เสียงเป็นคลื่นตามยาวชนิดหนึ่งซึ่งอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ดังนั้นคุณสมบัติของเสียงจึงเหมือนคลื่นทุกประการ ตามปกติหูคนสามารถได้ยินเสียงในช่วงความถี่ 20 เฮิร์ตซ์ ถึง 20,000 เฮิร์ตซ์ คลื่นเสียงที่มีความถี่สูงกว่า 20,000 เฮิร์ตซ์นั้น เรียกว่าคลื่นเหนือเสียงหรืออัลตราโซนิก (ultrasonic) ส่วนเสียงที่ความถี่ต่ำกว่า 20 Hzเรียกว่าคลื่นใต้เสียงหรืออินฟราโซนิก(Infrasonic Wave)
ค ลื่ นเ สี ย ง
เสียงเกิดจาก การสั่นของวัตถุ เราสามารถทำให้วัตถุสั่นด้วยวิธีการ ดีด สี ตีและเป่า
เมื่อแผล่งกำเนิดเสียงเกิดการสั่น จะทำให้โมเลกุลอากาศสั่นตามไปด้วย โดยมีความถี่เท่ากับการสั่นของแหล่งกำเนิดเสียงการสั่นของลำอากาศ ทำให้เกิดการเรียงตัวของโมเลกุลแตกต่างไปจากเดิม บางตำแหน่งโมเลกุลของอากาศจะเคลื่อนที่ไปอยู่ชิดติดกันมากขึ้นเรียกว่าช่วงอัด บางตำแหน่งโมเลกุลของอากาศจะอยู่ห่างกันมากขึ้นเรียกว่าช่วงขยาย ซึ่งพลังงานของการสั่นจะแผ่ออกไปรอบๆแหล่งกำเนิดเสียงตรงกลางส่วนอัดและตรงกลางส่วนขยายโมเลกุลอากาศจะไม่มีการเคลื่อนที่ (การกระจัดเป็นศูนย์) แต่ตรงกลางส่วนอัดความดันอากาศจะมากและตรงกลางส่วนขยายความดันอากาศจะน้อยมาก
เมื่อแผล่งกำเนิดเสียงเกิดการสั่น จะทำให้โมเลกุลอากาศสั่นตามไปด้วย โดยมีความถี่เท่ากับการสั่นของแหล่งกำเนิดเสียงการสั่นของลำอากาศ ทำให้เกิดการเรียงตัวของโมเลกุลแตกต่างไปจากเดิม บางตำแหน่งโมเลกุลของอากาศจะเคลื่อนที่ไปอยู่ชิดติดกันมากขึ้นเรียกว่าช่วงอัด บางตำแหน่งโมเลกุลของอากาศจะอยู่ห่างกันมากขึ้นเรียกว่าช่วงขยาย ซึ่งพลังงานของการสั่นจะแผ่ออกไปรอบๆแหล่งกำเนิดเสียงตรงกลางส่วนอัดและตรงกลางส่วนขยายโมเลกุลอากาศจะไม่มีการเคลื่อนที่ (การกระจัดเป็นศูนย์) แต่ตรงกลางส่วนอัดความดันอากาศจะมากและตรงกลางส่วนขยายความดันอากาศจะน้อยมาก
การกระจายของโมเลกุลของกากาศขณะเกิดเสียง กราฟระหว่างความดันอากาศ - ระยะทาง กราฟระหว่างการกระจัดของอากาศ - ระยะทาง |
ดังนั้นคลื่นเสียงจึงเป็นคลื่นตามยาวเพราะโมเลกุลของอากาศจะสั่นในทิศเดียวกับทิศที่เสียงเคลื่อนที่ไป การเปลี่ยนความดันอากาศนี้สามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้า จนถึง หูของ ผู้ฟังทำให้ได้ยินเสียงความดังของเสียงจะขึ้นอยู่กับช่วงกว้างของการสั่น(แอมปลิจูด) ถ้าแอมปลิจูดมากเสียงจะดังมาก
รูปแสดงการเกิดคลื่นเสียงจากการสั่นของสายกีต้า เพียง 1 ทิศทาง
เมื่อคลื่นเสียงเดินทางเข้ากระทบเยื่อแก้วหู การเปลี่ยนความดันอากาศนี้สามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าถึงหูของผู้ฟังทำให้เยื่อแก้วหูของผู้ฟังสั่น การสั่น แปรเป็นกระแสประสาทส่งไปยังสมอง
1.ธรรมชาติและความดันของเสียง
= 
แทนอัมปลิจูดของความดัน
อัตราเร็วของเสียงในอากาศ Vt = 331 + 0.6t
5. หูและกลไกของการได้ยินเสียง 
หูของคนเราเป็นอวัยวะของร่างกายที่ใช้รับเสียง แบ่งออกได้ 3 ส่วน ได้แก่ หูส่วนนอก หูส่วนกลางและหูส่วนใน
2.หูชั้นกลาง เป็นโพรงอากาศขนาดเล็กติดต่อกับโพรงอากาศมาสทอยด์ (mastoid cavity) หลังหู มีช่องติดต่อกับบริเวณคอหลังจมูกโดยท่อยูสเตเชียน (eustachian tube) ในหูชั้นกลางมีกระดูนำเสียง ๓ ชิ้น คือ ค้อน ทั่ง และโกลน ติดต่อจากแก้วหูไปที่ช่องรูปรี (oval window) ในหูชั้นกลางทั้งหมดบุด้วยเยื่อเมือก
3. หูส่วนใน ประกอบด้วยหลอดครึ่งวงกลม 3 หลอด (semicircular canals) ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมการสมดุลของร่างกาย และกระดูก รูปหอย (cochlea) ซึ่งเป็นช่องมีลักษณะคล้ายหอยโข่ง ภายในบรรจุของเหลวมีเยื่อบาซิลาร์ (basilar) ขึงอยู่เกือบตลอดความยาว ยกเว้นปลายสุด ตรงปากทางเข้าเป็นช่องเปิดรูปไข่และวงกลม ตลอดความยาวของเยื่อบาซิลลาร์มีปลายประสาทที่ไวต่อเสียงที่มี ความถี่ต่ำ ๆ กันเรียงรายอยู่ ปลายประสาทที่อยู่กันค่อนไปทางช่องเปิดรูปไข่จะไวต่อเสียงที่มีความถี่สูง ส่วนปลายประสาทที่อยู่ลึก เข้าไปข้างในจะไวต่อเสียงที่มีความถี่ต่ำ
6. กลไกการได้ยินเสียง
เเทนระดับความเข้มเสียง หน่วยเป็น เดซิเบล (dB)
4. คุณลักษณะของเสียง
เสียงเป็นคลื่นความดัน (Pressure Wave) จะต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ดังนั้นจึงสามารถเคลื่อนที่ผ่านอากาศ ของแข็งหรือของเหลว แต่ไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านสูญญากาศได้
คลื่นเสียงเป็นคลื่นตามยาวเกิดจากการสั่นของวัตถุ ความถี่ของเสียงจะมีค่าเท่ากับความถี่ของแหล่งกำเนิด และในขณะที่มี การสั่น โมเลกุลของตัวกลางจะมีการถ่ายทอดพลังงานทำให้เกิดความดันอากาศที่เปลี่ยนแปลงไปตามตำแหน่ง ทำให้เกิดเป็นช่วงอัด และ ช่วงขยายโดยที่ช่วงอัดคือบริเวณที่อนุภาคของตัวกลางอัดเข้าหากัน บริเวณนี้มีจะมีความดันสูงสุดโดยเทียบกับความดันที่ตำแหน่ง สมดุลของอนุภาค โดยการขจัดของอนุภาคน้อยที่สุด ส่วนช่วงขยายคือบริเวณที่อนุภาคตัวกลางแยกห่างจากกัน บริเวณนี้มีความดัน ต่ำสุดโดยเทียบกับความดันที่ตำแหน่งสมดุลของอนุภาค การขจัดของอนุภาคมากที่สุด ซึ่งสามารถเขียนเป็นกราฟได้ ดังรูป
คลื่นของความดัน (Pressure Wave) ที่เกิดขึ้นมีลักษณะเป็นฟังค์ชันของโคไซน์ ดังนั้น
สามารถเขียนสมการความดันเสียง ได้เป็น
= โดยที่ p
2. อัตราเร็วเสียง
อัตราเร็วเสียงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติตัวกลางที่เสียงเคลื่อนที่ผ่าน ได้แก่ ความหนาแน่น ความ ยืดหยุ่น เป็นต้น โดยปกติเสียงเดินทาง ในของแข็งได้ดีที่สุด รองลงมาคือของเหลวและก๊าซ นอกจากนี้อัตราเร็วเสียงยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของตัวกลางที่เสียงเคลื่อนที่ผ่าน โดยพบว่า เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อัตราเร็วเสียงจะมีค่ามากขึ้น สำหรับตัวกลางที่เป็นอากาศ อัตราเร็วเสียงที่อุณหภูมิใด ๆ หาได้จาก
อัตราเร็วของเสียงในอากาศ Vt = 331 + 0.6t
โดย v คือ อัตราเร็วเสียงที่อุณหภูมิ 0oC มีค่า 331.5 m/s
t คือ อุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียส (oC)
3. ความเข้มเสียงและระดับความเข้มเสียง
ในขณะที่เสียงเคลื่อนที่จะมีการถ่ายทอดพลังงานไปให้กับวัตถุที่เสียงตกกระทบ โดยอัตราการถ่ายทอดพลังงานของเสียง ต่อพื้นที่ที่ตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของเสียง เรียกว่าความเข้มเสียง (Intensity) หรืออาจกล่าวได้ว่า ความเข้มเสียง หมายถึง กำลังของเสียงจากแหล่งกำเนิดที่ตกกระทบบนพื้นที่ 1 ตารางหน่วยในแนวตั้งฉากที่พิจารณา เนื่องจากเสียงแผ่ออกทุกทิศทาง
โดยที่ I แทนความเข้มเสียง มีหน่วยเป็นวัตต์ต่อตารางเมตร (W/m2)
P แทนกำลังของแหล่งกำเนิดเสียง มีหน่วยเป็นวัตต์ (W)
P แทนกำลังของแหล่งกำเนิดเสียง มีหน่วยเป็นวัตต์ (W)
R แทนระยะระหว่างแหล่งกำเนิดเสียงกับตำแหน่งที่จะหาความเข้มเสียง
มีหน่วยเป็นเมตร(m)
ระดับความเข้มเสียง (Intensity Level) เป็นตัวเลขเปรียบเทียบกับความเข้มเสียงใน
หน่วยเดซิเบล (dB) โดยความสัมพันธ์ ระหว่างระดับความเข้มเสียงกับความเข้มเสียง คือ
คลื่นเสียง คือ คลื่นตามยาวซึ่งหูของคนเราสามารถได้ยินเสียงได้ โดยคลื่นนี้มีความถี่ตั้งแต่ประมาณ 20 Hz ถึง 20,000 Hz ความถี่เสียงในช่วงนี้เรียกว่า audio frequency
เสียงที่คนเราสามารถได้ยินแต่ละเสียงอาจเหมือนกันหรือแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับคุณลักษณะของเสียงซึ่งมีอยู่ 3 ข้อ คือ
1. ความดัง (Loundness) หมายถึง ความรู้สึกได้ยินของมนุษย์ว่าดังมากดังน้อย ซึ่งเป็นปริมาณที่ไม่อาจวัดด้วยเครื่องมือใด ๆ ได้โดยตรง ความดังเพิ่มขึ้นตามความเข้มเสียง ความรู้สึกเกี่ยวกับความดังจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับระดับความเข้มเสียง โดยถ้า I แทนความเข้มเสียง ความดังของเสียงจะแปรผันโดยตรงกับ log I หรืออาจกล่าวได้ว่า ความดังก็คือระดับความเข้มเสียงนั่นเอง หูของคนสามารถรับเสียงที่มีความดังน้อยที่สุดคือ 0 dB และมากที่สุดคือ 120 dB
2. คุณภาพของเสียง (quality) หมายถึง คุณลักษณ์ของเสียงที่เราได้ยิน เมื่อเราฟังเพลงจากวงดนตรีวงหนึ่งนั้น เครื่องดนตรี ทุกชนิดจะเล่นเพลงเดียวกัน แต่เราสามารถแยกได้ว่า เสียงที่ได้ยินนั้นมาจากดนตรีประเภทใด เช่น มาจากไวโอลิน หรือเปียโน เป็นต้นการที่เราสามารถแยกลักษณะของเสียงได้นั้นเพราะว่าคลื่นเสียงทั้งสองมีคุณภาพของเสียงต่างกัน คุณภาพของเสียงนี้ขึ้นอยู่กับ จำนวนโอเวอร์โทนที่เกิดจากแหล่งกำเนิดเสียงนั้น ๆ และแสดงออกมาเด่น จึงไพเราะต่างกัน นอกจากนี้คุณภาพของเสียงยังขึ้นกับ ความเข้มของเสียงอีกด้วย
3. ระดับเสียง (pitch) หมายถึง เสียงที่มีความยาวคลื่นและความถี่ต่างกัน โดยเสียงที่มีความถี่สูงจะมีระดับเสียงสูงส่วนเสียงที่มี ความถี่ต่ำจะมีระดับเสียงต่ำ 
คลื่นเสียงเกิดจากการอัดและขยายของตัวกลาง การอัดขยายนี้จะส่งต่อ ๆ กันไป จนถึงหูของผู้ฟังแล้วส่งต่อไปยังสมองในเทอม ของระดับเสียง ความดัง และคุณภาพของเสียง โดยปกติหูคนเราไวต่อการรับรู้เสียงที่มีความถี่สูงมากกว่าเสียงที่มีความถี่ต่ำ เมื่อ เสียงนั้นมีระดับความเข้มเสียงเท่ากัน นอกจากนี้ความไวต่อการรับรู้เสียงของคนเรายังขึ้นอยู่กับอายุ โดยพบว่าเด็กมีความรู้สึกไว ต่อช่วงความถี่สูงมากกว่าผู้ใหญ่ความไวต่อการได้ยินเสียงของคนจะลดลงเมื่ออายุมากขึ้น นอกจากนี้ยังพบว่าความไวต่อการ ได้ยินเสียง จะลดลงด้วย สาเหตุอื่น ๆ อีกเช่น การได้รับฟังเสียงดังมากเกินไปเป็นระยะเวลานาน ๆ หรือจากการใช้ยาบางชนิด
รูปที่ 3 ส่วนประกอบของหู
หูของคนเราเป็นอวัยวะของร่างกายที่ใช้รับเสียง แบ่งออกได้ 3 ส่วน ได้แก่ หูส่วนนอก หูส่วนกลางและหูส่วนใน
1.หูส่วนนอก ประกอบด้วยใบหู ช่องหูหรือรูหู (Auditory canal) และเยื่อแก้วหู (tympanic membrane) โดยใบหูจะทำหน้าที่ ในการรับเสียง ส่วนช่องหูมีลักษณะเป็นท่อยาว คลื่นเสียงยาวกว่าความยาวท่อ 4 เท่า คือความดังเมื่อผ่านช่องหูจะเพิ่มขึ้น 12 เดซิเบล ในช่วงความถี่ 2,400 - 4,000 Hz แต่ถ้าความยาวคลื่นต่ำกว่าหรือสูงกว่านี้ ความดังเมื่อผ่านช่องหูจะเพิ่มเพียง 5 เดซิเบล ในช่วงความถี่ 2,000 - 6,000 Hz ช่องหูทำหน้าที่ในการกำทอนเสียง (resonance) ซึ่งสั่นด้วยความถี่ประมาณ 3000 เฮิรตซ์ แล้วส่งไปยังเยื่อแก้วหู เยื่อแก้วหูทำหน้าที่เป็นเครื่องรับความดันเสียง
2.หูชั้นกลาง เป็นโพรงอากาศขนาดเล็กติดต่อกับโพรงอากาศมาสทอยด์ (mastoid cavity) หลังหู มีช่องติดต่อกับบริเวณคอหลังจมูกโดยท่อยูสเตเชียน (eustachian tube) ในหูชั้นกลางมีกระดูนำเสียง ๓ ชิ้น คือ ค้อน ทั่ง และโกลน ติดต่อจากแก้วหูไปที่ช่องรูปรี (oval window) ในหูชั้นกลางทั้งหมดบุด้วยเยื่อเมือก
3. หูส่วนใน ประกอบด้วยหลอดครึ่งวงกลม 3 หลอด (semicircular canals) ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมการสมดุลของร่างกาย และกระดูก รูปหอย (cochlea) ซึ่งเป็นช่องมีลักษณะคล้ายหอยโข่ง ภายในบรรจุของเหลวมีเยื่อบาซิลาร์ (basilar) ขึงอยู่เกือบตลอดความยาว ยกเว้นปลายสุด ตรงปากทางเข้าเป็นช่องเปิดรูปไข่และวงกลม ตลอดความยาวของเยื่อบาซิลลาร์มีปลายประสาทที่ไวต่อเสียงที่มี ความถี่ต่ำ ๆ กันเรียงรายอยู่ ปลายประสาทที่อยู่กันค่อนไปทางช่องเปิดรูปไข่จะไวต่อเสียงที่มีความถี่สูง ส่วนปลายประสาทที่อยู่ลึก เข้าไปข้างในจะไวต่อเสียงที่มีความถี่ต่ำ
6. กลไกการได้ยินเสียง
ช่องหูจะทำให้คลื่นเสียงที่มีความถี่ระหว่าง 2,000 – 5,000 Hz มีพลังงานสูงขึ้นเนื่องจากเกิด resonance ในช่องหู ถ้าความถี่ ต่ำกว่า 400 Hz การรับคลื่นเสียงไม่ค่อยดี ทั้งใบรูและช่องหูทำให้เกิดการขยายเสียง เมื่อคลื่นเสียงไปกระทบแก้วหู ซึ่งต่ออยู่กับกระดูก 3 ชิ้น ซึ่งประกอบกันแบบคานดีดคานงัดจึงมีการได้เปรียบเชิงกลเกิดขึ้นทำให้มีแรงเพิ่มขึ้น กระดูกโกลนซึ่งอยู่ที่ตำแหน่งสุดท้ายมี ความแตกต่างระหว่างพื้นที่กับหน้าต่างรูปไข่มาก เมื่อมีแรงมากระทำจะทำให้ความดันเพิ่มขึ้น จึงเกิดการขยายเสียงขึ้นประมาณ 30 เท่า จากนั้นเสียงก็จะเดินทางเข้าสู่หูส่วนใน สัญญาณเสียงก็จะเกิดการขยายอีก เมื่อคลื่นเสียงผ่านหูส่วนในก็จะทำให้เยื่อบาซิลาร์สั่น ปลายประสาทที่เยื่อบาซิลาร์ก็ส่งสัญญาณต่อไปยังสมอง ทำให้เกิดความรู้สึกในการได้ยินเสียง
7. ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์“ Doppler Effect”
ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler Effect) เป็นปรากฏการณ์ที่ผู้สังเกต (observer) ได้ยินเสียงความถี่เปลี่ยนไปจากความถี่ ที่แหล่งกำเนิดเสียง (source) ให้ออกมา โดยปรากฏการณ์นี้เกิดนี้เกิดได้เนื่องจากผู้สังเกตเคลื่อนที่ หรือแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ หรือทั้งผู้สังเกตและแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่
http://www.rsu.ac.th/science/physics/pom/physics_2/sound/sound_7.htm
ภาพการเกิดปรากฏการณ์ดอปเปลอร์
เเหล่งข้อมูล
ศึกษาธิการกระทรวงหนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติมฟิสิกส์ เล่ม ๒http://www.streesmutprakan.ac.th/teacher/sci/Physnan/sound/html/dop.htmlhttp://www.rsu.ac.th/science/physics/pom/physics_2/sound/sound_7.htm
เมื่อ I เเทนความเข้มของเสียง หน่วยเป็น W/m2
I0 เเทนความเข้มของเสียงต่ำสุดที่คนเราซึ่งมีค่า 10-12วัตต์ต่อตารางเมตร (W/m2 ) หรือ 0 เดซิเบล (dB) ค่าความถี่ 1,000 Hz
เเทนระดับความเข้มเสียง หน่วยเป็น เดซิเบล (dB) 4. คุณลักษณะของเสียง
เนื้อหาเยอะมาก
ตอบลบการเขียนบทความควรเลือกเรื่องไม่ยาวนัก และสามารถเขียนได้หลายบทความติดต่อกันนะคะ...จะได้น่าอ่าน และควรมีตัวอย่างการคำนวณเพิ่มด้วยนะคะ....พยายามต่อไปนะคะ...เป็นกำลังใจให้
ตอบลบ