ธรรมชาติของเสียง

1. กำเนิดเสียง


เสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุที่เป็นต้นกำเนิดเสียง  เช่นการดีดสายกีตาร์ พลังงานในการดีดซึ่งเป็นพลังงานกล จะถูกถ่ายโอนให้กับสายกีตาร์ ทำให้สายกีตาร์สั่น  พลังงานในการสั่นของสายกีตาร์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานเสียงแผ่กระจายออกไปโดยรอบ


การแผ่กระจายพลังงานเสียงออกไป ถูกส่งออกไปในลักษณะของคลื่นกล ซึ่งต้องอาศัยตัวกลางในการส่งผ่านพลังงาน ตัวกลางที่คลื่นเสียงผ่านได้มีทั้ง ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ โดยตัวกลางที่เป็นของแข็งคลื่นเสียงผ่านได้ดีกว่าในของเหลว และ ก๊าซตามลำดับ

ความถี่ของเสียงจะเท่ากับความถี่การสั่นของอนุภาคตัวกลาง(แบบซิมเปิลฮาร์มอนิก) และเท่ากับความถี่การสั่นของแหล่งกำเนิดเสียง โดยความถี่ของเสียงที่แตกต่างกันจะทำให้ได้ยินเป็นเสียงแหลมและเสียงทุ้มต่างกัน ดังนั้นเสียงดนตรีที่ไพเราะจึงเกิดจากการส่งเสียงออกไปด้วยความถี่เสียงที่แตกต่างกันอย่างมีลำดับที่สวยงามและสอดคล้องกันจากจินตนาการของนักประพันธ์เพลง

video

วีดีโอแสดงการกำเนิดเสียงจากการสั่นของสายกีตาร์




เสียงเป็นคลื่นตามยาว แบบเดียวกับคลื่นในสปริง เมื่อเสียงออกจากแหล่งกำเนิดถ่ายทอดพลังงานออกไปทำให้อนุภาคตัวกลางสั่นไปและกลับในแนวขนานกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียง

video

 วีดีโอแสดงการสั่นอนุภาคตัวกลางของคลื่นตามยาว

2. อัตราเร็วเสียง(Sound Speed)

  • อัตราเร็วเสียงในของแข็ง    ค่าอัตราเร็วเสียงขึ้นอยู่กับค่ามอดูลัสของยังก์ และความหนาแน่นของตัวกลาง ตามสมการ

  • อัตราเร็วเสียงในของเหลว   ค่าอัตราเร็วขึ้นอยู่กับค่ามอดูลัสตามปริมาตร และค่าความหนาแน่นของตัวกลาง ตามสมการ
  • อัตราเร็วเสียงในก๊าซ   ค่าอัตราเร็วขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของก๊าซ  โดยเมื่ออุณหภูมิสูง อัตราเร็วเสียงจะมาก



3. สมการคำนวณการเดินทางของเสียง

ในตัวกลางเดิม เช่นในอากาศอุณหภูมิคงที่ คลื่นเสียงจะเดินทางด้วยอัตราเร็วคงตัว ดังนั้นเมื่อคำนวณการเดินทางของเสียงจึงใช้สมการ
กิจกรรม :  ให้หาคำตอบแบบฝึกหัดต่อไปนี้ แล้วโพสต์ลงในกล่องความคิดเห็นเพื่อแลกเปลี่ยนเรียนรู้กัน

1. ในวันที่ลมสงบอากาศอุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียส นักเรียนคนหนึ่งทดลองตะโกนเข้าใส่หน้าผาสูง โดยเขาห่างหน้าผา 350 เมตร  ปรากฏว่าได้ยินเสียงสะท้อนกลับมาจากหน้าผาหลังจากตะโกนเป็นเวลา 2 วินาที  ระยะห่างจากหน้าผาที่ได้จากการคำนวณ ต่างจากระยะที่เขายืนห่างจากหน้าผาจริงเป็นระยะกี่เมตร

2. การทดลองเสียงเดินทางในน้ำทะเลกับในอากาศ โดยติดตั้งตัวรับสัญญาณเสียงไว้ 2 ตัว โดยไว้ในอากาศ และใต้ทะเลอย่างละตัว ซึ่งทั้งสองห่างจากแหล่งกำเนิดเสียงเป็นระยะทาง 13.5 กิโลเมตรเท่ากันหลังจากที่ส่งเสียงออกไปจากแหล่งกำเนิด พบว่าเครื่องรับสัญญาณเสียง 2 ตัว ได้รับสัญญาณเสียงในเวลาที่ต่างกัน 30.3 วินาที  ถ้ากำหนดอัตราเร็วเสียงในอากาศเท่ากับ 340 เมตรต่อวินาที  อยากทราบว่าอัตราเร็วเสียงในน้ำทะเลเป็นเท่าไร

3. อัตราเร็วเสียงในอากาศอุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส เท่ากับ 331 เมตรต่อวินาที ขณะที่อากาศมีอุณภูมิ 67 องศาเซลเซียส อยากทราบว่าเสียงจะเดินทางผ่านอากาศได้กี่เมตรในเวลา 10 วินาที