บทที่ 2

 

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

การเกิดเสียง
เสียง เริ่มเกิดขึ้นเมื่อวัตถุหรือแหล่งกำเนิดเสียงมีการสั่นสะเทือนส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของอากาศที่อยู่โดยรอบ กล่าวคือโมเลกกุลของอากาศเหล่านี้จะเคลื่อนที่จากตำแหน่งเดิมไปชนกับโมเลกุลที่อยู่ถัดไป ก่อให้เกิดการถ่ายโอนโมเมนตัมจากโมเลกุลที่มีการเคลื่อนที่ให้กับโมเลกุลที่อยู่ในสภาวะปกติ จากนั้นโมเลกุลที่ชนกันนี้จะแยกออกจากกันโดยโมเลกุลที่เคลื่อนที่มาจะถูกดึงกลับไปยังตำแหน่งเดิมด้วยแรงปฏิกิริยาและโมเลกุลที่ได้รับการถ่ายโอนพลังงานจะเคลื่อนที่ไปชนกับโมเลกุลที่อยู่ถัดไป ปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้นสลับกันไปมาได้เมื่อสื่อกลาง (ในที่นี้คืออากาศ) มีคุณสมบัติของความยืดหยุ่น การเคลื่อนที่ของโมเลกุลอากาศนี้จึงเกิดเป็นคลื่นเสียง

การเคลื่อนที่ของคลื่นเสียง

เสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุต้นกำเนิด คือ เมื่อเราให้งานหรือพลังงานแก่วัตถุต้นกำเนิดเสียง พลังงานของการสั่นจะถ่ายโอนให้กับโมเลกุลของตัวกลางที่อยู่รอบๆ ทำให้โมเลกุลของตัวกลางสั่น แล้วถ่ายโอนพลังงานให้กับโมเลกุลถัดไป มีผลให้คลื่นเสียงแผ่กระจายออกไปโดยรอบแหล่งกำเนิดโดยโมเลกุลของตัวกลางไม่ได้เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่นเสียง หลังจากเสียงเคลื่อนที่ผ่านไปแล้วโมเลกุลของตัวกลางแต่ละตำแหน่งยังคงอยู่ที่เดิม นั่นคือ คลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่านโมเลกุลของตัวกลางจะเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์โมนิกในแนวเดียวกับที่การเคลื่อนที่ของเสียง ดังนั้นเสียงจึงเป็นคลื่นตามยาว

เมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่ของเสียงในอากาศ  ขณะที่เสียงผ่านอากาศโมเลกุลของอากาศจะเกิดการสั่นทำให้เกิดเป็นช่วงอัด (Compression) และช่วงขยาย (Rarefaction) 

ความถี่เสียง

ความถี่(frequeccy) หรือระดับเสียง(Pitch) หมายถึงเสียงสูงต่ำ สิ่งที่ทำให้เสียงแต่ละเสียงสูงต่ำแตก ต่างกันนั้น ขึ้นอยู่กับความเร็วในการสั่นสะเทือนของวัตถุ วัตถุที่สั่นเร็วเสียงจะสูงกว่าวัตถุที่สั่นช้า โดยจะมีหน่วยวัดความถี่ของการสั่นสะเทือนเป็นรอบต่อวินาที หรือเฮิรตซ์(Hz)  เช่น วัตถุสั่น 60 รอบต่อวินาที หรือ 60 เฮิรตซ์  เป็นต้น
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)

อัตราเร็วของเสียง

ระยะทางที่เสียงเดินทางไปในตัวกลางใดๆ ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา โดยทั่วไปเสียงเดินทางในอากาศที่มีอุณหภูมิ 25°C (= 298,15 K) ได้ประมาณ 346 เมตร/วินาที และในอากาศที่อุณหภูมิ 20°C ได้ประมาณ 343 เมตร/วินาที อัตราเร็วที่เสียงเดินทางได้นั้นอาจมีค่ามากขึ้นหรือน้อยลงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของตัวกลางเป็นหลัก และอาจได้รับอิทธิพลจากความชื้นบ้างเล็กน้อย แต่ไม่ขึ้นกับความดันอากาศ 

อัตราเร็วของเสียงในอากาศ 

อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงสามารถมีผลกระทบต่ออัตราเร็วของเสียงได้ถ้าอุณหภูมิของอากาศเพิ่มขึ้น ณ ความดันคงที่ อากาศย่อม ขยายตัวออกตามกฏของชาร์ลและจะมีความหนาแน่นลดลงทำให้อัตราเร็วของเสียงเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิอัตราเร็วของเสียงในอากาศจะแปรผันโดยตรงกับอุณหภูมิ(อุณหภูมิเคลวิน)
อัตราเร็วของเสียงในอากาศโดยประมาณหาได้จาก:

${\displaystyle c_{\mathrm {air} }\approx (331+(0{.}606\cdot \theta ))\quad \mathrm {m/s} \,}$

โดยที่ ${\displaystyle \theta \,}$ คือ อุณหภูมิ ในหน่วย องศาเซลเซียส ความแม่นยำในการประมาณในช่วงของอุณหภูมิในช่วง -20°C ถึง 40°C จะมีค่าความผิดพลาดไม่เกิน 0.2% ในช่วงอุณหภูมิสูงกว่า หรือ ต่ำกว่านั้นอัตราเร็วของเสียงจะประมาณโดย

${\displaystyle c_{\mathrm {air} }\approx 331{\sqrt {1+{\theta \over 273}}}\quad \mathrm {m/s} \,}$

คุณสมบัติของเสียง

เสียงเป็นคลื่นชนิดหนึ่งที่เคลื่อนที่โดยอาศัยตัวกลาง ดังนั้นจึงมีคุณสมบัติเหมือนคลื่น คือ

1.การสะท้อน

เมื่อคลื่นเสียงตกกระผิวรอยต่อระหว่างตัวกลาง หรือตัวกลางขนิดเดียวกันแต่อุณหภูมิต่างกัน หรือตกกระทบสิ่งกีดขวางที่มีขนาดเท่ากันกับหรือโตกว่าความยาวคลื่นเสียงนั้น จะเกิดการสะท้อนเสียง

2.การหักเห

คลื่นเสียงเมื่อเดินทางผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นแตกต่างกันจะเกิดการเปลี่ยนแปลงทิศทางความเร็วและความยาวคลื่น แต่ความถี่คลื่นยังคงที่ กล่าวคือเมื่อเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อย (อากาศ) เข้าสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า(น้ำ)  เสียงจะหักเหออกจากเส้นตั้งฉาก หลักการนี้ใช้อธิบาย การเห็นฟ้าแลบ แต่ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง เพราะเมื่อเกิดฟ้าแลบ แม้จะมีเสียงเกิดขึ้นแต่เราไม่ได้ยินเสียง ทั้งนี้เพราะอากาศใกล้พื้นดินมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศเบื้องบน ทำให้การเคลื่อนที่ของเสียงเคลื่อนที่ได้ในอัตราที่ต่างกัน คือ เคลื่อนที่ในอากาศที่มี อุณหภูมิสูงได้เร็วกว่าในอากาศที่มีอุณหภูมิต่ำ ดังนั้น เสียงจึงเคลื่อนที่เบนขึ้นทีละน้อยๆ จนข้ามหัวเราไป จึงทำให้ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง

3.การแทรกสอด

ถ้าแหล่งกำเนิดเสียง 2 แหล่ง ที่มีแอมพลิจูด และความถี่เท่ากัน ซึ่งมีเฟสตรงกันหรือต่างกันคงตัว เคลื่อนที่มาซ้อมทับกัน แล้วทำให้เกิดจุดปฏิบัพ (เสียงดัง) และจุดบัพ (เสียงค่อย) สลับกัน

4.การเลี้ยวเบน

นอกจากการหักเหของเสียงที่เกิดขึ้น เมื่อผ่านตัวกลางต่างชนิดกันแล้วยังมีการเลี้ยวเบนได้ การเลี้ยวเบนของเสียงมักจะเกิดพร้อมกับการสะท้อนของเสียง เสียงที่เลี้ยวเบน จะได้ยินค่อยกว่าเดิม เพราะพลังงานของเสียงลดลง

ในชีวิตประจำวันที่เราพบได้อย่างเสมออย่างหนึ่งคือการได้ยินเสียงของผู้อื่นได้โดยไม่เห็นตัวผู้พูด เช่น ผู้พูดอยู่คนละด้านของมุมตึก ปรากฏการณ์ดังนี้ แสดงว่าเสียงสามารถเลี้ยวเบนได้  การอธิบายปรากฏการณ์นี้สามารถจะกระทำได้โดยใช้หลักการของฮอยเกนท์อธิบายว่า ทุกๆจุดบนหน้าคลื่นสามารถทำหน้าที่เป็นต้นกำเนิดคลื่นอันใหม่ได้  ดังนั้นอนุภาคของอากาศที่ทำหน้าที่ส่งผ่านคลื่นเสียงตรงมุมตึกย่อมเกิดการสั่น ทำหน้าที่เหมือนต้นกำเนิดเสียงใหม่ ส่งคลื่นเสียงไปยังผู้ฟังได้

การเกิดบีตส์ (Beat)   

เป็นปรากฎการณ์จากการแทรกสอดของคลื่นเสียง  2  ขบวน   ที่มีความถี่แตกต่างกันเล็กน้อย  และเคลื่อนที่อยู่ในแนวเดียวกันเกิดการรวมคลื่นเป็นคลื่นเดียวกัน  ทำให้แอมพลิจูดเปลี่ยนไป  เป็นผลทำให้เกิดเสียงดังเสียงค่อยสลับกันไปด้วยความถี่ค่าหนึ่ง

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