Sound: สมบัติของเสียง

1. การสะท้อนของเสียง
เสียงเป็นคลื่นจึงมีการสะท้อนตามกฏการสะท้อนของคลื่น คือ มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน รังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นปกติต้องอยู่บนระนาบเดียวกัน

ข้อสังเกตการสะท้อนของเสียงที่ควรทราบ
1.การสะท้อนของเสียงเกิดขึ้นเมื่อเสียงเคลื่อนที่ไปกระทบตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า
2.ขนาดวัตถุหรือตัวกลางที่ไปตกกระทบต้องมีขนาดเท่ากับหรือใหญ่กว่าความยาวคลื่นเสียงนั้น
3. เสียงสะท้อนได้ดีกับวัตถุผิวเรียบ แข็ง
4. คลื่นเสียงความถี่สูงสะท้อนได้ดีกว่าความถี่ต่ำ(เมื่ออัตราเร็วเสียงคงตัว จะได้ความถี่เสียงแปรผกผันกับความยาวคลื่นเสียง ดังนั้นความถี่สูงจึงมีความยาวคลื่นสั้น จึงสามารถสะท้อนได้กับวัตถุที่มีขนาดเล็กๆ เช่น Ultra sound )
5. การคำนวณการทะท้อนเสียงใช้สมการชุดเดียวกับคำนวณการเดินทางของเสียง

เสียงก้อง (Echo)

เมื่อเราตะโกนออกไป เราจะได้ยินเสียงแรกเป็นเสียงที่ตะโกนต่อมาเราได้ยินเสียงเดิมอีกเป็นครั้งที่สองจากการที่เสียงเดินทางไปตกกระทบวัตถุแล้วสะท้อนกลับมาเข้าหูเรา เรียกว่า "ได้ยินเสียงก้อง" เงื่อนไขของการได้ยินเสียงก้องคือ หลังจากได้ยินเสียงครั้งแรกแล้ว เสียงครั้งที่สองที่สะท้อนมาเข้าหูเราจะต้องใช้เวลาต่างจากได้ยินครั้งแรกไม่น้อยกว่า 0.1 วินาที เพราะถ้าเสียงที่สองสะท้อนมาถึงหูใช้เวลาน้อยกว่า0.1 วินาที หูจะไม่สามารถแยกออกว่าเป็นการได้ยินเสียงสองครั้ง

ตัวอย่างโจทย์

1.ชายคนหนึ่งตะโกนในหุบเขาได้ยินเสียงสะท้อนกลับมาในเวลา 4 วินาที ขณะนั้นอุณหภูมิของ
อากาศ 15 องศาเซลเซียส

วิเคราะห์:
          เสียงเดินทางไป - กลับ ใช้เวลา 4 วินาที
         เสียงเดินทางเทียวเดียวใช้เวลาเพียงครึ่งหนึ่ง    เวลา =   2 วินาที
       อัตราเร็วของเสียงในอากาศ เมื่ออุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียส

ที่มา http://thegeniusphysics.blogspot.com/p/4.html

วิธีทำ

คลื่นนิ่ง

เมื่อคลื่นเสียงเคลื่อนที่จากแหล่งกำเนิด เข้าหาสิ่งกีดขวางจะสะท้อนกลับทำให้เกิดคลื่นนิ่งดังรูป

ที่มา http://thegeniusphysics.blogspot.com/p/4.html

ตำแหน่ง Antinode เสียงดัง ตำแหน่ง Node เสียงจะค่อย

ตัวอย่างการคำนวณ

1. ผู้ขับรถยนต์คันหนึ่งกำลังเปิดรับฟังวิทยุฟังรายการจากสถานีแห่งหนึ่ง ขณะที่รถกำลัง
เคลื่อนที่เขาหาตึกใหญ่ข้างหน้าด้วยความเร็ว 1 เมตร/วินาที เขาสังเกตว่าวิทยุเงียบ
ไป 2 ครั้งใน 3 วินาที คลื่นวิทยุนั้นมีความยาวคลื่นเท่าไร

วิเคราะห์ :
          คลื่นวิทยุเคลื่อนที่เข้าหาตึกจะสะท้อนกลับรวมกับคลื่นเดิมเป็นคลื่นนิ่ง
          ทำให้เกิดตำแหน่ง บัพ (Node) เสียงเงียบ และตำแหน่งปฏิบัพ ( Antinode) เสียงดัง
          เมื่อรถเคลื่อนที่ผ่านเสียงเงียบ 2 ครั้งใน 3 วินาที

วิธีทำ

                         จากรูป ระยะที่เสียงเงียบหายไป 2 ครั้ง จะเท่ากับความยาวคลื่น

หาความยาว
                            S = v.t
                                = 1x3
                                = 3 เมตร
ตอบ คลื่นวิทยุมีความยาวคลื่น 3 เมตร

2. การหักเหเสียง

การหักเหเสียงเกิดขึ้นเมื่อเสียงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางซึ่งมีความแตกต่างกัน มีผลทำให้อัตราเร็วเสียงเปลี่ยนแปลงไป และทำให้ความยาวคลื่นเสียงเปลี่ยนแปลงด้วย เนื่องจากความถี่เสียงจากแหล่งกำเนิดเสียงสั่นคงที่ ความสัมพันธ์ของปริมาณของการหักเหคงเหมือนเดิมคือเป็นไปตามกฏของสเนลล์ คือ

ที่มา http://irrigation.rid.go.th/rid17/Myweb/machanical/commu/vorapot1.html

ในกรณีการเกิดมุมวิกฤตของเสียง เกิดเมื่อเสียงเริ่มต้นจากบริเวณอากาศอุณหภูมิต่ำไปสู่อากาศอุณหภูมิสูงกว่า หรือเริ่มต้นจากบริเวณที่เสียงมีอัตราเร็วน้อย ไปยังบริเวณที่มีอัตราเร็วมาก

การหักเหเสียงในอากาศ เป็นปรากฏการณ์ที่พบเห็นในชีวิตประจำวัน เช่นในตอนกลางวันเราเห็นฟ้าแลบแต่ไม่ได้ยินเสียงทั้งที่ความจริงจะต้องมีเสียง เหตุผลสามารถอธิบายได้ด้วยหลักการหักเหเสียงในอากาศ

ที่มาhttp://www.scimath.org/socialnetwork/groups/viewbulletin

ในตอนกลางวันอากาศที่สูงขึ้นไปจะมีอุณภูมิต่ำกว่าบริเวณใกล้พื้น ทำให้เสียงจากฟ้าแลบที่ลงมา มีมุมหักเหโกว่ามุมตกกระทบ เมื่อหักเหหลายครั้งทำให้เกิดการสะท้อนกลับหมดกลับขึ้นไป ไม่มีเสียงมาถึงผู้ฟังที่อยู่บนพื้น

ตัวอย่างการคำนวณ

3. การแทรกสอด

การแทรกสอดของเสียงเกิดจากแหล่งกำเนิดเสียงอาพันธ์ 2 แหล่ง คลื่นเสียงจากสองแหล่งแผ่เข้าซ้อนทับกันเกิดปฏิบัพ(เสียงดัง) และบัพ(เสียงเบา) ลากแนวปฏิบัพและบัพได้ตามรูป

ที่มา http://thegeniusphysics.blogspot.com/p/4.html

สมการการแทรกสอด แหล่งกำเนิดอาพันธ์ส่งคลื่นเสียงเฟสตรงกัน
เมื่อจุดสังเกต P อยู่บนแนวแทรกสอดปฏิบัพ(เสียงดัง) และจุด Q อยู่บนแนวแทรกสอดบัพ(เสียงเบา)

รูปแสดงการเกิดแนวการแทรกสอดจากแหล่งกำเนิดคลื่นอาพันธ์
ที่มา http://thegeniusphysics.blogspot.com/p/4.html

ถ้าอัตราเร็วของเสียงในน้ำและในอากาศ เท่ากับ 1400 และ 350 เมตร/วินาที ตามลำดับ เสียงระเบิดจากใต้น้ำเดินทางมากระทบผิวน้ำด้วยมุมตกกระทบ 30 องศา จงหา sin ของมุมหักเห

4. การเลี้ยวเบนของเสียง

เสียงเป็นคลื่นจึงแสดงสมบัติการเลี้ยวเบน การเลี้ยวเบนของเสียงคือปรากฏการณ์ที่เสียงอ้อมสิ่งกีดขวาง หรือลอดผ่านช่องเปิดเดี่ยวเลี้ยวเบนผ่านแยกบนท้องถนน หรือผ่านช่องหน้าต่าง ช่องประตู เสียงจะเลี้ยวเบนได้ดีเมื่อความกว้างของช่องเปิดเท่ากับความยาวคลื่นเสียงนั้น ดังนั้นในชีวิตประจำวันพบว่าเสียงที่มีความถี่ต่ำ(ความยาวคลื่นมาก) จะเลี้ยวเบนผ่านช่องเปิดต่างๆได้ดีกว่าเสียงความถี่สูง(ความยาวคลื่นน้อย)

ที่มา thegeniusphysics.blogspot.com

จากรูป คนสามารถได้ยินเสียงจากวิทยุได้ แม้ว่าจะมีมุมห้องบังเสียงไว้เพราะว่าเสียงสามารถเลี้ยวเบนได้

ในกรณีที่มีขบวนวงโยทวาธิตผ่านไปตามท้องถนน พบว่าเสียงกลอง(หน้าคลื่นสีแดง)ซึ่งมีความถี่ต่ำแต่ความยาวคลื่นยาว จะเลี้ยวเบนได้ดีกว่าเสียงจากเครื่องเป่า(หน้าคลื่นสีน้ำเงิน) ซึ่งมีความถี่เสียงสูง เนื่องจากการเลี้ยวเบนดีช่องกว้างต้องเท่ากับหรือใกล้เคียงความยาวคลื่นเสียง