เรื่อง คลื่นเสียง

1. เรื่อง คลื่นเสียง รหัสวิชา ว32101 ภาคเรียนที่ 1 ปีการศึกษา 2553 โรงเรียนปัญญาวรคุณ

2. คลื่นเสียง

3. ผลการเรียนรู้ • 1. อธิบายความหมายและการเกิดคลื่นเสียงได้ • 2. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นการกระจัดและคลื่นความดันได้ • 3. คำนวณหาอัตราเร็วของคลื่นเสียงในตัวกลางต่าง ๆ ได้ • 4. อธิบายสมบัติของคลื่นเสียงได้ • 5. บอกเงื่อนไขของการได้ยินคลื่นเสียงได้ • 6. คำนวณหาพลังงาน กำลัง ความเข้ม และระดับความเข้มของคลื่นเสียงได้ • 7. อธิบายมลภาวะของคลื่นเสียงได้ • 8. อธิบายการเกิดบีตส์ ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์และคลื่นกระแทกได้

4. 1. คลื่นเสียง (Sound waves) • คลื่นเสียงเกิดจากการสั่นสะเทือน เช่น • เคาะส้อมเสียง • ตีกลอง • ตีระฆัง http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l4c.html

5. คลื่นเสียง เสียง เป็นคลื่นกลที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อวัตถุสั่นสะเทือน ก็จะทำให้เกิดการอัดตัวและขยายตัวของคลื่นเสียง และถูกส่งผ่านตัวกลาง เช่น อากาศ ไปยังหู แต่เสียงสามารถเดินทางผ่านสสารในสถานะก๊าซของเหลว และของแข็งก็ได้ แต่ไม่สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้

6. คลื่นเสียงเป็นคลื่นตามยาวเกิดจากการสั่นของวัตถุ ความถี่ของเสียงจะมีค่าเท่ากับความถี่ของแหล่งกำเนิด และในขณะที่มี การสั่น โมเลกุลของตัวกลางจะมีการถ่ายทอดพลังงานทำให้เกิดความดันอากาศที่เปลี่ยนแปลงไปตามตำแหน่ง

7. http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l1c.htmlhttp://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l1c.html

8. http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l1c.htmlhttp://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l1c.html

9. คุณลักษณะของเสียง คุณลักษณะเฉพาะของเสียง ได้แก่ ความถี่ความยาวช่วงคลื่นแอมปลิจูด และความเร็ว

10. ความถี่ ระดับเสียง (pitch) หมายถึง เสียงสูงเสียงต่ำ สิ่งที่ทำให้เสียงแต่ละเสียงสูงต่ำแตกต่างกันนั้น ขึ้นอยู่กับความเร็วในการสั่นสะเทือนของวัตถุ วัตถุที่สั่นเร็วเสียงจะสูงกว่าวัตถุที่สั่นช้า โดยจะมีหน่วยวัดความถี่ของ การสั่นสะเทือนต่อวินาที เช่น 60 รอบต่อวินาที, 2,000 รอบต่อวินาที เป็นต้น และนอกจาก วัตถุที่มีความถี่ในการสั่นสะเทือนมากกว่า จะมีเสียงที่สูงกว่าแล้ว หากความถี่มากขึ้นเท่าตัว ก็จะมีระดับเสียงสูงขึ้นเท่ากับ 1 ออกเตฟ (octave) ภาษาไทยเรียกว่า 1 ช่วงคู่แปด

11. ความยาวช่วงคลื่น ความยาวช่วงคลื่น (wavelength) หมายถึง ระยะทางระหว่างยอดคลื่นสองยอดที่ติดกันซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการอัดตัวของคลื่นเสียง (คล้ายคลึงกับยอดคลื่นในทะเล) ยิ่งความยาวช่วงคลื่นมีมาก ความถึ่ของเสียง (ระดับเสียง) ยิ่งต่ำลง

12. แอมปลิจูด แอมปลิจูด(amplitude) หมายถึง ความสูงระหว่างยอดคลื่นและท้องคลื่นของคลื่นเสียง ที่แสดงถึงความเข้มของเสียง(Intensity)หรือความดังของเสียง(Loudness) ยิ่งแอมปลิจูดมีค่ามาก ความเข้มหรือความดังของเสียงก็ยิ่งเพิ่มขึ้น

13. 3. อัตราเร็วเสียง • อัตราเร็วเสียงในตัวกลางไม่เท่ากัน • สมการคำนวณหาอัตราเร็วเสียงในอากาศได้ V = 331 + 0.6t = fλ • เมื่อ V คือ อัตราเร็วเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ t 0C มีหน่วยเป็น m/s • t คือ อัตราอุณหภูมิของอากาศ มีหน่วยเป็น 0C • f คือ ความถี่เสียง มีหน่วยเป็น Hz • λ คือ ความยาวคลื่นเสียง มีหน่วยเป็น m

14. อัตราเร็วเสียงในตัวกลางอัตราเร็วเสียงในตัวกลาง • v solids > v liquids > v gases • v = 331 m/s + (0.6 m/s/C)*T

15. สมบัติของคลื่นเสียง การสะท้อนของคลื่นเสียง เมื่อเสียงเคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวาง เสียงจะเกิดการสะท้อนและเป็นไปตามกฎการสะท้อนของเสียง มุมตกกระทบ =มุมสะท้อน เสียงสะท้อนกลับหรือเสียงก้อง เป็นเสียงที่เกิดจากการสะท้อนของคลื่นเสียงที่สะท้อนมาจากพื้นวัตถุมาเข้าหูผู้ฟัง เมื่อเสียงทั้งสองเข้าหูผู้ฟัง ในเวลาที่ต่างกันไม่น้อยกว่า 0.1วินาทีหรือ1/10วินาที

16. Sonar (sound navigation and ranging) มีความถี่ในช่วง 20,000 - 50,000 Hz เช่น เสียงค้างคาว สุนัข ปลาโลมา เป็นต้น http://www.mod.uk/dpa/projects/sonarenvir/sonar_types.htm

17. Ultrasound http://blue.utb.edu/sonography/home.html http://www.washington.edu/newsroom/news/images/ultrasound/

18. ตัวอย่างแบบฝึกหัด • 4. ในอุณหภูมิ 200 เราต้องยืนห่างจากกำแพงใหญ่อย่างน้อยเท่าไร จึงจะได้ยินเสียงสะท้อนกลับ • (v = 343 m/s) • (L = 17.15 m)

19. การหักเหของคลื่นเสียงการหักเหของคลื่นเสียง • การหักเหของคลื่นเสียงการหักเหของคลื่นเสียง เกิดจากคลื่นเสียงเดินทางในตัวกลางที่ต่างสภาวะกัน เช่น เห็นฟ้าแลบแต่ไม่ได้ยินฟ้าร้อง เพราะในบริเวณที่เกิดฟ้าแลบจะมีอุณหภูมิต่ำกว่า บริเวณอื่น คลื่นเสียงจึงเดินทางจากบริเวณอุณหภูมิต่ำ เมื่อเดินทางมาถึงบริเวณที่อุณหภูมิสูงแล้ว จะเกิดการหักเหในมุมที่สามารถเกิดการสะท้อนกลับหมดคลื่นเสียงจึงไม่ เดินทางมาถึงหูเรา

20. 4.2 การหักเหของคลื่นเสียง คลื่นเสียงหักเหได้ เป็นไปตามกฎการหักเห เช่นเดียวกับคลื่นอื่น ๆ ดังนี้ กฎข้อที่ 1 รังสีตกกระทบ รังสีหักเห และเส้นปกติอยู่บนระนาบเดียวกัน กฎข้อที่ 2 เป็นไปตามกฎของสเนลล์ดังนี้

21. ตัวอย่างแบบฝึกหัด • 5. เสียงเคลื่อนที่จากอากาศที่อุณหภูมิ 15 C0 ไปสู่อากาศที่อุณหภูมิ 90 C0 ด้วยมุมตกกระทบ 30 0 จงหามุมหักเห (sin-1 (0.566)) • 6. เสียงเคลื่อนที่จากอากาศด้วยความเร็ว 750 m/s ไปสู่น้ำ ถ้าเสียงเคลื่อนที่ในน้ำได้เร็ว 1,500 m/s จงหามุมวิกฤติ (300)

22. 4.3 การแทรกสอดของคลื่นเสียง • เสียงเป็นคลื่นตามยาว เกิดการแทรกสอดเช่นเดียวกับคลื่นอื่น ๆ ถ้ามีคลื่นอาพันธ์ 2 ขบวนรวมกัน • ได้คลื่นเสียงลัพธ์เป็นคลื่นนิ่ง โดยที่ • จุดปฏิบัพ (antinode) จะมีเสียงดังที่สุด • จุดบัพ (node) จะมีเสียงเบาที่สุด

23. การแทรกสอดของคลื่นเสียงการแทรกสอดของคลื่นเสียง การแทรกสอดของคลื่นเสียง เกิดจากคลื่นเสียง 2 ลูก ที่เหมือนกันทุกประการ เดินทางมาชนกัน ทำให้เกิดเสียงที่ดัง เมื่อสันคลื่นของคลื่นทั้ง 2 ลูกชนกัน ทำให้สันคลื่นสูงขึ้น และเกิดเสียงค่อย เมื่อสันคลื่นของคลื่นลูกหนึ่ง และท้องคลื่นของคลื่นอีกลูกหนึ่งพบกัน ทำให้สันคลื่นและท้องคลื่นหายไป จึงเกิดเสียงดังและค่อยสลับกันไปมา

24. การเลี้ยวเบนของคลื่น เสียง การเลี้ยวเบนของคลื่นเสียง เกิดจากคลื่นเสียงเดินทางอ้อมสิ่งกีดขวางทำให้คลื่นเสียง สามารถเข้าถึงได้ทุกที เช่น เราอยู่หลังกำแพงแต่ยังได้ยินเสียงเพลงทีดังมาจากห้องข้าง

25. บีตส์(BEAT) คือปรากฏการณ์ที่คลื่นเสียงสองขบวนที่มีความถี่ใกล้เคียงกัน(ห่างกันไม่เกิน 7Hz ) เคลื่อนที่มาในตัวกลางเดียวกันเกิดรวมคลื่นกันขึ้น ทำให้เกิดเสียงดัง-ค่อยเมื่อเวลาผ่านไป การเกิดบีตส์เกิดจากแหล่งกำเนิดเสียง 2 แหล่งที่มีความถี่ใกล้เคียงกัน เช่น เคาะส้อมเสียง 2 อันที่มีความถี่ใกล้เคียงกันพร้อมกัน จะได้ยินเสียงดัง - ค่อย

26. ความถี่บีตส์ ความถี่บีตส์ คือ เสียงดังเสียงค่อยที่เกิดขึ้นสลับกันใน 1วินาที เช่น ความถี่ ของบีตส์เท่ากับ7รอบ/วินาทีหมายความว่าใน1วินาทีจะมีเสียงดัง  7  ครั้งและเสียงค่อย7 ครั้ง

27. การเกิดบีตส์

28. 6. การเกิดบีตส์ • บีตส์ (beats) เกิดจากการแทรกสอดของคลื่นเสียงที่มีความถี่ต่างกันไม่เกิน 7 Hertz • ความถี่บีตส์ คือ จำนวนครั้งของเสียงดังที่ได้ยินใน 1 วินาที • fb = f1 - f2 ; fb = ความถี่บีตส์ • ความถี่บีตส์ หาได้จากผลต่างของความถี่ของคลื่นเสียงทั้งสอง • ความถี่ที่หูได้ยิน • f1 , f2 = ความถี่ของคลื่นทั้งสอง

29. ตัวอย่างแบบฝึกหัด • 17) เสียงความถี่ 1,000 Hz และ 1,004 Hz เข้ามารวมกัน ถามว่าเราจะได้ยินเสียงที่มีความถี่เท่าไร (1,002 Hz)

30. http://www.kr.ac.th/ebook2/jonkol/05.html

31. ปฏิบัพและบัพของคลื่นนิ่งของเสียงปฏิบัพและบัพของคลื่นนิ่งของเสียง ปฏิบัพเป็นตำแหน่งที่ความดันอากาศมีค่าเปลี่ยนแปลงด้วยแอมพลิจูดสูงสุด เรียกตำแหน่งนี้ว่า ปฏิบัพของความดัน ( pressure antinode ) บัพเป็นตำแหน่งที่ ความดันอากาศมีการเปลี่ยนแปลงด้วยแอมพลิจูดเป็นศูนย์พอดี เรียกตำแหน่งนี้ว่า บัพของความดัน ( pressure node )

32. คุณภาพของเสียง คุณภาพของเสียง(quality) หมายถึงคุณลักษณ์ของเสียงที่เราได้ยินเมื่อเราฟังเพลง จากวงดนตรีวงหนึ่งนั้นเครื่องดนตรีทุกชนิดจะเล่นเพลงเดียวกันแต่เราสามารถแยกได้ว่าเสียงที่ได้ยินนั้นมาจากดนตรีประเภทใดเช่นมาจากไวโอลินหรือเปียโนเป็นต้นการที่เราสามารถแยกลักษณะของเสียงได้นั้นเพราะว่าคลื่นเสียงทั้งสองมีคุณภาพของเสียงต่างกัน คุณภาพของเสียงนี้ขึ้นอยู่กับจำนวนโอเวอร์โทนที่เกิดจากแหล่งกำเนิดเสียงนั้นๆและแสดงออกมาเด่นจึงไพเราะต่างกันนอกจากนี้คุณภาพของเสียงยังขึ้นกับความเข้มของเสียงอีกด้วย

33. 5. คลื่นเสียงกับการได้ยิน • 5.1 หูคนและกลไกลการได้ยิน • 5.2 ความเข้มและความดังของเสียง ความถี่ของเสียงที่คนปกติได้ยิน f = 20 – 20,000 Hz ความเข้มเสียงที่คนปกติได้ยิน I = 10-12 W/m2 ถึง 1 W/m2

34. 5.1 หูและการได้ยิน • หูคนเรามี 3 ส่วน คือ • 1. หูส่วนนอก • 2. หูส่วนกลาง • 3. หูส่วนใน • หูมีกระดูก 3 ชิ้น ได้แก่ • 1. กระดูกค้อน • 2. กระดูกทั่ง • 3. กระดูกโกลน

35. Anatomy of the human ear. http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l2d.html

36. Anatomy of the human ear. http://en.wikipedia.org/wiki/Eustachian_tube

37. เสียงที่คนปกติได้ยิน • คนปกติได้ยินเสียงอยู่ในช่วงความถี่ 20-20,000 Hz • ถ้าใช้ความถี่เป็นเกณฑ์จะแบ่งระดับเสียง (pitch) ได้ 2 ระดับ คือ • 1. เสียงสูง หรือเสียงแหลม (trebel) • 2. เสียงต่ำ หรือเสียงทุ้ม (bass)

38. เสียงคู่แปด (octave) http://www.christian-music-contest.com/recording-studio-design-1.html

39. 5.2 ความเข้มและความดังของเสียง • คนปกติจะได้ยินเสียงที่มีความเข้ม 10-12 – 1 W/m2 • ความเข้มเสียงมีหน่วยเป็น เดซิเบล (decible : dB) • ตั้งเป็นเกียรติกับ Alexander Graham Bell ผู้ประดิษฐ์โทรศัพท์เป็นคนแรก

40. AlexanderGrahamBell

41. ความเข้มของเสียง • ความเข้มของเสียง คือ กำลังเสียงที่ตกกระทบในแนวตั้งฉากกับพื้นที่ ของหน้าคลื่นของทรงกลม 1 ตารางหน่วย ความเข้มสูงสุดที่มนุษย์ ทนได้ คือ 1 W/m2 • I = ความเข้มเสียง มีหน่วยเป็น วัตต์/ตารางเมตร (W/m2) • P = กำลัง มีหน่วยเป็น วัตต์ (W) • R = ระยะห่างจากแหล่งกำเนิดเสียง (m) • ระดับความเข้มของเสียง • I = ความเข้มของเสียง หน่วยเป็น W/m2 • I0 = ความเข้มของเสียงต่ำสุดที่คนเราจะได้ยิน 10-12 W/m2 • β = ระดับความเข้มเสียง หน่วยเป็น เดซิเบล (dB)

42. ระดับความเข้มของเสียงระดับความเข้มของเสียง http://www.homepowersystems.net/store.asp?pid=2572&catid=19580

43. 7. ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ • ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ คือ ปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของผู้ฟังหรือ ต้นกำเนิดเสียง หรือทั้งสองอย่างเคลื่อนที่ทำให้ความถี่ที่ผู้ฟังได้รับเปลี่ยนไป

44. fL = ความถี่เสียงที่ผู้ฟังได้รับ fS = ความถี่เสียงจากต้นกำเนิด v = ความเร็วของเสียง(ในอากาศ) vL = ความเร็วของผู้ฟัง vS = ความเร็วของต้นกำเนิดเสียง ค่า v เป็นบวกเสมอ (+) ค่า vL , vS เป็นบวก(+) ถ้าไปทิศทางเดียวกับ v เป็นลบ (-) ถ้าไปทิศทางตรงข้ามกับ v เป็น 0 ถ้าอยู่นิ่ง

45. christian Johann Doppler

46. The Doppler Effect http://www.glafreniere.com/doppler.htm

47. The Doppler Effect http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l3b.html

48. The Doppler Effect http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l3b.html

49. การนำความรู้ไปใช้ประโยชน์การนำความรู้ไปใช้ประโยชน์ ด้านการแพทย์ก็ได้มีการนำเสียงมาใช้ในการตรวจอวัยวะภายในของคนเพื่อวินิจฉัยสาเหตุของความผิดปกติเช่น ตรวจการทำงานของลิ้นหัวใจมดลูกครรภ์เนื้องอกตับม้ามและสมองเพราะเสียงสามารถสะท้อนที่บริเวณรอยต่อระหว่างชั้นของเนื้อเยื่อต่างๆได้ ในการออกแบเพื่อลดระดับความเข้มของเสียงของเครื่องยนต์เครื่องจักรในโรงงานเสียงจากยานพาหนะบนทางด่วนก็อาศัยความรู้เรื่องการดูดกลืนเสียง นอกจากนั้นมนุษย์ยังนำความรู้ด้านเสียงมาสร้างและพัฒนาเครื่องดนตรีด้วยจึงทำให้มีเครื่องดนตรีประเภทต่างๆมากมายอาทิเช่นเครื่องสายได้แก่ไวโอลินซอสามสายซออู้ซอด้วงกีตาร์พิณนอกจากนี้ยังมีเครื่องดนตรีประเภทต่างๆอีกมากมาย รวมทั้งเครื่องดนตรีที่สร้างจากวงจรอิเล็กทรอนิกส์

50. คำถาม หลังการนำเสนอ 1. เสียงเกิดขึ้นได้อย่างไร เฉลย เสียงเริ่มเกิดขึ้นเมื่อวัตถุหรือแหล่งกำเนิดเสียงมีการสั่นสะเทือน 2. บีตส์คืออะไร เฉลย บีตส์คือปรากฏการณ์ที่คลื่นเสียงสองขบวนที่มีความถี่ใกล้เคียงกัน เคลื่อนที่มาในตัวกลางเดียวกันเกิดรวมคลื่นกันขึ้น 3.เสียงที่คนปกติได้ยินมีความถี่อยู่ในช่วงเท่าไหร่ถึงเท่าไหร่ เฉลย คนปกติได้ยินเสียงอยู่ในช่วงความถี่ 20-20,000 Hz 4.ความถี่บีตส์คือเท่าไหร่ เฉลย จำนวนครั้งที่เสียงดังค่อยใน 1 วินาที 5.ถ้าจะแบ่งระดับเสียงโดยใช้ความถี่เป็นเกณฑ์จะแบ่งได้กี่ระดับมีอะไรบ้าง เฉลย2 ระดับ1. เสียงสูงหรือเสียงแหลม 2. เสียงทุ้มหรือเสียงต่ำ