การสั่นพ้องของเสียง

การสั่นพ้องของเสียง

เสียงที่เกิดขึ้นนั้น เกิดจากปรากฏการณ์การสั่นพ้องของเสียงครับ หรือที่ภาษาอังกฤษใช้คำว่า Sound Resonance : เนื่องจากเสียงเกิดจากการสั่นของแหล่งกำเนิด และการเคลื่อนที่ของเสียงเป็นการเคลื่อนที่แบบคลื่น ขณะที่เสียงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง อนุภาคของตัวกลางจะสั่นด้วยความถี่เดียวกับความถี่ของแหล่งกำเนิด เช่น ถ้าเราส่งคลื่นเสียงจากลำโพงเข้าไปทางปากหลอดเรโซแนนซ์ อนุภาคของอากาศในหลอดเรโซแนนซ์จะถูกบังคับให้สั่นด้วยความถี่ของเสียงจากลำโพง ถ้าปรับความถี่ของคลื่นเสียงให้มีค่าเท่ากับความถี่ธรรมชาติของอนุภาคของอากาศภายในหลอดเรโซแนนซ์อนุภาคของอากาศจะสั่นแรงที่สุด ทำให้เกิดเสียงออกจากปากหลอดเรโซแนนซ์ดังที่สุด ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นนี้ เรียกว่า "การสั่นพ้องของเสียง"

ภาพแสดงการส่งคลื่นเสียงเข้าในท่อเรโซแนนซ์

การเกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอดที่มีความยาวคงที่

อออออถ้าเราส่งคลื่นเสียงจากลำโพงเข้าไปทางปากหลอด คลื่นเสียงจะสะท้อนที่ปากหลอดทั้งสองกลับไปกลับมาแล้วเกิดการแทรกสอดกัน ทำให้เกิดคลื่นนิ่ง เมื่อปรับความถี่ของคลื่นเสียงให้มีค่าพอเหมาะจะเกิดคลื่นนิ่งที่มีแอมพลิจูดเพิ่มมากขึ้น และถ้าที่ปากหลอด เป็นตำแหน่งของปฏิบัพของคลื่นพอดี เราจะได้ยินเสียงออกมาจากหลอดดังที่สุด แสดงว่าเกิดการสั่นพ้องของเสียง โดยความถี่ของคลื่นนิ่งที่ทำให้เกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอด มีได้หลายค่าดังนี้

อออ 1. ความถี่มูลฐาน (Fundamental) คือ ความถี่ต่ำสุดของคลื่นนิ่งในหลอด ซึ่งมีความยาวคลื่นมากที่สุด แล้วทำให้เกิดการสั่นพ้องของเสียง

อออ 2. โอเวอร์โทน (Overtone) คือ ความถี่ของคลื่นนิ่งที่ถัดจากความถี่มูลฐานแล้วทำให้เกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอดนั้นได้ มีค่าเป็นขั้นๆ

อออ 3. ฮาร์โมนิค (Harmonic) คือ ตัวเลขที่บอกว่าความถี่นั้นเป็นกี่เท่าของความถี่มูลฐาน

1. การเกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอดปลายเปิด

อออออหลอดปลายเปิด เป็นหลอดที่ปลายทั้งสองข้างเปิดสู่อากาศ คลื่นเสียงที่สะท้อนบริเวณปากหลอดทั้งสองข้าง โมเลกุลของอากาศเคลื่อนที่ได้โดยอิสระจะเป็นตำแหน่งปฏิบัพของคลื่น ดังนั้นถ้าท่อยาว L

ภาพแสดง การเกิดคลื่นนิ่งในท่อปลายเปิดทั้งสองข้าง ยาว L

vvvvvจะสังเกตได้ว่า ความถี่ซึ่งทำให้เกิดการสั่นพ้องนั้นมีได้หลายค่า โดยสรุปเป็นความสัมพันธ์ได้ว่า
vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv เมื่อ n = 1, 2, 3,...
vvvvvหรือหากพิจารณาในรูปของความยาวคลื่น จะได้ว่า
vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv เมื่อ n = 1, 2, 3,...

2. การเกิดการสั่นพ้องอขงเสียงในหลอดปลายปิด
อออออหลอดปลายปิด เป็นหลอดที่ปลายข้างหนึ่งปิด ปลายอีกช้างหนึ่งเปิด เมื่อให้คลื่นเสียงเข้าทางปากหลอดด้านเปิด คลื่นเสียงจะเข้าไปสะท้อนที่ด้านปิดโดยมีเฟสเปลี่ยนไป 180 องศา ดังนั้นที่ตำแหน่งผิวระนาบของด้านปิดจะเป็นตำแหน่งของบัพ ส่วนบริเวณปากหลอดด้านเปิด โมเลกุลของอากาศสั่นได้โดยอิสระจะเป็นตำแหน่งปฏิบัพของคลื่นนิ่งขณะเกิดการสั่นพ้อง ดังนั้นถ้าท่อยาว L

ภาพแสดง การเกิดคลื่นนิ่งในท่อปลายปิด ยาว L

vvvvvเเช่นเดียวกับท่อปลายเปิด จะสังเกตได้ว่า ความถี่ซึ่งทำให้เกิดการสั่นพ้องนั้นมีได้หลายค่า โดยสรุปเป็นความสัมพันธ์ได้ว่า
vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv เมื่อ n = 1, 2, 3,...
vvvvvหรือหากพิจารณาในรูปของความยาวคลื่น จะได้ว่า
vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv เมื่อ n = 1, 2, 3,..

การหักเหของเสียง

การหักเหของเสียง

           การหักเหของเสียงนั้นจะเกิดขึ้นเมื่อเสียงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างชนิดกันซึ่งทำให้อัตราเร็วของเสียงเปลี่ยนแปลง และอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปก็ทำให้อัตราเร็วของเสียงเปลี่ยนแปลงไปด้วย ซึ่งเป็นสมบัติการหักเหของคลื่น ในการหักเหของคลื่นเสียงทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียงเปลี่ยนไปด้วย ยกเว้นเมื่อคลื่นเสียงตกตั้งฉากกับผิวรอยต่อของตัวกลางทิศทางจะไม่เปลี่ยน นอกจากนี้ลมยังมีผลต่ออัตราเร็วของเสียงในอากาศแสดงว่าลมทำให้เสียงเกิดการหักเหได้
xxxxxการหักเหของคลื่นเสียงเมื่อเดินทางผ่านตัวกลางต่างชนิดกัน หรืออุณหภูมิต่างกัน จะเป็นไปตามกฎการหักเหของสเนลล์ (Snell's law) คือ

ดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดเมื่อ θ₁ คือ มุมตกกระทบ

ดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดเมื่อ θ₂ คือ มุมหักเห

ดดดดλ₁ , λ₂ คือ ความยาวคลื่นเสียงในบริเวณที่ 1 และ 2 ตามลำดับ

ดดดดv₁ , v₂ คือ อัตราเร็วคลื่นเสียงในบริเวณที่ 1 และ 2 ตามลำดับ

ดดดดT₁ , T₂ คือ อุณหภูมิของอากาศในบริเวณที่ 1 และ 2 ตามลำดับ

xxxxxการหักเหของเสียงเมื่อคลื่นเสียงเดินทางในอากาศจากบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำไปสู่บริเวณที่มีอุณหภูมิสูง คลื่นเสียงจะเบนออกจากเส้นปกติ (θ₁ < θ₂) และเมื่อเสียงเดินทางจากในอากาศจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปสู่บริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ คลื่นเสียงจะเบนเข้าหาเส้นปกติ (θ₁ > θ₂)

xxxxxตอนกลางวันอากาศเหนือพื้นดินจะมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศบริเวณด้านบน เสียงจะหักเหขึ้นสู่อากาศ ดังรูป

รูปแสดงการหักเหของเสียงตอนกลางวัน

ดดดดดส่วนตอนกลางคืนนั้น อากาศเหนือพื้นดินจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าอากาศบริเวณด้านบน เสียงจะหักเหลงสู่พื้นดิน ดังรูป

รูปแสดงการหักเหของเสียงตอนกลางคืน

ดดดดดสำหรับกรณีที่เกิดฟ้าแลบแต่เราไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้องนั้น เป็นเพราะว่าในขณะเกิดฟ้าแลบ ถ้าอากาศเบื้องบนมีอุณหภูมิต่ำกว่าอากาศด้านล่าง ทำให้ทิศทางของเสียงจากฟ้าร้องนั้นเบนออกจากเส้นแนวฉาก และเมื่อมุมตกกระทบโตกว่ามุมวิกฤต(ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ในเรื่องการสะท้อนกลับหมดของคลื่น) จะทำให้คลื่นเสียงเกิดการสะท้อนกลับหมดไปยังอากาศเบื้องบน เราจึงไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง

รูปแสดงการหักเหของเสียงทำให้ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง

ตัวอย่าง เสียงเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีอุณหภูมิ 27 °C ไปสู่บริเวณที่มีอุณหภูมิเท่าใด จึงทำให้ความยาวคลื่น เป็น 2/3 เท่าของความยาวคลื่นเดิม

วิธีทำ xxxxxจากโจทย์ T2 = 27 °C หรือ 300 K

xxxxxxxxxxจาก

ปปปปปนั่นคือ บริเวณนั้นมีอุณหภูมิ 402 องศาเซลเซียส

การสั่นและคลื่นเสียง

การสั่นและคลื่นเสียง

SHOCK WAVES หรือ ชอร์กเวฟ

          ชอร์กเวฟเกิดขึ้นจากแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ได้เท่ากับความเร็วของคลื่นหรือเร็วกว่า จะเกิดปรากฎการณ์ที่ว่าสันคลื่นไม่สามารถที่จะเคลื่อนที่ออกไปจากแหล่งกำเนิดเสียง โดยถ้าแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ได้เท่ากับความเร็วของคลื่น สันคลื่นจะเกิดการซ้อนกัน เสริมกันกลายเป็นแอมพลิจูดขนาดใหญ่เรียกว่า ชอร์กเวฟ และเมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่เร็วกว่าคลื่น สันคลื่นจะฟอร์มตัวเป็นรูปกรวย โดยมีมุม = sin^-1(v/u) อัตราส่วน u/v เรียกว่า เลขมัค (Mach number) ชอร์กเวฟเกิดขึ้นได้บ่อยมากในสถานการณ์ต่างๆกัน ดังเช่น โซนิกบูม คือ ชอร์กเวฟประเภทหนึ่งของเครื่องบินที่วิ่งเร็วเหนือเสียง คลื่นที่เกิดหลังเรือเร็วก็เป็นชอร์กเวฟอีกประเภทหนึ่ง นอกอวกาศก็สามารถจะเกิดชอร์กเวฟได้ อย่างเช่น ลมสุริยะที่วิ่งด้วยความเร็วสูงเข้าชนสนามแม่เหล็กโลก เป็นต้น

a) เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วของคลื่น สันคลื่นจะรวมกันอยู่ที่ยอดก่อให้เกิดชอร์กเวฟขึ้น b) ชอร์กเวฟเกิดขึ้นได้อีกกรณีหนึ่งเมื่อความเร็วของแหล่งกำเนิดเสียง u มากกว่าความเร็วของคลื่น v ในช่วงระยะเวลา หน้าคลื่นจะเคลื่อนที่ได้เป็นระยะ แต่แหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ได้ระยะทางมากกว่า คือ ชอร์กเวฟจะฟอร์มตัวเป็นรูปกรวย โดยมีมุม = sin^-1(v/u)

ลักษณะของชอร์กเวฟ

a) ชอร์กเวฟ(เส้นสีแดง) เกิดขึ้นรอบปีก ภายในอุโมงค์ลม ชอร์กเวฟของเครื่องบินเร็วเหนือเสียง เรียกว่า โซนิกบูม มีอำนาจการทำลาย เพราะเสียงดังมาก สิ่งก่อสร้างที่อยู่ใกล้ๆอาจพังทลายได้ b) ลูกกระสุนพุ่งผ่านควันของเทียน จะเห็นรูปร่างของชอร์กเวฟ รูป c) ชอร์กเวฟที่เกิดขึ้นกับเรือเร็ว

ตัวอย่าง ลูกกระสุนวิ่งด้วยความเร็วที่มากกว่าเสียง เกิดชอร์กเวฟขึ้น จากรูปภาพ ลองประมาณความเร็วของลูกปืนว่าเป็นเท่าไร

ตอบ u/v = 1/sin45^o = 1.4

ตัวอย่าง เครื่องบินซุปเปอร์โซนิก ขับด้วยความเร็วเหนือกว่าเสียง 2.2 เท่า ถ้าคุณได้ยินเสียงโซนิกบูมภายในเวลา 19 วินาทีต่อมา จงหาระดับความสูงของเครื่องบิน สมมติว่า ความเร็วเสียงประมาณเท่ากับ 340 m/s