ้ม ขึ้นอยู่กับอะไร? คำตอบในทางฟิสิกส์ก็คือ ความถี่ของคลื่นเสียง โดยเสียงที่มีความถี่สูง ก็จะมีลักษณะไปทางเสียงแหลม และเสียงที่มีความถี่ต่ำ ก็จะมีลักษณะของเสียงไปทางทุ้ม

ความถี่เสียงที่มนุษย์ได้ยิน
โดยเฉลี่ยแล้วมนุษย์จะได้ยินเสียง ที่มีความถี่ในช่วง 20 -20,000 เฮิรทซ์ แต่บาง คนอาจจะมีประสาทสัมผัสที่ดี หรือน้อยกว่าก็จะมีช่วงของความถี่เสียงที่ได้ยิน แคบและกว้างจากค่าเฉลี่ยตามไปร่างกายของบุคคล

ความเข้มเสียง
ความเข้มเสียง คือ กำลังของเสียง ต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตร ซึ่งคำนวณได้จากสมการ

\[
\boldsymbol{I = \frac{Power}{Area}} \quad \text{หน่วย} \quad \boldsymbol{W/m^2}
\]

ซึ่งพื้นที่ของเสียงจะออกมาเป็นหน้าคลื่นแบบทรงกลม
ดังนั้น เราจะแทนค่าของพื้นที่ด้วยสูตรพื้นที่ทรงกลม \(
\boldsymbol{A = 4\pi r^2}
\) , จึงได้ว่า \(
\boldsymbol{I = \frac{P}{4\pi r^2}}
\)
ซึ่ง r หรือ รัศมีของทรงกลม ก็คือ ระยะห่างของผู้ฟังกับแหน่งกำเนิด นั่นหมายความว่า ยิ่งอยู่ไกลจากแหล่งกำเนิดเสียงมากเราก็จะมีความเข้มของเสียงลดลง (ซึ่งก็ make sense เวลาที่เราอยู่ไกลลำโพงเราก็จะรู้สึกถึงเสียงน้อยลงนั่นเอง)

ความดัง และ ระดับของเสียง
ความดัง ของเสียงขึ้นอยู่กับพลังงานของเสียง ถ้ามีพลังงานจากแหน่งกำเนิดมาก เสียงก็จะยิ่งดัง ซึ่งความดัง หรือความเบาของเสียงสามารถบอกเป็นตัวเลขได้ ด้วย ค่าที่เรียกว่า “ระดับเสียง(β)”

ซึ่งคำนวณได้จาก \[
\boldsymbol{\beta = 10 \log\left(\frac{I}{I_0}\right)} \quad \text{หน่วย} \quad \boldsymbol{dB}
\] หน่วย เดซิเบล(dB)

ค่า I0 คือ ความเข้มเสียงต่ำที่สุดที่มนุษย์จะรู้สึกถึงเสียงได้มีค่า คือ \(
\boldsymbol{I_0 = 10^{-12} \, W/m^2}
\)