ในชีวิตประจำวันเราอาจจะคุ้นชินกับปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ เช่น ระหว่างที่เรานั่งทานข้าวอยู่ที่ร้านหน้าปากซอย อยู่ ๆ ก็มีรถพยาบาลวิ่งผ่านไปด้วยความเร็วสูง ถ้าเราตั้งใจฟังเสียงไซเรนของรถพยาบาลขณะเคลื่อนที่ เราจะพบว่าความถี่ของเสียงสัญญาณไซเรนขณะที่รถเคลื่อนที่นั้นมีการเปลี่ยนแปลง

ภาพ 1 “ความถี่ต่ำ (Low Frequency)” และ “ความถี่สูง (High Frequency)”
ที่มา: https://www.quora.com/How-does-the-Doppler-effect-not-violate-the-conservation-of-momentum-Is-this-a-dark-energy-negative-vacuum-pressure-thing

     ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (Doppler Effect) คือการเปลี่ยนความถี่ของเสียงหรือระดับเสียงที่ผู้รับฟังได้ยิน เนื่องจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างแหล่งกำเนิดเสียงกับผู้รับฟัง เช่น เมื่อรถพยาบาลแล่นเข้ามาใกล้ เราจะได้ยินเสียงไซเรนมีความถี่สูงกว่าเมื่อแล่นห่างออกไป จริงๆ แล้วนิยามนี้หมายถึงปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียง (Acoustic Doppler Effect) เท่านั้น ซึ่งเราพบเห็นในชีวิตประจำวันได้ง่าย เราจึงนิยมยกตัวอย่างปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ที่เกี่ยวข้องกับคลื่นเสียง แต่แท้จริงแล้วปรากฏการณ์นี้สามารถเกิดขึ้นกับคลื่นประเภทอื่นๆ ได้ด้วย เช่น คลื่นแสง หรือแม้แต่คลื่นความโน้มถ่วง โดยในทางดาราศาสตร์ ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น คลื่นแสง จะถูกวัดเพื่อหาอัตราเร็วของดาวฤกษ์หรือกาแล็กซีที่เคลื่อนที่เข้าใกล้หรือออกห่างจากโลกของเรา ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์นี้ถูกตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรียนามว่า คริสทีอัน ดอปเพลอร์ (Christian Doppler ค.ศ. 1803–1853) ที่ได้นำเสนอแนวคิดนี้ในปี ค.ศ. 1842 หรือประมาณเกือบสองร้อยปีที่ผ่านมา

     การเรียนโดยมีการทดลองในห้องปฏิบัติการ ทำให้ผู้เรียนเข้าใจบทเรียนมากยิ่งขึ้น การใช้สมาร์ตโฟนมาช่วยในการทดลองก็เพิ่มความสะดวกในการทำการทดลองมากยิ่งขึ้น เช่น ในการเรียนเรื่องปรากฏการณ์ดอปเพลอร์คงไม่สะดวกเท่าไหร่นักหากให้ผู้เรียนอยู่กับที่และใช้รถพยาบาลเปิดเสียงสัญญาณไซเรนวิ่งผ่านถนนด้วยความเร็วสูง และยังมีความเสี่ยงในการเกิดอุบัติเหตุอีกด้วย ดังนั้น การนำสมาร์ตโฟนมาใช้ในการทดลองเรื่องนี้จึงเป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่เหมาะสมและสะดวก โดยที่ผู้เรียนยังคงได้เรียนรู้ผ่านการลงมือปฏิบัติมากกว่าการเรียนรู้ผ่านการฟังบรรยาย

     Antonio Augusto Soares และ Ricardo Longhi Henrique ได้ตีพิมพ์บทความเรื่อง “Smartphones and the Acoustic Doppler Effect in High School” ลงในวารสาร The Physics Teacher เมื่อวันที่ 24 กันยายน ค.ศ. 2021 เพื่อสาธิตปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ทางเสียงด้วยสมาร์ตโฟน โดยการทดลองจำเป็นต้องใช้สมาร์ตโฟน 2 เครื่องด้วยกัน เครื่องหนึ่งเป็นแหล่งกำเนิดเสียง (Sound Source หรือ SS) อีกเครื่องหนึ่งเป็นแหล่งรับเสียง (Sound Receiver หรือ SR) โดยการทดลองมีรายละเอียดดังนี้ SS ใช้แอปพลิเคชัน Physics ToolBox Sensor Suite (PTSS) ปล่อยคลื่นเสียงความถี่ตามที่ต้องการ ขณะที่ SR ใช้ 2 แอปพลิเคชัน โดยใช้แอปพลิเคชัน Spectroid เพื่อวัดระดับเสียงและความถี่ของเสียงที่เกิดจาก SS ที่มีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของสมาร์ตโฟนทั้งสองเครื่อง และใช้แอปพลิเคชัน Mobizen เพื่อบันทึกวีดิทัศน์ของหน้าจอที่แสดงผลเพื่อบันทึกข้อมูลที่ได้

ภาพ 2 ตัวอย่างการจัดชุดอุปกรณ์เพื่อทำการทดลอง และแสดงตำแหน่งของ SS และ SR
ที่มา: Soares, A. A., & Henrique, R. L. (2021). Smartphones and the acoustic doppler effect in high school. Physics Teacher, 59(7), 566–568. doi:10.1119/5.0019668

     การทดลองวางตำแหน่งของอุปกรณ์ต่างๆ ดังภาพประกอบตัวอย่างการทำการทดลอง โดยให้ SS มีความสูงในแกนแนวดิ่งเป็นระยะ h โดย SS จะถูกแขวนไว้กับเส้นเชือกมวลเบาให้ SS มีการเคลื่อนที่แบบลูกตุ้มอย่างง่าย (Simple Pendulum) โดย SR อยู่ด้านล่างบริเวณกึ่งกลางของวิถีการเคลื่อนที่ของ SS พอดี ที่ความสูง h เมื่อปล่อย SS ให้เริ่มมีการเคลื่อนที่ มันจะเคลื่อนที่แบบลูกตุ้มอย่างง่ายผ่าน SR โดยความถี่ที่ SR (f) ตรวจจับได้ที่ปล่อยมาจากแหล่งกำเนิด SS (\( f_0 \))  นั้นมีความสัมพันธ์กันดังต่อไปนี้

\[ f = \frac{v}{v \pm v_{ss}} f_0 \]

     โดยที่ v เป็นอัตราเร็วของเสียง เครื่องหมายลบถูกใช้เมื่อ SS เคลื่อนที่เข้าหา SR และเครื่องหมายบวกถูกใช้เมื่อ SS เคลื่อนที่ออกห่างจาก SR

ภาพ 3 ผลการทดลองแสดงระดับเสียงและความถี่ที่เปลี่ยนไปที่เกิดจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างสมาร์ตโฟนสองเครื่อง
(a) กรณี \( f_0 \) = 5000 Hz (b) กรณี \( f_0 \) = 15000 Hz

ที่มา: Soares, A. A., & Henrique, R. L. (2021). Smartphones and the acoustic doppler effect in high school. Physics Teacher, 59(7), 566–568. doi:10.1119/5.0019668

ภาพ 3 (ต่อ) ผลการทดลองแสดงระดับเสียงและความถี่ที่เปลี่ยนไปที่เกิดจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างสมาร์ตโฟนสองเครื่อง
(a) กรณี \( f_0 \)  = 5000 Hz (b) กรณี \( f_0 \)  = 15000 Hz

ที่มา: Soares, A. A., & Henrique, R. L. (2021). Smartphones and the acoustic doppler effect in high school. Physics Teacher, 59(7), 566–568. doi:10.1119/5.0019668

     โดยในการทดลองใช้ความถี่ที่ 5 kHz และ 15 kHz ยกตัวอย่างเช่น ในกรณี 5 kHz เมื่อ SS เคลื่อนที่เข้าหา SR พบว่า SR ตรวจจับความถี่สูงสุดได้ 5060 Hz และในกรณีที่ SS เคลื่อนออกจาก SR พบว่า SR ตรวจจับความถี่ต่ำสุดได้ 4945 Hz จากผลการทดลองพบว่าความถี่ที่เปลี่ยนไปคิดเป็นประมาณร้อยละ 1 เท่านั้น เหตุผลเป็นเพราะความเร็วสูงสุดของ SS นั้นมีค่าไม่มากนัก เนื่องจากความสูง h มีความสูงเพียงประมาณ 1 เมตรเท่านั้น แต่นั่นก็เพียงพอแล้วที่จะใช้เครื่องมือวัดในการสังเกตปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ นอกจากนี้ เรายังสามารถใช้ความถี่ในภาพ 4 มาคำนวณ เมื่อเราทราบว่าอัตราเร็วของเสียงในอากาศนั้นมีค่าประมาณเท่ากับ 346 m/s เราทราบความสูง h ใช้กฎการอนุรักษ์พลังงานเพื่อหาความเร็วของ \( v_{ss} \) (4.38 m/s) เราก็จะสามารถหาความถี่ที่ได้จากการคำนวณ \( (f_{equation1}) \) เอามาเทียบกับความถี่ที่ได้จากการทดลองได้

ภาพ 4 ความถี่ดอปเพลอร์ที่วัดได้จากการทดลองเทียบกับที่ได้จากการคำนวณ
ที่มา: Soares, A. A., & Henrique, R. L. (2021). Smartphones and the acoustic doppler effect in high school. Physics Teacher, 59(7), 566–568. doi:10.1119/5.0019668

     เพื่อให้ได้ผลการทดลองที่ชัดเจนขึ้น เราอาจเพิ่มความสูง h ให้มากกว่าเดิม ซึ่งจะทำให้ SS มีอัตราเร็วสูงสุดมากกว่าเดิมได้ หรืออีกวิธีที่น่าสนใจคือ การใช้โดรนขึ้นบินติด SS บินผ่าน SR ด้วยความเร็วสูง วิธีนี้ก็น่าสนใจเช่นกัน แต่ตอนบังคับโดรนต้องทำด้วยความระมัดระวัง

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ปีที่ 51 ฉบับที่ 243 กรกฎาคม – สิงหาคม 2566

ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://emagazine.ipst.ac.th/243/12/

บรรณานุกรม

Soares, A. A., & Henrique, R. L. (2021). Smartphones and the Acoustic Doppler Effect in High School. Physics Teacher, 59(7): 566-568. doi:10.1119/5.0019668.

Soares, A. A., & Henrique, R. L. (2021). Smartphones and the Acoustic Doppler Effect in High School. Retrieved May 2, 2023, from https://www.physicsclassroom.com/class/waves/Lesson-3/The-Doppler-Effect.