ฟิสิกส์ : เสียง

วันอังคารที่ 9 กันยายน พ.ศ. 2557

สมาชิก

สมาชิกในกลุ่ม ม.5/12

1. นายอานุภาพ ชัยดา เลขที่ 2

2. นางสาวพาขวัญ แดงนภาพรกุล เลขที่ 30

3. นางสาวลลิตา อุดี เลขที่ 31

คลื่น กระแทก คือ ปรากฏการณ์ที่หน้าคลื่นเคลื่อนที่มาเสริมกันในลักษณะที่เป็นหน้าคลื่นวงกลม ซ้อนเรียงกันไป โดยที่มีแนวหน้าคลื่นที่มาเสริมกันมีลักษณะเป็นรูปตัวVอันเนื่องมาจากแหล่ง กำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่มากกว่าความเร็วของคลื่นในตัวกลาง( V_s>V ) เช่น คลื่นกระแทกของคลื่นที่ผิวน้ำขณะที่เรือกำลังวิ่ง หรือคลื่นเสียงก็เกิดขึ้นเมื่อเครื่องบินบินเร็วกว่าอัตราเร็วของเสียงในอากาศ

รูปแสดงคลื่นกระแทกที่เกิดจากเรือมีความเร็วมากกว่าความเร็วคลื่นน้ำ

รูปแสดงคลื่นกระแทกที่เกิดขึ้นเมื่อเครื่องบินมีความเร็วมากกว่าความเร็วเสียง

ภาพ (1) ภาพ(2) ภาพ(3)

ภาพ (1) แสดง แหล่งกำเนิดคลื่น เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วต่ำกว่าอัตราเร็วเสียง เกิดดอปเพลอร์ ( V_s< V )

ภาพ (2) แสดง แหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่เท่ากับอัตราเร็วเสียง เกิดการชนกำแพงเสียง ( V_s=V )

ภาพ (3) แสดง แหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่เร็วกว่าเสียง(super sonic) เกิดคลื่นกระแทก ( V_s>V )

คลิกเข้าไปทดลองเสมือนการเกิดคลื่นกระแทกที่ความเร็วต่างๆ

ถ้า อัตราเร็วของเครื่องบินมากกว่ามากกว่าอัตราเร็วเสียงในอากาศมากๆ จนกระทั่งทำให้รูปกรวยยิ่งเล็กลงมากๆ แล้วทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความดันอย่างมาก และรวดเร็วเป็นผลทำให้เกิดเสียงดังคล้ายเสียงระเบิดบริเวณคลื่นกระแทกนี้ เคลื่อนที่ผ่าน อาจทำให้กระจกหน้าต่างแตกได้ เสียงที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า"ซอนิกบูม ( Sonic Boom )"

คลิกชมวีดีโอและฟังเสียง Sonic Boom

เลขมัค( Mach Number )

เลขมัค คือ ตัวเลขที่บอกให้เราทราบว่า อัตราเร็วของแหล่งกำเนิดคลื่น มีค่าเป็นกี่เท่าของอัตราเร็วของคลื่นในตัวกลาง เช่น เครื่องบินไอพ่นบินด้วยความเร็ว 2 มัค หมายความว่าเครื่องบินกำลังบินด้วยความเร็ว 2 เท่าของความเร็วเสียงในอากาศ เลขมัคถูกเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ " Ma "

สรุป ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียงและคลื่นกระแทกของเสียง เป็นปรากฏการณ์เกิดขึ้นต่อเนื่องกันคือเมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ช้า กว่าความเร็วเสียง (Vs < V) เกิดปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ แต่เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงมีความเร็วมากกว่าความเร็วเสียง( Vs > V ) เกิดคลื่นกระแทก

ปรากฏการณ์ดอพเพลอร์ของเสียง

ปรากฏการณ์ดอพเพลอร์ของเสียง ( Doppler Effect )

เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงให้เสียงออกมา เสียงก็จะกระจายออกไปทุกทิศทางด้วยความยาวคลื่นที่เท่ากัน ถ้าแหล่งกำเนิดเสียงหยุดนิ่ง เราจะพบว่าเสียงที่ผู้ฟังได้ยินจะมีความยาวคลื่นเดียวกับที่แหล่งกำเนิดเสียงให้ออกมา

รูปแสดง ความยาวคลื่นทุกด้านเท่ากัน เมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นเสียงอยู่นิ่ง

รูปแสดงความยาวคลื่นด้านหน้าและด้านหลังไม่เท่ากัน เมื่อแหล่งกำเนิดสียงเคลื่อนที่

แต่ถ้าผู้ฟังหรือแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ ความยาวคลื่นที่ออกไปด้านหน้าของแหล่งกำเนิดเสียงจะสั้นลง ส่วนความยาวคลื่นด้านหลังของแหล่งกำเนิดเสียงซึ่งเคลื่อนที่ผ่านไป จะมีความยาวคลื่นยาวมากขึ้น

ปรากฏการณ์นี้ เราจะได้ยินเสียงความถี่ผิดไปจากที่แหล่งกำเนิดให้ออกมา(ทั้ง ๆ ที่แหล่งกำเนิดเสียงให้เสียงความถี่เท่าเดิม) เราเรียกว่าเกิดปรากฏการดอปเปลอร์

ภาพเคลื่อนไหวแสดงแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่นที่ไปทางขวา ความยาวคลื่นด้านหน้าสั้นกว่าด้านหลัง

ปรากฎการณ์ดอปเปลอร์เกิดจากการ เคลื่อนที่สัมพัทธ์ ระหว่างแหล่งกำเนิดเสียงหรือผู้ฟัง ทำให้ผู้ฟังได้ยินเสียงที่มีความถี่ไม่เท่ากับความถี่เสียงที่แหล่งกำเนิด เสียงให้ออกมา

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ทั้งหมดที่เกิดขึ้นนี้เราสามารถแบ่งได้เป็น5กรณี คือ

1. กรณีแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกตที่หยุดนิ่ง ในกรณีนี้ความถี่เสียงที่ปรากฏแก่ผู้สังเกตที่หยุดนิ่งจะได้ยินเสียงมีความ ถี่สูงขึ้นกว่าความถี่เสียงปกติของแหล่งกำเนิดเสียง และความยาวคลื่นสั้นลง
2. กรณีแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ออกจากผู้สังเกตที่หยุดนิ่ง ในกรณีนี้ความถี่เสียงที่ผู้สังเกตได้รับจะมีความถี่ต่ำลงกว่าเดิม แต่ความยาวคลื่นจะยาวขึ้น
3. กรณีผู้สังเกตเคลื่อนที่เข้าหาแหล่งกำเนิดเสียงที่หยุดนิ่ง ในกรณีนี้ความถี่เสียงที่ผู้สังเกตได้รับจะสูงกว่าเดิม
4. กรณีผู้สังเกตเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดเสียงที่หยุดนิ่ง ในกรณีนี้ความถี่เสียงที่ผู้สังเกตได้รับจะต่ำลงกว่าเดิม แต่ความยาวคลื่นเสียงเท่าเดิม5. กรณีแหล่งกำเนิดและผู้สังเกตต่างเคลื่อนที่ ซึ่งอาจแบ่งได้เป็น ต่างเคลื่อนที่เข้าหากัน หรือเคลื่อนที่แยกออกจากกัน หรือเคลื่อนที่ตามกัน สังเกตจากถ้าเวลาผ่านไปแล้วแหล่งกำเนิดเสียงกับผู้สังเกตมีระยะห่างกันน้อย ลง แสดงว่าผู้ฟังจะได้ยินเสียงมีความถี่สูงขึ้น ส่วนเมื่อเวลาผ่านไประยะห่างระหว่างแหล่งกำเนิดเสียงกับผู้สังเกต มีระยะห่างกันมากขึ้น แสดงว่าผู้ฟังได้ยินเสียงมีความถี่เสียงต่ำลง

การคำนวณเกี่ยวกับปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียง มีอยู่ 2 แบบ

1. การหาความยาวคลื่นเสียงด้านหน้า และด้านหลังแหล่งกำเนิดสียง

1.1 ถ้าแหล่งกำเนิดเสียงอยู่นิ่ง ความยาวคลื่นทุกด้านเท่ากัน หาความยาวคลื่นเสียงตามปกติ

1.2 หาความยาวคลื่นที่ปรากฏด้านหน้าแหล่งกำเนิดเสียงที่กำลังเคลื่อนที่ จะได้ความยาวคลื่นสั้นลง

1.3 หาความยาวคลื่นที่ปรากฏด้านหลังแหล่งกำเนิดเสียงที่กำลังเคลื่อนที่ จะได้ความยาวคลื่นมากขึ้น

หมายเหตุ จากสมการ ความยาวคลื่นด้านหน้าและด้านหลังแหล่งกำเนิดเสียงที่กำลังเคลื่อนที่ ไม่เกี่ยวข้องกับผู้สังเกตซึ่งอยู่ด้านหน้าและหลังแหล่งกำเนิดเลย ไม่ว่าผู้สังเกตจะอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่อย่างไรก็ตาม

2. หาความถี่เสียงปรากฏต่อผู้ฟัง ขณะเกิดปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียง

จากการศึกษาที่ผ่านมาสรุปว่า การที่ผู้สังเกตจะได้ยินเสียงที่ปรากฏว่ามีความถี่เสียงสูงขึ้น หรือต่ำลงกว่าปกตินั้น ให้สังเกตว่า ถ้าเกิดการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดและผู้สังเกต สัมพัทธ์แบบทำให้ระยะห่างระหว่างกันลดลงเรื่อยๆ เป็นลักษณะการเข้าหา ผู้สังเกตุจะได้ยินเสียงที่มีความถี่สูงกว่าปกติ ส่วนในทางตรงกันข้าม เกิดการสัมพัทธ์ที่ระยะห่างระหว่างผู้ฟังกับแหล่งกำเนิดเสียงเพิ่มมากขึ้น เป็นลักษณะการออกจากกัน ผู้สังเกตุจะได้ยินเสียงที่มีความถี่ต่ำกว่าปกติ สมการคำนวณคือ

ระดับเสียงและคุณภาพเสียง

1. ระดับเสียง ( Pitch )

การได้ยินเสียง แบ่งการได้ยินออกเป็น 2 ลักษณะคือ เสียงระดับความดังมากหรือน้อย เกิดจากพลังงานของแหล่งกำนิดเสียง และได้ยินเสียงทุ้มหรือเสียงแหลมซึ่งเกิดจากความถี่เสียงสูงหรือความถี่เสียงต่ำ ต่างกัน ซึ่งเรียกว่า ระดับเสียง ( Pitch )

เนื่องจากคนเราได้ยินเสียงที่ความถี่ 20 - 20,000 เฮิรตซ์ ความถี่ที่ต่ำกว่า 20 เฮิรตซ์ ลงไปเรียกว่า คลื่นใต้เสียง (Infra Sound) ความถี่ที่สูงกว่า 20,000 เฮิรตซ์ ขึ้นไปเรียกว่า คลื่นเหนือเสียง (Ultra Sound) จะเห็นได้ว่าคนเรารับฟังเสียงได้ในช่วงความถี่หนึ่งเท่านั้น สำหรับสัตว์อื่น ๆ ก็เช่นเดียวกันคือ จะได้ยินเสียงในช่วงความถี่หนึ่งเช่นกัน ซึ่งช่วงความถี่ที่สัตว์แต่ละชนิดได้ยินก็จะแตกต่างกันไป และต่างจากช่วงความถี่ที่คนได้ยิน นอกจากนี้แล้วแหล่งกำเนิดเสียงแต่ละแหล่งก็ให้เสียงได้ในช่วงความถี่ต่างกัน เช่น คน สามารถเปล่งเสียงได้ในช่วงความถี่ 85 - 1,100 เฮิรตซ์ แมวสามารถเปล่งเสียงได้ในช่วงความถี่ 760 - 1,500 เฮิรตซ์ แต่สามารถได้ยินในช่วงความถี่ 60 - 65,000 เฮิรตซ์

จาก ตาราง แบ่งเสียงทางวิทยาศาสตร์ เสียงโด(C) ความถี่เสียง 256 Hz แล้วไล่ลำดับเสียงความถี่สูงขึ้นไปจนครบ 7 ระดับเสียงที่เสียง ที(B) แล้วขึ้นเสียงโด ( C' ) ซึ่งมีความถี่เสียง 512 Hz เป็นรอบต่อไป จะเห็นว่าเสียง C' (512 Hz) มีความถี่เสียงเป็น 2 เท่าของ C (256 Hz) เรียกเสียงคู่นี้ว่า เสียงคู่แปด ซึ่งเป็นระดับเสียงที่ห่างกัน 8 ตัวพอดี เสียงคู่แปดยังมีคู่อื่นๆที่เป็นเสียงเดียวกัน แต่ความถี่เป็น 2 เท่า เช่น D กับ D' ฯลฯ

2. คุณภาพเสียง ( timbre )

ลักษณะของคลื่นเสียงที่แตกต่างกันสำหรับแต่ละแหล่งกำเนิดที่ต่างกันซึ่งจะให้เสียงที่มีลักษณะเฉพาะตัวที่ต่างกัน มีความถี่มูลฐานและฮาร์มอนิกต่าง ๆ ออกมาพร้อมกันเสมอ แต่จำนวนฮาร์มอนิกและความเข้มเสียงจะแตกต่างกันไป คุณภาพเสียง ช่วยให้เราสามารถแยกประเภทของแหล่งกำเนิดเสียงได้

การ เกิดเสียงของเครื่องดนตรีแบบต่างๆ นอกจากจะเกิดเสียงความถี่มูลฐานของเสียงนั้นออกมาแล้ว เช่น เล่นโน๊ตเสียง C มีความถี่มูลฐาน 256 Hz ออกมาซึ่งเป็นเสียงทีมีความเข้มเสียงมากที่สุด แล้วยังมีความถี่เสียงที่เป็นฮาร์มอนิกอื่นๆ(ความถี่ที่เป็นจำนวนเท่าของ ความถี่มูลฐาน) ผสมออกมาด้วย แต่ละฮาร์มอนิกที่ออกมาก็ยังมีความเข้มเสียงต่างๆกันไป แต่เสียงความถี่ มูลฐานดังมากที่สุด ผู้ฟังจึงได้ยินเสียงมีระดับเสียง C ตามเสียงที่เล่น เสียงจากเครื่องดนตรีหรือจากแหล่งกำเนิดเสียงต่างชนิด ก็จะให้เสียงที่มีจำนวนฮาร์มอนิก และความเข้มของแต่ละฮาร์มอนิกออกมาต่างกันไป แม้จะเล่นเสียงโน๊ตตัวเดียวกัน ซึ่งมีความถี่เสียงเท่ากัน ทำให้เสียงรวมออกมาเป็นเอกลักษณ์เฉพาะของเสียงจากแหล่งกำเนิดแต่ละชนิด ทำให้ผู้ฟังแยกชนิดของแหล่งกำเนิดเสียงได้ว่าเป็นเสียงขลุ่ย เสียงไวโอลิน เสียงเปียโน เป็นต้น

รูปแสดงคลื่นเสียงของ Piano และแสดงกราฟความเข้มเสียงแต่ละฮาร์มอนิก

รูปแสดงคลื่นเสียงของ Soprano และแสดงกราฟความเข้มเสียงแต่ละฮาร์มอนิก

ความเข้มเสียงและระดับความเข้มเสียง

1. ความเข้มเสียง

เสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุต้นกำเนิดเสียง ถ้าแหล่งกำเนิดเสียงสั่นแรงจะทำให้มีแอมปลิจูดมากและถ้าสั่นเบา แอมปลิจูดน้อย เมื่อมีโมเลกุลของอากาศที่อยู่รอบๆแหล่งกำเนิดเสียง และจะเกิดการถ่ายโอนพลังงานเสียงไปสู่ผู้ฟัง ผู้ฟังจะได้ยินเสียงดังหรือเบาขึ้นกับพลังงานเสียงที่ถ่ายโอนผ่านโมเลกุล อากาศมาว่ามีพลังงานถ่ายโอนมามากหรือน้อย นอกจากนั้นยังมีเรื่องระยะทางในการถ่ายโอนพลังงานเสียงซึ่งจะมีผลต่อการได้ ยินเสียงดังหรือเบาอีกด้วย

กำลังเสียง ( Power of sound wave )

อัตราการถ่ายโอนพลังงานเสียงของแหล่งกำเนิดเสียง คือพลังงานเสียงที่ส่งออกมาจากแหล่งกำเนิดในหนึ่งหน่วยเวลา เรียกว่า กำลังเสียง มีหน่วยเป็น จูลต่อวินาที หรือ วัตต์(watt)

สำหรับแหล่งกำเนิดเสียงที่เป็นจุด ถือว่าหน้าคลื่นเสียงจะแผ่ออกไปโดยรอบเป็นรูปทรงกลม โดยมีแหล่งกำเนิดคลื่นเป็นจุดศูนย์กลางของทรงกลมนั้น

จากรูป แสดงการแผ่ของหน้าคลื่นเสียงออกจากแหล่งกำเนิดที่จุดศูนย์กลางทรงกลม ยิ่งไกลจากแหล่งกำเนิดพื้นที่ผิวทรงกลมที่คลื่นเสียงตกกระทบยิ่งมีค่ามาก

กำลังเสียงที่แหล่งกำเนิดเสียงส่งออกไปต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ผิวทรงกลม เรียกว่า ความเข้มเสียง ( intensity of a sound wave) ถ้าให้กำลังเสียงที่ส่งออกจากแหล่งกำเนิเสียงมีค่าคงตัว จะได้ความสัมพันธ์ว่า

จากสมการความเข้มเสียง จะเห็นความสัมพันธ์ว่า

ความเข้มเสียง แปรผันตรงกับกำลังเสียงของแหล่งกำเนิด (กำลังเสียงแหล่งกำเนิดมาก ได้ความเข้มเสียงมาก)
ความเข้มเสียง แปรผกผันกับขนาดพื้นที่ผิวทรงกลมรับเสียง (พื้นที่รับเสียงมาก ความเข้มเสียงน้อย)
ความเข้มเสียง แปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างจากแหล่งกำเนิดเสียง (ยิ่งไกล ความเข้มเสียงยิ่งลดลง)
ถ้ามีต้นกำเนิดเสียงหลายแหล่ง สามารถหาความเข้มเสียงรวมที่ปรากฏที่จุดหนึ่งได้จากการรวมแบบปกติ โดยความเข้มเสียงรวม = I1 + I2 + I3 + ...

สมการเปรียบเทียบความเข้มเสียง 2 ค่า

ความเข้มเสียงแปรผันตรงกับค่าแอมปลิจูดของคลื่นเสียงยกกำลังสอง ความเข้มเสียงมากจะได้เสียงดัง ความเข้มเสียงน้อยจะได้เสียงเบา

ตัวอย่าง แหล่งกำเนิดสียงมีกำลังเสียง 12.75 วัตต์ ที่ระยะห่างออกไปจากแหล่งกำเนิดเสียง 1 เมตร และ 2 เมตร ความเข้มเสียงใดจะมากกว่า และมากกว่ากันกี่เท่า และที่ระยะห่างแหล่งกำเนิด 10 เมตร มีค่าความเข้มเสียงกี่วัตต์ต่อตารางเมตร

แนวคิด ใช้สมการ

ที่ ระยะห่าง 1 เมตร มีความเข้มเสียงมากกว่าความเข้มเสียงที่ระยะ 2 เมตร เมื่อ P คงตัว I แปนผกผันกับรัศมี r ยกกำลังสอง หาอัตราส่วนความเข้มเสียง ได้ว่า

หาความเข้มเสียงที่ระยะห่าง 10 เมตร แทนค่าในสมการ

2. ระดับความเข้มเสียง

การ บอกความดังหรือเบาของเสียงด้วยความเข้มเสียงที่ผ่านมานั้นจะเห็นว่าช่วงจาก เสียงเบาที่สุด ไปหาดังที่สุด มีช่วงมากกว่ากันถึง 10 ยกกำลัง 12 เท่า จึงไม่เหมาะจะใช้บอกถึงความดังหรือเบา จึงเปลี่ยนมาใช้การบอกดัง หรือเบา ด้วยค่า ระดับความเข้มเสียง โดยเทียบมาจากความเข้มเสียง โดยระดับความเข้มเสียง จะมีลักษณะคล้ายค่าลอกการิทึม ในวิชาคณิตศาสตร์ โดยระดับความเข้มเสียงมีความสัมพันธ์กับความเข้มเสียงต่ำสุด ได้ว่า

จาก สมการ ระดับความเข้มเสียง เมื่อแทนค่าความเข้มเสียงสูงสุดที่ทนฟังได้ เมื่อแก้สมการ จะได้ค่าระดับความเข้มเสียงสูงสุดที่ทนฟังได้เท่ากับ 120 dB และแทนค่าความเข้มเสียงน้อยสุดที่ได้ยินลงไปแล้วแก้สมการ จะได้ระดับความเข้มเสียงน้อยที่สุด 0 dB ดังนั้นเมื่อบอกระดับความเข้มเสียงจะทำให้ระดับความเข้มเสียงสูงสุดและต่ำ สูงต่างกันอยู่เพียง 120 dB หรือ 12 B เท่านั้น

ถ้ามีการสังเกตที่ 2 ตำแหน่ง ซึ่งมีค่าระดับความเข้มเสียงแตกต่างกัน สามารถเขียนสมการผลต่างของระดับความเข้มเสียงได้ดังนี้

3. มลภาวะของเสียง

ถ้าเสียงที่มีพลังงานมากๆ เข้าสู่หูซึ่งเป็นอวัยวะรับเสียง อาจทำให้เกิดความเจ็บปวดหู หรือเกิดความรำคาญ เสียงจึงเป็นสิ่งที่อาจทำให้เกิดอันตรายได้ เช่น มีผลต่ออารมณ์ ความรู้สึก ตลอดจนตอบสนองต่อสิ่งเร้า ทำให้รู้สึกได้ถึงแหล่งกำเนิดเสียง เช่น เสียงด่า เสียงโกรธ เสียงไพเราะ ถ้าเสียงที่ได้ยินทำให้เกิดผลเสียต่อผู้ฟังไม่ว่าจะด้านร่างกายหรือจิตใจ ถือว่าเป็นมลพิษอย่างหนึ่ง

ในปัจจุบัน ขณะที่เทคโนโลยี่พัฒนามากขึ้น ทำให้เราต้องได้รับมลพิษทางเสียงมากขึ้น ในการป้องกันมลพิษทางเสียง ได้มีประกาศเกี่ยวกับความปลอดภัยในการทำงานในบริเวณที่มีเสียงดัง ของกระทรวงมหาดไทย ดังนี้

การสั่นพ้องของเสียง

1. ความถี่ธรรมชาติ(natural frequency)

วัตถุหรืออนุภาค จะมีความถี่ในการสั่นตามธรรมชาติเฉพาะตัวคงที่อยู่ค่าหนึ่ง จากที่นักเรียนเคยเรียนมาแล้วในเรื่องความถี่ของซิมเปิลฮาร์มอนิก เช่นลูกตุ้มที่แขวนด้วยเชือกยาว L อยู่ในบริเวณที่มีความเร่งจากความโน้มถ่วง g จะมีความถี่ตามธรรมชาติเท่ากับ

รูปการสั่นของมวลติดสปริงด้วยความถี่ธรรมชาติ

มวล m ติดสปริงอันหนึ่ง:ซึ่งมีค่าคงที่สปริง k เมื่อถูกกระตุ้นให้สั่นก็จะมีความถี่ธรรมชาติ ซึ่งหาค่าความถี่ได้จากสมการ

รูปการสั่นของมวลติดสริงด้วยความถี่ธรรมชาติ

นอกจากลูกตุ้มแล้ววัตถุต่างๆ เช่นสะพานแขวน ชิงช้า สายไปที่โยงอยู่บนเสาไฟฟ้า แม้แต่ตึกสูง สิ่งเหล่านี้ก็มีความถี่ธรรมชาติ สามารถที่สั่นไหวหรือแกว่งได้ด้วยค่าความถี่เฉพาะตัวค่าหนึ่ง

2. การสั่นพ้อง(resonance)

เป็นปรากฏการณ์ที่มีแรงไปกระทำให้วัตถุสั่นหรือแกว่ง โดยความถี่ของแรงกระทำ(ความถี่กระตุ้น)ไปเท่ากับความถี่ธรรมชาติของวัตถุ จะทำให้วัตถุนั้นสั่นด้วยแอมปลิจูดที่มากที่สุด

จากวีดีโอ เมื่อแกว่งลูกตุ้มที่ 1 จะส่งผลให้ลูกที่ 4 สั่นตาม เนื่องจากความถี่ธรรมชาติของลูกตุ้มที่ 1 กับ 4 มีค่าเท่ากันเนื่องจากสายยาวเท่ากัน ทำให้เกิดการสั่นพ้องกัน

สำหรับการสั่นพ้องของเสียง ทำให้เกิดได้โดยส่งเสียงจากแหล่งกำเนิดเสียงทำหน้าที่เป็นความถี่กระตุ้น เข้าไปตรงกับความถี่ธรรมชาติของโมเลกุลอากาศในท่อเรโซแนนซ์ จะทำให้อากาศในท่อเกิดการสั่นอย่างรุนแรง(แอมปลิจูดมาก) เกิดการสั่นพ้องของลำอากาศภายในท่อเรโซแนนซ์ ทำให้เกิดเสียงดังมากจากผลของการสั่นพ้องนั้น ซึ่งมีรายละเอียดของการสั่นพ้องดังนี้

ชนิดของท่อที่ใช้ทดลองการสั่นพ้องของเสียงมี 2 ชนิด คือ ท่อปลายเปิด 1 ด้าน ปิด 1 ด้านและท่อชนิดปลายเปิดทั้งสองด้าน

2.1 การสั่นพ้องในท่อปลายเปิด 1 ด้าน ปิด 1 ด้าน

(ก) เมื่อส่งเสียงด้วยความถี่คงที่ แล้วปรับความยาวลำอากาศในท่อเพื่อให้เกิดการสั่นพ้อง

การสั่นพ้องครั้งที่ 1 เกิดเมื่อค่อยๆเลื่อนลูกสูบปรับลำอากาศในท่อให้ยาวขึ้นเรื่อยๆ จนกว่าจะได้ยินเสียงดังมากขึ้น(ขณะนั้นเกิดการสั่นพ้องของเสียงในท่อ) วัดความยาวลำอากาศจากปากท่อถึงตำแหน่งนี้ เรียกว่าความยาวลำอากาศ L1 ซึ่งมีความยาวน้อยที่สุดที่สั่นพ้องกับเสียงนี้ได้ หาความยาวนี้ได้จากการเขียนรูปคลื่นนิ่งของการสั่นพ้องในท่อ โดยมีเงื่อนไขว่าสั่นพ้องครั้งแรกรูปคลื่นนี่งมีขนาดสั้นที่สุด โดยที่ปากเปิดของท่อต้องเป็นปฏิบัพของคลื่นนิ่ง และที่ปลายปิดของท่อเป็นตำแหน่งบัพของคลื่นนิ่ง จึงเขียนได้ ดังรูป

สรุป ความยาวของลำอากาศที่ทำให้เกิดการสั่นพ้องในท่อปลายปิด 1 ด้าน ครั้งที่ n หาได้จากสมการ

จากรูป ถ้าความยาวท่อเรโซแนนซ์ปลายปิด 1 ด้านสั้นที่สุดในการสั่นพ้องกับความถี่เสียงคงที่ ครั้งที่ 1 ยาวเท่ากับ L1 ความยาวท่อในการสั่นพ้องครั้งที่ 2 ยาวเท่ากับ 3 L1 ความยาวท่อในการสั่นพ้องครั้งที่ 3 ยาวเท่ากับ 5 L1 จะเห็นว่าความยาวท่อสำหรับการสั่นพ้องจะเป็นจำนวนเท่า(เลขคี่) ของความยาวท่อสั้นที่สุด

จะ เห็นว่าความยาวท่อส่วนที่เปลี่ยนแปลงไปของการสั่นพ้องครั้งถัดกันไป เช่นครั้งที่ 1 กับครั้งที่ 2 หรือครั้งที่ 2 กับครั้งที่ 3 จะมีระยะต่างกันอยู่ 1 loop หรือเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นเสียง

(ข) เมื่อให้ความยาวท่อยาวคงที่ แล้วเปลี่ยนความถี่เสียง ที่ส่งเข้าไปในท่อเพื่อให้เกิดการสั่นพ้อง

ใน กรณีนี้จะเริ่มจากการส่งเสียงที่มีความถี่ต่ำแล้วค่อยๆเพิ่มความถี่เสียงจน เกิดการสั่นพ้อง จะเห็นว่าถ้าอัตราเร็วเสียง v ในท่อมีค่าคงที่ ในการเปลี่ยนความถี่เสียงจะทำให้ความยาวคลื่นเสียงเปลี่ยนไปด้วยจากการทดลอง หาความยาวคลื่นเสียงในการสั่นพ้องครั้งที่ 1 แล้วนำไปหาค่าความถี่เสียง f1 ซึ่งเป็นความถี่เสียงต่ำสุด(ความถี่มูลฐาน) มีรายละเอียดดังนี้

สรุป ความถี่เสียงที่ทำให้เกิดการสั่นพ้องในท่อปลายปิด 1 ด้าน ครั้งที่ n หาได้ จากสมการ

จากรูป ถ้าความยาวท่อเรโซแนนซ์ปลายปิด 1 ด้านคงที่ ความถี่เสียงที่ทำให้เกิดการสั่นพ้อง ครั้งที่ 1เป็นความถี่เสียงต่ำสุดเท่ากับ f1 เรียกว่าเสียงฮาร์มอนิกที่1 , ความถี่เสียงสั่นพ้องครั้งที่ 2

เท่ากับ 3f1 เรียกว่าเสียงฮาร์มอนิกที่ 3 ความถี่เสียงในการสั่นพ้องครั้งที่ 3 เท่ากับ 5 f1 เรียกว่าเสียงฮาร์มอนิกที่ 5 จะเห็นว่าความถี่เสียงสำหรับการสั่นพ้องจะเป็นจำนวนเท่า(เลขคี่) ของความถี่เสียงในการสั่นพ้องครั้งแรก(ความถี่มูลฐาน)

2.2 การสั่นพ้องในท่อปลายเปิด 2 ด้าน

สรุป ความยาวของลำอากาศที่ทำให้เกิดการสั่นพ้องในท่อปลายเปิด 2 ด้าน ครั้งที่ n หาได้จากสมการ

จากรูป ถ้าความยาวท่อเรโซแนนซ์ปลายเปิด 2 ด้านสั้นที่สุดในการสั่นพ้องกับความถี่เสียงคงที่ ครั้งที่ 1 ยาวเท่ากับ L1 ความยาวท่อในการสั่นพ้องครั้งที่ 2 ยาวเท่ากับ 2 L1 ความยาวท่อในการสั่นพ้องครั้งที่ 3 ยาวเท่ากับ 3 L1 จะเห็นว่าความยาวท่อสำหรับการสั่นพ้องจะเป็นจำนวนเต็มเท่า ของความยาวท่อสั้นที่สุด

สรุป ความถี่เสียงที่ทำให้เกิดการสั่นพ้องในท่อปลายเปิด 2 ด้าน ครั้งที่ n หาได้ จากสมการ

จากรูป ถ้าความยาวท่อเรโซแนนซ์ปลายเปิด 2 ด้านคงที่ ความถี่เสียงที่ทำให้เกิดการสั่นพ้อง ครั้งที่ 1เป็นความถี่เสียงต่ำสุดเท่ากับ f1 เรียกว่าเสียงฮาร์มอนิกที่1 , ความถี่เสียงสั่นพ้องครั้งที่ 2

เท่ากับ 2f1 เรียกว่าเสียงฮาร์มอนิกที่ 2 ความถี่เสียงในการสั่นพ้องครั้งที่ 3 เท่ากับ 3 f1 เรียกว่าเสียงฮาร์มอนิกที่ 3 จะเห็นว่าความถี่เสียงสำหรับการสั่นพ้องจะเป็นจำนวนเต็มเท่า ของความถี่เสียงในการสั่นพ้องครั้งแรก(ความถี่มูลฐาน)

คลิกวีดีโอการทดลองสั่นพ้องในท่อเรโซแนนซ์

การสั่นพ้องที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ อาจทำให้เกิดความเสียหายร้ายแรง เช่นเหตุการณ์ที่เกิดการสั่นพ้องของสะพานแขวนในประเทศสหรัฐอเมริกา ทำให้วิศวกรในยุคต่อมาต้องให้ความสำคัญกับการสั่นพ้องของวัตถุซึ่งเป็นสิ่ง ก่อสร้างต่างๆ เพื่อจะไม่ให้เกิดการสูญเสียซึ่งปรากฏในวีดีโอต่อไปนี้

วีดีโอการสั่นพ้องกับสะพานแขวน

บีตส์ของเสียง

ปรากฏการณ์บีตส์ของเสียง เกิดจากแหล่งกำเนิดเสียงสองแหล่งที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อย ส่งคลื่นเสียงออกไปทางเดียวกัน คลื่นเสียงมาซ้อนทับกันแบบเสริมและหักล้างสลับกัน ตำแหน่งเสริมและหักล้างไม่อยู่ที่ตำแหน่งเดิม แต่จะเลื่อนไปเรื่อยๆ ทำให้ผู้ฟังที่อยู่นิ่งได้ยินเสียงดังสลับกับเบาผ่านหูเป็นจังหวะต่อเนื่อง คงตัว จำนวนครั้งที่ได้ยินเสียงดังในเวลา 1 วินาที่เรียกว่า ความถี่บีตส์ ( fB ) หาความถี่บีตส์ได้จาก สมการ

หูของคนจะได้ยินเสียงความถี่บีตส์เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงทั้งสองความถี่ต่างกันไม่เกิน 7 Hz

รูปแสดงคลื่นเสียงทำให้เกิดบีตส์เสียง

รูปแสดงการเกิดบีตส์เสียงจากเสียงความถี่ 19 Hz และ 17 Hz เกิดคลื่นรวม(สีเหลือง) เกิดเสียงดังและเบาเลื่อนตำแหน่งไปเรื่อยๆ

คลิกเม้าส์เพื่อเข้าไปทดลองเปลี่ยนความถี่เสียง

ขณะที่เกิดบีตส์ ผู้ฟังจะได้ยินเสียงจากแหล่งกำเนิดทั้งสองมีระดับเสียงเท่ากับความถี่เสียงเฉลี่ย หาความถี่เสียงที่ได้ยินจากสมการ

คลิกเม้าส์เข้าไปทดลองเสมือนและฟังเสียงบีตส์