เสียง(sound) - wordpress.com · web viewเส ยง(sound) คล นเส...
TRANSCRIPT
เสยง(sound)
คลนเสยงเปนคลนกลตามยาวซงเกดจากการสนของแหลงกำาเนดเสยงโดยการเคลอนทของเสยงจากตวกอกำาเนดเสยงตองอาศยตวกลางในการถายโอนพลงงานการสนจากตวกอกำาเนดเสยงนนไปยงทตางๆ ซงเสยงนมคณสมบตทสำาคญ คอ การสะทอน การหกเห การเลยวเบน และการแทรกสอด . คลนเสยงเปนคลนความดน ความดนนหมายถงความดนทมคามากกวาหรอนอยกวาความดนปกต(ความดนเกจ)เมอคลนเสยงแผไปในอากาศจะทำาใหความดนเปลยนแปลงแลวโมเลกลของอากาศรวมกนและมผลตอโมเลกลขางเคยง ทำาใหโมเลกลของอากาศสนไป-มาพรอมกบถายโอนพลงงานใหกบโมเลกลอนๆอยางตอเนองแลวกลบคนสตำาแหนงเดม
กราฟแสดงความสมพนธระหวางการกระจดและความดนของคลนเสยง
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
หมายเหต คาความดนปกต(ความดนเกจ)ของอากาศเปน 1.013 x 10 5 นวตนตอตารางเมตร ถาไดรบคลนเสยงทมแอมพลจด 300 นวตนตอตารางเมตร จะทำาใหอากาศมความดน 1.016 x 10 5 นวตนตอตารางเมตรทสวนอด และมความดน 1.010 x 10 5 นวตนตอตารางเมตรทสวนขยาย
ขณะทคลนเสยงแผไปในอากาศนนกจะเกดบรเวณทมการอด(compression)ซงจะมความหนาแนนมากและการขยายตว(expansion) ซงจะมความหนาแนนนอย โมเลกลอากาศสลบกนไปอยางกลมกลนและมระเบยบตามทศทางการแผของคลนเสยง
ในรปของความดน ขณะปกต(ไมมเสยง) ตวกลางคออากาศมความดนเทากบความดนบรรยากาศปกต อากาศมความหนาแนนขนาดหนง ในคลนเสยงทมความหนาแนนสงและตำา ทำาใหตวกลางมความดนสงและตำาตามไปดวย คลนเสยงจะมความดนอยในรป
P0 = Pa sin(t + )เมอ P0 คอความดนคงทของอากาศปกต Pa คอแอมพลจดทางความดน (pressure amplitude)ของ
คลนเสยง 28 N/m2
คอคาคงททางเฟส ซงขนกบการเรมพจารณาทเวลาใด คลนของการกระจดและคลนของความดนมเฟสตางกน 90
หรอ /2 เรเดยน นนคอแอมพลจดการกระจดจะเปนบพความดน บพการกระจดจะเปนแอมพลจดความดน
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
2
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
หมนษยสามารถไดยนเสยงทมความถระหวาง 20 -20,000 เฮรตซ คลนเสยงทมควาถตำากวา 20 เฮรตซ เรยกวาอนฟราโซนก(infrasonic) คลนเสยงทมควาถสงกวา 20,000 เฮรตซ เรยกวาอลตราโซนก(ultrasonic)
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
3
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
ตารางแสดงความสามารถในการสงและรบเสยงแหลงกำาเนดและรบคลน
เสยงความสามารถใน
กำาเนดคลนเสยง
ความถ(เฮรตซ)
ความสามารถในการไดยนคลนเสยงความถ(เฮรตซ)
มนษย 85 – 1,100 20 -20,000สนข
452 – 1,080 15 – 50,000
แมว760 – 1,520 60 – 65,000
ปลาโลมา 7,000 –
120,000150 – 150,000
คางคาว10,000 – 120,000
1,000 – 120,000
ตกแตน7,000 – 100,000
100 – 15,000
ไวโอลน200 – 2,600 ----------
ระนาดเอก 144 -960 ----------
ระบบ Hi -Fi 15 – 30,000 ----------
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
4
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส อตราเรวของคลนเสยง
อตราเรวของคลนกลตามขวางขนอยกบทงสมบตยดหยนและสมบตอเนอรเชย(Inertia) ของตวกลาง ซงใชไดกบคลนเสยง
อตราเรวของเสยงในตวกลางชนดตางๆจะแตกตางกน โดยอตราเรวของเสยงใน ตวกลางทมสถานะของแขงจะมอตราเรวทสด รองลงมาคอของเหลวและกาซ ตามลำาดบอตราเรวของเสยงในของแขง มความสมพนธกบคามอดลสของยง(Y) และความหนาแนน()ของแทงวตถ
มอดลสของยง(Y)คอความยดหยนตามยาวของวสดหาไดจาก
อตราสวนของความเคนตอความเครยด
อตราเรวของเสยงในของไหลเมอคลนตามยาวเคลอนทในของไหล จะทำาใหเกดการอดและขยายตว
ของของไหลทำาใหความดนและปรมาตรเปลยนแปลงปรมาณทแสดงสมบตยดหยนของตวกลางอดไดคอมอดลสเชง
ปรมาตร(B) ปรมาณทบอกสมบตอเนอรเชยของตวกลางคอ ความหนาแนนเชงปรมาตร()ของตวกลาง
บลคมอดลส(Bulk modulus) คอ มอดลสเชงปรมาตรหาไดจากอตราสวนของความเคนเชงปรมาตร(P)ตอความเครยดเฉอน(V/V)
อตราเรวของเสยงในกาซ สำาหรบในอากาศอตราเรวของเสยงจะเปลยนไป เมออณหภม
เปลยนแปลง โดยแปรผนตรงกบรากทสองของอณหภมในหนวยองศาสมบรณ นนคอ
เมอ T คอ อณหภมในหนวยเคลวน
R คอ คานจของกาซ = 8.314 จลตอโมล-เคลวนPhysics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
5
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
M คอ มวลโมเลกลของกาซ คอ คาคงตวทเปนอตราสวนของความจความรอนท
ความดนคงตวตอความจความรอนท ปรมาตรคงตวของกาซ = 1.40
หรอโดยประมาณในอณหภมองศาเซลเซยส เทากบ Vt = 331 + 0.6 t
ขอสำาคญ ความถของคลนเสยงจะเปนปรมาณคงตวไมเปลยนไปตามตวกลางทคลนเสยงแผผานไป
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
6
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
อตราเรวของเสยงในอากาศจากกฎของกาซ ความดน P สมพนธกบปรมาตร V คลนเสยงในกา
ซนน การอดตวจะเรวมากพอทจะถอวาการเปลยนแปลงนนเปนแบบ adiabatic change ดงนน PV = คาคงท หาความสมพนธระหวาง V กบ V โดยการหาอนพนธเทยบกบ P จะไดวา
แต V/P กคอการเปลยนคาของ V เทยบกบ P นนเอง ซงกคอ V/P ดงนน หรอ
แต B = P
PV = (m/M)RT = nRT ดงนน แต = m/V
n คอ จำานวนโมลของกาซ = m/M เมอ M คอ มวลโมเลกลดงนน สามารถเปลยน T = 273 + เมอ เปนองศาเซลเซยส และ << 273 แลว
T = 273 + =ในกรณท << 273 จะไดวา
เมอใชสตรการกระจายทวนาม
แตปรมาณในรากทสองกคออตราเรวของเสยงท 0 C ดงนน
ในกรณของอากาศ v0 = 331 m - s-1 ดงนน
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
7
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
v = 331+0.6 t C
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
8
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
อตราเรวของคลนตามยาวในของไหล
การหาอตราเรวของคลนตามยาวหาไดจากสมบตเชงกลของตวกลาง พจารณาของไหล(ของเหลว กาซ)ทมความหนาแนน อยในทอทมพนทหนาตด A ภายใตความดน P ทเวลา t = 0 ของไหลหยดนง เมอทำาใหลกสบทปลายซายของทอเคลอนไปทางขวาดวยความเรว u อนภาคของของไหลทอยทางซายของบรเวณทถกอดจะเคลอนไปทางขวาดวยความเรว u และอนภาคของของไหลทอยทางขวายงคงหยดนง ทเวลา t ลกสบเคลอนทไปไดระยะทาง ut แตสวนทอยนำาหนาบรเวณจด B จะเคลอนไปทางขวาดวยความเรวของคลน v ไดระยะทาง vt
ใหความดนในการอดลกสบเปน P + P เมอ P เปนความดนทเพมขนในการอดของไหล ดงนนแรงภายนอกททำาใหลกสบเคลอนไปทางขวาเปน (P + P)A แรงรวมทกระทำาตอบรเวณทถกอดของของไหลเปน
(P + P)A - PA = APปรมาณของไหลทเคลอนทในเวลา t คอของไหลทอยภายในทอยาว vt
พนทหนาตด A ดงนนของไหลในบรเวณนมมวลเปน vt A และมโมเมนตมเปน vt Au
จากทฤษฎการดล-โมเมนตม(AP)t = vt Au
จากนยามบลคมอดลส(B) เมอ V เปนปรมาตรทเปลยนแปลงไปเนองจากการอด = -Aut และ
V เปนปรมาตรเดมของของไหลสวนทถกอด = Avt
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
9
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
นนคออตราเรวของคลนตามยาวในของไหลขนอยกบบลคมอดลส(B) และความหนาแนน ของตวกลาง
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
10
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
อตราเรวของคลนตามยาวในของไหล
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
11
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
อตราเรวของคลนตามยาวในของแขงเมอคลนตามยาวเคลอนทในของแขง แรงกระทำาตอชนสวนของแขงจะ
ทำาใหชนสวนของแขงเกดการเปลยนแปลงปรมาตรจากกฎของนวตน F= ma
จากนยามของ Young’s modulus
ดงนนจะได
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
12
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
การสะทอนของเสยงเมอคลนเสยงเคลอนทไปตกกระทบกบผนงจะเกดคลนเสยงสะทอนขน
โดยมมมตกกระทบเทากบมมสะทอนเชนในหอง ในถำา เกดเสยงดง และถาเสยงทสะทอนกลบมาใชเวลามากกวาหรอเทากบ 0.1 วนาท ประสาทหจะแยกเสยงนนได เสยงทสะทอนกลบมานเรยกวาเสยงกอง(Echo)
เสยงสะทอนทวตถผวเรยบไดดกวาวตถผวขรขระ ถาคลนเสยงเคลอนทจากตวกลางทมความหนาแนนนอยไปสตวกลางทมความหนาแนนมากกวา จะทำาใหเฟสของคลนเสยงเปลยนไป เรเดยน เพราะโมเลกลทบรเวณนนไมสามารถสนได(เหมอนการสะทอนของคลนในเสนเชอกปลายตรง)
ในการสำารวจความลกของทะเล โดยการสงคลนเสยงโซนาร(SONAR)ลงไปจากเครองสง แลวจบเวลาทคลนสะทอนกลบ จากนนคำานวณหาความลกตวอยาง ถาเสยงมอตราเรว 1,500 m/s ในนำา
ทะเล เรอลำาหนงปลอยคลนโซนารลงไปจากผวนำา ปรากฎวารบคลนสะทอนไดในเวลา 2.4 วนาท นำาทะเลตรงบรเวณนนมความลกเทาไร
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
13
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
การใชประโยชนจากคลนเหนอเสยง ไดแกการทำาความสะอาดตามซอกเลกซอกนอยเชนในหองทดลองและเครองมอแพทย เมอทำาคลนเหนอเสยงใหเกดในของเหลว จะมฟองเลกๆเกดขนในขณะทมสวนขยาย หลงจากนนพอมสวนอดตามมา ฟองเหลานถกบบอดภายในเนอทของฟองเลกๆเหลาน จะเกดความดนและอณหภมเพมขนเปนคลนกระแทกอยางรนแรง เรยกปรากฏการณนวา แควเตชน ( cavitation)หรอการเดอดอยางเยน มผลทำาใหสงสกปรกในวตถซงจมในของเหลวหลดไป เราใชคลนเหนอเสยงวนจฉยโรคเชน ตรวจการทำางานของลนหวใจ ตรวจมดลก ตรวจเนองอก ตบ มาม และมนสมอง เรยกวาวธเอโคเอนเซฟาโลกราฟ(echoencephalography)
ในการเชอมพลาสตกโดยสงการสนความถสงเขาไปในบรเวณทมผวสมผสกนอย ความดนและการสนทำาใหเกดพลงงานความรอนจากการเสยดทาน ผวทงสองเชอมประสานกนไดมความแขงแรงทนท
ในการวนจฉยทางแพทยใชความถในชวง 1 – 10 MHz วางหวเครองมอทมผลกสนอยภายในใหสมผสรางกาย จะมพลงงานเปนจงหวะๆ 500 ครงตอวนาท เดนเขาสรางกาย แลวกระจายและสะทอนตามโครงสรางของรางกาย จากคลนไฟฟากลายเปนคลนอลตราโซนกใชเวลาเพยง 2 – 3 ไมโครวนาท ในชวงวางระหวางจงหวะการสงพลงงานเขาสรางกาย ทรานดวเซอรจะทำาหนาทเปนตวรบฟงคลนสะทอน สวนอดและสวนขยายของคลนสะทอนทำาใหทรานดวเซอรอดและขยายตวกอใหเกดความตางศกยซงเรยกวาปรากฏการณพโซอเลกตรก ( (piezoelectric effect)
วธการใชอลตราโซนก เรยกวา อลตราโซโนกราฟ ( ultrasonography ) คอเปลยนพลงงานไฟฟาเปนพลงงานอลตราโซนก โดยทรานดวเซอร(tranducer) คลนดลเหนอเสยผานผวหนงเขาสรางกาย เมอไปสะทอนทพนผวทอยชดกนแตมความหนาแนนตางกนจะเกดการสะทอน คลนสะทอนจะถกจบดวยทราน ดวเซอร และถกเปลยน
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
14
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกสใหเปนพลงงานไฟฟาในรปของความตางศกย เมอถกขยายขนแสดงออกทางจอของออสซลโลสโคป
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
15
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกสการหกเห
เกดขนคลนเสยงเมอเคลอนทผานตวกลางตางชนดกนหรอไปในตวกลางชนดเดยวกนแตมความหนาแนนหรออณหภมตางกน จะทำาใหอตราเรวของคลนเสยงเปลยนแปลง เชนการทฟาแลบแตไมไดยนเสยงฟารอง หรอเราอาจไมไดยนเสยงจากแหลงกำาเนดทอยในแนวราบเดยวกนถาอากาศดานบนเยนกวาอากาศทพนดน การหกเหของเสยงในตวกลางชนดเดยวกนแตมอณหภมตางกน จาก Vt = 331 + 0.6 tแลวใชกฎสเนลลsin 1 / sin 2 = n2 /
n1=T คอ อณหภมในหนวยเคลวน
การคำานวณอตราเรวของคลนเสยงไดคาสอดคลองกบความเปนจรง เมอคำานวณจากการเปลยนแปลงของความดนและปรมาตรในอากาศทเปนไปตามการเปลยนแปลงแบบแอเดยบาตก(adiabatic change) คอไมมความรอนถายเทในการเปลยนแปลง เนองจากการเปลยนแปลงความดนในเสยงเรวมากและผานไปเรวจงทนทจะมสมดลเชงความรอนอตราเรวของเสยงในตวกลางตางๆ
ชนดตวกลาง อตราเรว(m/s)กาซไฮโดรเจนฮเลยมอากาศ(0C)
1,286972331343
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
16
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
อากาศ(20C)ของเหลว(ท 25C)นาทะเลนำาของแขงเหลกอลมเนยมทองแดง
1,5331,493
5,1305,1003,560
คำาถาม ถาลกโปงลอยไดบรรจกาซฮเลยม ลกโปงควรเปนเลนสนนหรอเลนสเวาสำาหรบเสยง
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
17
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกสตวอยาง ถาอตราเรวของคลนเสยงในกาซคารบอนไดออกไซดและในอากาศ
เปน 261 และ 339.3 เมตร/วนาทเมอคลนเสยงเคลอนทจากกาซคารบอนไดออกไซดไปสอากาศโดยทำามมตกกระทบ 60 องศาในกาซคารบอนไ ดออกไซด จะมมมหกเหในอากาศเปนกองศา
การเลยวเบน เสยงสามารถออมผานไปดานหลงของกำาแพงหรอผนงไดทำาใหเราไดยนเสยงโดยไมเหนแหลงกำาเนดเสยง
ตวอยาง เสยงเลยวเบนผานประตสง 2 เมตรกวาง 90 cm ไดมากทสดควรมความถเทาไร ถาอณหภมขณะนน 30 C
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
18
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกสการแทรกสอด
เกดจากคลนเสยง 2 แหลงทมความถเดยวกนมารวมกนตามหลกการรวมกนของคลนจะไดตำาแหนงเสยงดง(ปฏบพ) และเสยงคอย(บพ)
ตวอยาง s 1 และ s2 เปนลำาโพง 2 ตวหางกน 6 m ทจด P ไดยนเสยงดง Pจงหาวาถาเขาเดนจาก P ไปยง Q ทอยหางออกไป 30 m จะไดยนเสยงจางหาย 54 mไปกครง ใหความถจากลำาโพงทงสองเปน 510 เฮรตซ ม เฟสตรงกน กำาหนด s1 30m เสยงมความเรว 340 m/s ( 5 ครง)
Q s2
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
19
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกสบตส(Beats)
เมอมเสยงสองเสยงความถตางกนมากพอเชน 1,000 เฮรตซ และ 1,200 เฮรตซ มาถงหพรอมๆกน เราจะฟงไดวาเปนเสยงสองเสยงทมระดบเสยงสงตำาตางกน แตถาความแตกตางของความถของสองเสยงนนใกลเคยงกนเชน 1,000 เฮรตซ และ 1,005 เฮรตซ เราจะไมสามารถฟงเปนสองเสยง แตจะไดยนเปนเสยงเดยวทความถ 1,002.5 เฮรตซ ซงเปนคาเฉลยของความถเสยงสองเสยงและเสยงนนดง-คอยสลบกน 5 ครงตอวนาท
ถาคลนทงสองมความถตางกนเลกนอย(ไมเกน 7 - 10 Hz) จะไดยนเสยงดง - คอยเปนจงหวะ เรยกปรากฏการณนวา บตส(Beats)
บตสเปนปรากฏการณทคลนเสยง 2 เสยงทมความถใกลเคยงกนมแอมพลจดใกลเคยงกนมาแทรกสอดกน ทำาใหเกดเสยงดงเปนจงหวะๆ
ความถบตส = ผลตางของความถทงสองของคลนเสยงนน ตามสมการ
fb = เมอ fb คอความถบตส
ความถรวม =
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
20
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
เงอนไขการเกดบตสให y1 = Asin 2f1t และ y2 = Asin 2f2t เปนสมการคลน
เสยงจากแหลงกำาเนด 2 แหลงทมความถ f1 และ f2 และคลนลพธจากการรวมกนของคลนจะได y = y1 + y2
หลการของบตสนำามาใชในการตงเสยงเครองดนตรเชนกตาร
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
21
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
คลนนงของเสยงเมอมคลน 2 ขบวนเคลอนทสวนทางกน คลนทงสองมแอมพลจดเทา
กนจะเกดการซอนทบกนอยางตอเนองของคลนตกกระทบ และ คลนสะทอน เปนคลนลพธมตำาแหนงปฏบพและบพสลบกนไป ตำาแหนงบพและปฏบพทปรากฎเปนบพของการกระจด(displacement node) และปฏบพการกระจด(displacement antinode)เรยกวาคลนนง
ในเรองของคลนเสยงกมคลนนงของเสยงในลกษณะเดยวกบคลนนงในเสนเชอก แตไมสามารถสงเกตไดโดยตรง จะตองใชผลตอเนองของคลนนงเปนการทดสอบ คอใชสมบตเกยวกบการสนพองของอากาศในทอซงเปนการผสมผสานกนระหวางคลนนงและการสนพอง
เนองจากเสยงเปนคลนกลตามยาว การพจารณาคลนนงในทออากาศตองคำานงถงปฏบพของความดน(pressure antinode)และบพความดน(pressure node) ซงสอดคลองกบบพของการกระจด และปฏบพการกระจด
การพจารณาการเกดคลนนงของเสยงแยกเปน 2 แบบคอคลนนงในหลอดปลายปดและคลนนงในหลอดปลายเปด
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
22
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
1 คลนนงในหลอดปลายปดคลนนงทเกดในหลอดปลายปดจะเปนตำาแหนงบพของการกระจด
เนองจากเกดการสะทอนทปลายปด เชนเดยวกบปลายตรงของเสนเชอก แตเปนปฏบพของความดนเสมอ เฟสของคลนเปลยนแปลง 180
= =
n = ฮารมอนกท 1 , 3 , 5 ,………..nทอปลายปดมฮารมอนกเลขคเทานน
ความถมลฐาน ( Fundamental )หรอฮารมอนกท 1
โอเวอรโทนท 1( first overtone )หรอฮารมอนกท 3
โอเวอรโทนท 2( second overtone )หรอฮารมอนกท 5
ตวอยาง ทอปลายปดอนหนงยาว 30 cm จงหาเสยงฮารมอนกท 3 มคาเทาไร ถาเสยงมอตราเรว 340 เมตรตอวนาท
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
23
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส2 คลนนงในหลอดปลายเปด
คลนนงทเกดในหลอดปลายเปดจะเปนตำาแหนง ปฏบพของการกระจด เนองจากปลายเปดคลนมการสนอยางอสระ เชนเดยวกบปลายอสระของเสนเชอก แตเปนบพของความดน เสมอ เฟสของคลนคงเดม
= = n = ฮารมอนกท 1 ,
2 , 3 ,………..nทอปลายเปดมทงฮารมอนกเลขคและคอยางไรกตาม จากการทดลองจะพบวา ณ ตำาแหนงปลายเปดของ
ทอยงไมใชปฏบพของการกระจดอยางแทจรง ความยาวของทอททำาใหผล การทดลองตรงตามทฤษฎ จะตองมคามากกวาความยาวของทอทใช ทำาการทดลองนน
ความถมลฐาน ( Fundamental )หรอฮารมอนกท 1โอเวอรโทนท 1 ( first overtone )หรอฮารมอนกท 2โอเวอรโทนท 2( second overtone )หรอฮารมอนกท 3
ความถของคลนนงในหลอดเรโซแนนซ1 ความถมลฐาน( Fundamental ) คอ ความถตำาสดของ
คลนนง2 โอเวอรโทน( Overtone ) คอความถของคลนนงทถดจาก
ความถมลฐาน
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
24
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
3 ฮารมอนก( Harmoni cs) คอตวเลขทบอกใหทราบวาความถขณะนนเปนกเทาของความถมลฐาน
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
25
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกสการสนพองของเสยง (Resonance)
ขณะทระบบหนงมการแกวงกวดโดยเสร ความถของการแกวงกวดขณะนนเรยกวาความถธรรมชาต ( Natural frequency ) เชน ขณะทชงชาแกวงไป-มาโดยเสรหลงจากทกระตนใหมการแกวงกวด แตถาออกแรงผลกเพอโลชงชาตวนนอยางตอเนอง ชงชากจะอยภายใตอทธพลของแรงภายนอกดวย ความถของชงชาขณะนจะเกยวของกบความถ 2 สวน สวนหนงคอความถธรรมชาต และอกสวนหนงกเปนความถเนองจากแรงภายนอก ปรากฏวาชงชาจะมคาแอมพลจดของการแกวงมากสดเมอความถ 2 กรณนเทากน โดยเราเรยกความถขณะนนวา ความถการสนพองหรอความถเรโซแนนซ
ถามแรงเพยงเลกนอยกระทำาเปนคาบกบระบบหนงทสามารถแกวงได โดยทวไปแลวระบบนนจะแกวงดวยคาแอมพลจดนอยๆ ขณะทความถของการแกวงมคาเขาใกลความถธรรมชาตของระบบนน กจะมคาแอมพลจดมากขน แลวคาแอมพลจดจะมากสด ณ ความถการสนพองเทากบความถธรรมชาตของระบบนนนนเอง
การสนพองของเสยงในทอเกดจากการสนของโมเลกลของอากาศในทอจะทำาใหผนงของทอเกดการสนไปดวย การสนของผนงทอทำาใหเกดเสยงเขาหเพมขนอก
การพงของสะพาน Tacoma Narrow เปนผลมาจากการสนพองเนองจากมลมพดอยางแรงพอดกบจงหวะการสนของสะพานพอด
หลกการการสนพองของเสยงนำาไปประดษฐเครองดนตรชนดตางๆเชน ขลย แตร ป กลอง กตาร ฯลฯ
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
26
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
อาคารซงอยใกลเคยงกบบรเวณทกำาลงมการกอสราง สนไหว บานเรอนและสงปลกสรางใกลทางดวนสนสะเทอนขณะทมการจราจร กระจกหนาตางราวหรอแตกเมอมการระเบดใกลเคยง ซงเปนผลจากการสนพองทงสน วงจรอนกรมของตวตานทาน ตวเหนยวนำาและตวเกบประจหรอวงจร RLC ( RLC series circuit ) ซงเปนวงจรกระแสสลบ กมปรากฏการณเกยวกบการสนพองทนยมกลาวถงเรโซแนนซดวย โดยเกดขนเมอระบบของวงจรดงกลาว ซงขบเคลอนดวยแหลงตนทางพลงงาน ณ ความถทใกลเคยงหรอเทากบความถธรรมชาต แลวทำาใหแอมพลจดของการแกวงกวดมคาสงสด
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
27
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
ปรากฏการณดอปเพลอร(Doppler effect)
เวลาทเรายนอยบนถนนแลวมรถเปดไซเรนเคลอนทกำาลงจะผานเราไป เราจะรสกวาขณะทรถกำาลงเคลอนทจะผานเราไป เราจะไดยนเสยงไซเรนแหลมกวาปกต แตเมรถผานเราไปแลว เราจะไดยนเสยงไซเรนทมกวาปกต ทงนเปนผลมาจากการทเสยงออกจากแหลงกำาเนดเสยงทกำาลงเคลอนท หรอในทางตรงกนขาม ถาแหลงกำาเนดเสยงอยกบทแตผฟงกำาลงเคลอนทเขาหรอออกจากแหลงกำาเนดเสยง กจะไดยนเสยงในลกษณะเชนเดยวกน ปรากฏการณนเปนปรากฏการณทผฟงไดยนเสยงมความถตางไปจากความถของแหลงกำาเนดเสยงเรยกวาปรากฏการณนวาปรากฏการณดอปเพลอร(Doppler effect) ซงจะเกดขนเมอความเรวสมพทธระหวางผฟงกบแหลงกำาเนดเสยงไมเปนศนย หรอกลาวไดวาระยะหางระหวางผฟงกบแหลงกำาเนดเสยงไมคงท โดยความถเสยงทปรากฏตอผฟงมคาเทากบ
f’ คอ ความถเสยงทปรากฏตอผฟงfs คอ ความถเสยงของแหลงกำาเนดเสยงv คอ อตราเรวของคลนเสยงvs คอ อตราเรวของแหลงกำาเนดเสยงvL คอ อตราเรวของผฟง
เมอ แหลงกำาเนดเสยง อยกบท เมอแหลงกำาเนดเสยง S อยนงแผคลนเสยงทมความถ fs , ความยาวคลน และอตราเรวเสยง
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
28
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
v L เปนผสงเกตทอยนงจะไดยนเสยงทมความถ fs ถา L เคลอนทเขาหรอออกจาก S ทอยนงดวยอตราเรว vL อตราเรวเสยงทปรากฎตอผสงเกตจะมคาเปน เนองจากแหลงกำาเนดเสยง S อยนงระยะระหวางหนาคลนมคาคงตว ดงนนความยาวคลน
ลกษณะของคลนเสยงเมอแหลงกำาเนดเสยงอยกบท
เสยงทปรากฎตอผสงเกตจะมคาเปน แตความถทปรากฎตอผสงเกตจะมคาเปน
แต ดงนน
เมอ แหลงกำาเนดเสยง เคลอนท
ลกษณะของคลนเสยงเมอแหลงกำาเนดเสยงเคลอนท
ความยาวคลนดานหนา(แหลงกำาเนดเสยงเคลอนทเขาหาผสงเกตท
อยนง)ความยาวคลนดานหลง
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
29
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส(แหลงกำาเนดเสยงเคลอนทออกจากผสงเกต
ทอยนง)
เมอ แหลงกำาเนดเสยง และผสงเกตเคลอนท
ปรากฏการณดอปเพลอรมประโยชนอยางมากในวชาดาราศาสตร เนองจากนกดาราศาสตรใชหลกการของปรากฏการณดอปเพลอรในการหาวาดาวดวงนนนนเคลอนเขาหรอออกจากโลก โดยการตรวจสอบดสเปกตรมของแสงจากธาตในดาวบางดวงแลวนำามาเปรยบเทยบกบสเปกตรมทไดจากธาตชนดเดยวกนบนโลก ถาเสนสเปกตรมคอนไปทางสนำาเงน(Blue Shift) แสดงวาดาวดวงนนเคลอนทเขาหาโลก แตถาเหนสเปกตรมคอนไปทางสแดง(Red Shift) แสดงวาดาวดวงนนเคลอนทออกจากโลก
ตวอยาง รถคนหนงเคลอนทดวยอตราเรว 108 กโลเมตรตอชวโมงเขาหารถอกคนหนงทแลนมาดวยอตราเรว 72 กโลเมตรตอชวโมงแลวบบแตรใหเสยงความถ 500 เฮรตซ อตราเรว เสยง 350 เมตรตอวนาท จงหา
ก)ความยาวคลนดานหนาและดานหลงรถคนทบบแตรข) ผฟงบนรถอกคนจะไดยนเสยงทมความถกเฮรตซ
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
30
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
คลนกระแทก(Shock wave)เมอแหลงกำาเนดคลนเสยงเคลอนทโดยมอตราเรวมากกวาอตราเรว
ของเสยง หนาคลนทสงออกมาจะมลกษณะเปนรปกรวยโดยมวตถอยทยอด หนาคลนแตละชดมจดศนยกลางอยทตำาแหนงซงวตถเคยอยมากอนขณะทสงหนาคลนนนๆออกมาตามแนวของกรวยซางสมผสหนาคลนเหลาน คลนเสรมกนทำาใหมการรวมพลงงานกลายเปนคลนกระแทก
วตถทเคลอนทไมจำาเปนตองเปนตนกำาเนดเสยงทสนจงจะทำาใหเกดคลนกระแทกได ขณะใดกตามทอตราเรววตถมากกวาอตราเรวของเสยงกเกดคลนกระแทกได เชน คลนกระแทกจากเสยงลกปนผาน
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
31
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
และเสยงโซนกบม(sonic boom) จากเครองบนทบนเรวกวาเสยง(supersonic speed) พลงงานซงเกดจากคลนกระแทกของเครองบนอตราเรวสงบางครงอาจเพยงพอทำาใหหนาตางแตกและอาคารสนได
ผสงเกตซงอยใตทางผานของเครองบน supersonic จะไดยนเสยงปงใหญขณะทมคลนกระแทกผาน และจะไมไดยนเสยง ถาอยภายนอกกรวย
การเกดคลนกระแทกพจารณาไดจากอตราสวนระหวางอตราเรวของแหลงกำาเนดเสยงและอตราเรวของเสยงในอากาศทอณหภมนนๆคอ vs/v อตราสวนนเรยกวา เลขมค (Mach number) ซงตงตามชอ เอรนสต มค(Ernst Mach) จรวดทมขนาดมค 5 จะมอตราเรว 5 เทาของเสยง การเกดคลนกระแทกเรมตนทมค 1
ผวสมผสหนาคลนทำามม กบทศการเคลอนทของแหลงกำาเนดคลน จะได
v คออตราเรวของเสยงvs คออตราเรวของแหลงกำาเนดเสยง
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
32
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกสตวอยาง เครองบนมอตราเรว 2 มคจะมอตราเรวเทาใด และมมทผวสมผสหนาคลนทำามมกบทศการเคลอนทของ
เครองบนเทากบกองศา ถาอตราเรวของเสยงในอากาศทอณหภมนนๆเทากบ 350 เมตรตอวนาท
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
33
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกสความเขมเสยง
ทระยะหางจากแหลงกำาเนดเสยงออกไปความเขมเสยง (I) ของเสยงในอากาศจะลดลง โดยแปรผกผนกบกำาลงสองของระยะหาง (R) จากแหลงกำาเนดเสยง ดงน
I 1 / R2
ความเขมเสยงหมายถงพลงงานเสยงทตกลงบนพนท 1 หนวย ในเวลา 1 วนาท มหนวยเปนวตตตอตารางเมตร นนคอ
หรอ
I คอ ความเขมเสยง ณ ตำาแหนงตางๆ มหนวยเปนวตตตอตารางเมตร
P คอ กำาลงเสยงของแหลงกำาเนดเสยง มหนวยเปนวตตR คอ ระยะระหวางแหลงกำาเนดเสยงกบตำาแหนงทจะหาความเขม
เสยง มหนวยเปนเมตรพลงงานนสามารถคำานวณไดจากคาเฉลยของพลงงานจลนตอเวลา
ตอตารางเมตรจากการเคลอนทของโมเลกลของอากาศ(กำาลงตอพนท)สมพนธกบแอมพลจดทางความดนของเสยงดงน
เมอ P คอ แอมพลจดความดน คอ ความหนาแนนของอากาศเทากบ 1.29 กโลกรมตอ
ลกบาศกเมตร v คอ อตาเรวของคลนเสยง
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
34
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกสตวอยาง เสยงจากลำาโพงตวหนงทมกำาลงเสยง 100 วตตจะมความเขม
เสยงกวตตตอตารางเมตรเมออยหางจาก ลำาโพง 5 เมตร
นอกจากนความเขมเสยงยงสามารถหาไดจากสตร
ความเขมเสยงทดงสดทหมนษยทนไดมคาเทากบ 1 วตตตอตารางเมตร จะม
แอมพลจดความดน = 28 นวตนตอตารางเมตร ความเขมเสยงทคอยสดทหมนษยเรมไดยนมคาเทากบ 10-12
วตตตอตารางเมตร จะมแอมพลจดความดน = 2 10-5 นวตนตอตารางเมตร
ระดบความเขมเสยงความดนเสยงตำาสดทคนธรรมดาไดยนท 1,000 เฮรตซ คอ 2 10-5
นวตนตอตารางเมตร คาความดนเสยงมชวงกวางไดนามกส(dynamic range)ประมาณ 1 ตอลาน ในการวดถาเราใชความดนเสยงเปนนวตนตอตารางเมตรโดยตรงจงไมสะดวก และเนองจากกลไกของการไดยนมความไวตอการเปลยนความดนเสยงในลกษณะคลายกน จงสะดวกทจะวดโดยการเปรยบเทยบความดนเสยงหรอเปรยบเทยบความเขมของเสยง ในการเปรยบเทยบความเขมของเสยง เรานยาม ระดบความเขมของเสยง(intensity level ,) มหนวยเปนเดซเบล(decibel)
I คอ ความเขมเสยงทกำาลงวดมหนวยเปนวตตตอตารางเมตรI0 คอ ความเขมเสยงตำาสดทหมนษยไดยน = 10- 12 วตต/ ตาราง
เมตร
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
35
โรงเรยนมหดลวทยานสรณ สาขาวชาฟสกส
คาความดงของเสยงถกกำาหนดจากความเขมเสยงตำาสดทหมนษยไดยน ( I0 = 10- 12 วตต/ ตารางเมตร) ใหมความระดบความเขม 0 เดซเบล ตามสมการ = 10 log (I / I0 ) เดซเบล ซงเปนผลใหระดบความเขมเสยงสงสดทหมนษยทนฟงไดเปน 120 เดซเบล ตวอยาง จงหาระดบความเขมของเสยงเมออยหางจากลำาโพงทมกำาลงเสยง
100 วตตเปนระยะ 5 เมตร
ในการเปรยบเทยบคาความดง 2 คา จากแหลงกำาเนดเสยงเดยวกนแตอยหางจาก แหลงกำาเนดเสยงไมเทากน จะเปรยบเทยบในลกษณะหาผลตาง ตามสมการ
1 - 2 = 10 log (I1 / I2 ) dB
คณภาพของเสยง หมายถง เสยงทมความถเทากนแตมความเขมแตกตางกนเชนเสยงจากกตารและเปยโนทเลนเสยงเดยวกน แตเสยงแตกตางกน - คณภาพของเสยงพจารณาจากจำานวนโอเวอรโทนทมในเสยงนนและความเขมของเสยงนน - ระดบเสยงหมายถงเสยงสง ตำาซงขนอยกบความถของเสยงนน ความถมาก ระดบเสยงจะสง ความถนอย ระดบเสยงจะตำา
Physics Department Mahidol Wittayanusorn School Sound|
36