ประโยชน์ของการสะท้อนของเสียง

การสะท้อนของเสียงถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างมากมาย ดังตัวอย่างที่นำเสนอต่อไปนี้

1.การหาความลึกของทะเลการหาฝูงปลา การตรวจจับเรือดำน้ำหรือวัตถุที่จมอยู่ใต้น้ำโดยส่งสัญญาณเสียงโซนาร์ออกไป แล้วจับเวลาที่สัญญาณเสียงสะท้อนกลับมา แล้วจึงนำมาคำนวณหาความลึกของทะเล

โซนาร์

เครื่องโซนาร์ (sonar) ย่อมาจากsoundnaigation andranging เป็นเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์สำหรับตรวจหาวัตถุใต้น้ำ มีหลักการทำงานทำนองเดียวกับเครื่องเรดาร์แต่โซนาร์ใช้คลื่นเสียง(เรดาร์ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) และต้องใช้ในน้ำแทนที่จะใช้ในอากาศดังเช่นเรดาร์ เครื่องโซนาร์อาจใช้ค้นหาเรือดำน้ำ หาตำแหน่งของเรือที่จมในทะเล หาฝูงปลาและหยั่งความลึกของท้องทะเลได้อย่างดี

หลักการทำงานของเครื่องโซนาร์ เริ่มต้นจากเครื่องโซนาร์ส่งเสียงที่มีความถี่สูงเกินกว่าหูมนุษย์จะได้ยิน (คลื่นเหนือเสียง) ผ่านไปในน้ำ เสียงนั้นมีความถี่ประมาณ 50,000 เฮิรตซ์ เมื่อเสียงนั้นเดินทางไปกระทบวัตถุ เช่น เรือดำน้ำ หรือพื้นทะเล ก็จะสะท้อนกลับมาเข้าเครื่องรับ โดยการวัดช่วงเวลาที่เสียงเดินทางไปและกลับ ก็จะสามารถคำนวณหาระยะทางของวัตถุจากความเร็วของคลื่นเสียงใต้น้ำได้

โซนาร์อาจแบ่งออกไปได้เป็น 2 แบบตามลักษณะของการส่งคลื่นเสียง คือ

1. โซนาร์แบบส่อง (search-light type sonar) โซนาร์ แบบนี้ส่งคลื่นเสียงออกไปเป็นมุมจำกัด
2. โซนาร์แบบกราด (scanning type sonar) โซนาร์แบบนี้ ส่งคลื่นเสียงกระจายออกไปรอบตัวเป็นรูปวงแหวนด้วยกำลังเท่ากันทุกทิศ

คลื่นเสียงที่เครื่องโซนาร์ส่งออก เป็นคลื่นเสียงที่เปลี่ยนมาจากสัญญาณไฟฟ้า การเปลี่ยนคลื่นเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้า และการเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้ากลับเป็นคลื่นเสียง ต้องใช้อุปกรณ์ที่มีชื่อเรียกว่า ทรานสดิวเซอร์ (transducer) มี 2 แบบ คือ

1.ทรานสดิวเซอร์ที่ใช้สมบัติในการเกิดอำนาจแม่เหล็กของโลหะบางชนิด(transducer magneto-striction)ใช้หลอดนิกเกิลรูปทรงกระบอกจำนวนมากยึดติดไว้กับแผ่นไดอะแฟรมบางๆ หลอดนิกเกิลทุกหลอดมีขดลวดพันอยู่โดยรอบ เมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวด ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก หลอดนิกเกิลจะหดตัว ทำให้ยืดๆ หดๆ ตามจังหวะสัญญาณไฟฟ้าการยืดและหดตัวสลับกันไปนี้ จะทำให้แผ่นไดอะแฟรมเคลื่อนไหวและจะทำให้เกิดเสียง แต่ในทางตรงกันข้าม ถ้ามีเสียงสะท้อนเข้ามา ก็จะเกิดสัญญาณไฟฟ้าขึ้นที่ขดลวด ทรานสดิวเซอร์แบบนี้เหมาะสำหรับใช้ในงานวัดระยะ

2.ทรานสดิวเซอร์ที่อาศัยสมบัติของผลึกแร่บางชนิด ซึ่งสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าเมื่อได้รับแรงดัน(transducer piezoelectric) ใช้ผลึกของแร่ควอตซ์หรือโรเชลล์ซอลต์ (rochelle salt เป็นเกลือทาเทรตของโซเดียมและโพแทสเซียม) จำนวนมากติดกับแผ่นไดอะแฟรม เมื่อมีไฟฟ้าผ่านเข้าผลึก จะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนเป็นเสียงขึ้น ในทางตรงข้ามถ้ามีเสียงเดินทางมาถูกแผ่นไดอะแฟรม จะทำให้เกิดไฟฟ้าขึ้นที่ผิวของผลึก ทรานสดิวเซอร์แบบนี้เหมาะสำหรับใช้ในการเฝ้าฟังเสียง แต่มีข้อเสียตรงที่ส่งคลื่นได้ไม่แรง และผลึกอาจแตกได้ง่าย ถ้าแรงดันไฟฟ้าที่ผ่านผลึกแรงเกินไป

การคำนวณระยะทางด้วยระบบโซนาร์

รูป ก. การสะท้อนของเสียงเมื่อเสียงตกกระทบตั้งฉากกับผิวสะท้อน

รูป ข. การสะท้อนของเสียงเมื่อเสียงตกกระทบทํามุม θ กับผิวสะท้อน

การคํานวณในเรื่องการสะท้อน ใช้สูตร s =t
เมื่อ s เป็นระยะทางทั้งหมดที่เสียงเคลื่อนที่
เป็นอัตราเร็วเสียงในน้ำ
เป็นเวลาที่เสียงใช้เคลื่อนที่ไปและกลับ

หมายเหตุ การคำนวณความลึกตามสถานการณ์ในรูป ข. ต้องคำนวณระยะทางที่เรือเคลื่อนที่ประกอบด้วย

ตัวอย่างเรือลำหนึ่งลอยนิ่งอยู่ในทะเลได้ส่งคลื่นสัญญาณเสียงลงไปในน้ำทะเล และได้รับสัญญาณเสียงนั้นกลับมาในเวลา 0.6 วินาที เมื่ออัตราเร็วของเสียงในน้ำทะเลมีค่า 1,500 m/s ทะเล ณ บริเวณนั้นลึกเท่าไร

วิธีทำจากรูปเสียงเดินทางในน้ำทะเลไป-กลับ เป็นระยะทาง 2x ในเวลา 0.6 วินาที

จาก..s = t

2x = 1500(0.6)

2x = 900

x = 450 m

นั่นคือ ทะเลบริเวณนั้นลึก 450 เมตร (ข้อควรระวังคือโจทย์ถามหาความลึกของทะเลซึ่งหมายถึงระยะทางครึ่งหนึ่งของระยะทางไป-กลับ)

2. การสำรวจทางธรณีวิทยาการสะท้อนของเสียงยังถูกนำมาใช้ประโยชน์ในการสำรวจเกี่ยวกับลักษณะของชั้นหินที่อยู่ใต้ดินโดยการจับเวลาที่เสียงสะท้อนจากชั้นหิน แล้วนำมาวิเคราะห์ เพื่อให้ทราบถึงโครงสร้างของช้ันหิน ซึ่งจะบอกถึงทรัพยากรที่อาจมีอยู่ในหินนั้นๆ ตัวอย่างเช่น การสำรวจคลื่นไหวสะเทือนในทะเล ซึ่งมีอุปกรณ์ที่ใช้ในการสำรวจ ดังนี้

1. เรือสำรวจ พร้อมอุปกรณ์การสำรวจ และระบบสื่อสารที่ทันสมัย เรือสำรวจมีความยาวประมาณ 50-80 เมตร กว้าง 15-20 เมตร Tonnage Gross ประมาณ 3,000-6,000 ตัน
2. อุปกรณ์ต้นกำเนิดสัญญาณคลื่น (Air Gun) เป็นรูปทรงกระบอก ใช้อัดอากาศ ให้มีความดัน ประมาณ 2,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว แล้วปล่อยอากาศออกมา ทำให้เกิดสัญญาณคลื่น
3. อุปกรณ์รับสัญญาณคลื่น (Hydrophone) อยู่ลึกจากผิวน้ำ 5-8 เมตร ต่อพ่วงกัน ยาวประมาณ 3,000 เมตร มีจำนวน 1 สาย หรือมากกว่า ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเคลื่อนย้าย สิ่งกีดขว้างต่างๆ ออกจากแนวสำรวจ

รูปจำลองการสำรวจคลื่นไหวสะเทือนในทะเล

ขั้นตอนการสำรวจ

1. ก่อนเริ่มการสำรวจประมาณ 3-5 วัน จะต้องเคลื่อนย้ายสิ่งกีดขวาง และอุปกรณ์ประมงต่างๆ ออกจากแนวสำรวจ รวมทั้ง ติดต่อกับเรืออื่นๆ ไม่ให้แล่นตัดเข้ามาในแนวของเรือสำรวจ ในช่วงดำเนินการ อุปกรณ์ประมง รวมทั้งสิ่งกีดขวางที่ถูกเคลื่อนย้าย จะมีการจดบันทึกรายละเอียด หมายเลข รหัส ตำแหน่ง พิกัด ไว้เป็นหลักฐานหาก มีความเสียหาย ก็จะได้รับการชดเชยค่าเสียหาย ตามความเป็นจริง ต่อไป
2. กำหนดตำแหน่งเรือสำรวจตามแนวที่วางไว้ในแผนที่ โดยอาศัยเครื่องมือบอกตำแหน่ง DGPS ซึ่งจะส่งสัญญาณจากดาวเทียม และสถานีภาคพื้นดินเป็นตัวเปรียบเทียบ เพื่อบอกตำแหน่งที่แน่นอนของเรือสำรวจ
3. เรือสำรวจแล่นด้วยความเร็วคงที่ตามแนวที่กำหนดไว้ (ส่วนใหญ่จะอยู่ในแนวทิศตะวันออก-ตะวันตก และทิศเหนือ-ใต้) อุปกรณ์ต้นกำเนิดคลื่นเสียงจะส่งสัญญาณคลื่นทุก 5-10 วินาที ผ่านน้ำทะเลลงไปสู่ชั้นดิน-หินใต้พื้นทะเล และสะท้อนกลับมา สู่ตัวรับสัญญาณ
4. สัญญาณที่ได้จะถูกบันทึกลงบนแถบแม่เหล็ก ซึ่งจะต้องประมวลผลด้วยคอมพิวเตอร์ เพื่อแสดงภาพตัดขวางใต้ผิวดิน แสดงลักษณะโครงสร้างทางธรณี และการวางตัวของชั้นหิน
5. ข้อมูลการสำรวจที่ผ่านการประมวลผลทางคอมพิวเตอร์ จะถูกนำไปแปลความหมายโดยนักธรณีฟิสิกส์ เพื่อตรวจสอบลักษณะการวางตัว โครงสร้างของชั้นหิน และเป็นข้อมูลสำคัญในการพิจารณากำหนดตำแหน่งหลุมเจาะสำรวจ หรือหลุมพัฒนาต่อไป

ที่มา : กรมเชื้อเพลิงธรรมชาติ

3. การออกแบบอาคารต่าง ๆ เพื่อไม่ให้เกิดเสียงก้อง โดยพิจารณาจากขนาด รูปร่างและชนิดของวัสดุที่ใช้ทำผิวสะท้อน เป็นต้น เช่น การออกแบบ Concert Hall เพื้อสุนทรียภาพในการรับฟังของผู้ชม (ศึกษารายละเอียดเพิ่มเติมได้จากองค์ความรู้เรื่องการสะท้อนของเสียง)

โซนาร์กับเรีอดำน้ำ

หลายๆ คนคงคุ้นเคยกับภาพยนต์สงครามที่มีการใช้เรือดำน้ำนะครับ แต่ทราบกันหรือไม่ว่าเรือดำน้ำตรวจจับวัตถุต่างๆ ในทะเล หาตำแหน่งและความเร็วในการเคลื่อนที่ของเรือรบ และเรือดำน้ำของข้าศึก หรือกระทั่งแยกแยะได้อย่างไรว่าเรือดำน้ำลำไหนเป็นฝั่งข้าศึกหรือ ฝั่งเดียวกัน อย่าลืมนะครับว่าใต้ทะเลนั้นไม่ได้มีแสงให้มองเห็นอย่างที่เราคุ้นเคยนะครับ

เครื่องมือค้นหาใต้น้ำที่สำคัญของเรือดำน้ำคือโซนาร์เช่นเดียวกับเรือผิวน้ำ แต่โซนาร์ของเรือดำน้ำแตกต่างไปจากเรือผิวน้ำหลายประการเนื่องจากความมุ่งหมายในการใช้แตกต่างกัน ระบบโซนาร์ของเรือดำน้ำสมัยใหม่จะประกอบด้วยโซนาร์ซึ่งเรียกชื่อดังต่อไปนี้

1. PASSIE SONAR เป็นโซนาร์สำหรับการดักรับเสียงใต้น้ำในย่านความถี่ต่ำ เช่นเสียงจากใบจักร เครื่องจักรและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องต่าง ๆ ของเรือผิวน้ำและเรือดำน้ำข้าศึก โซนาร์ชุดนี้จะมี HYDROPHONE ARRAY (เครื่องดักรับเสียง) เป็นรูปทรงกระบอกขนาดใหญ่ เส้นผ่าศูนย์กลาง 2 เมตร ขึ้นไป ติดตั้งบริเวณหัวเรือสุดเพื่อให้ห่างจากเสียงใบจักรของตนเองซึ่งอาจรบกวนได้ โดยทั่วไปแล้วมีขีดความสามารถในการตรวจจับเสียงใต้น้ำความถี่ต่ำของข้าศึกได้ในระยะไกลมาก กล่าวคือในกรณีลักษณะของน้ำทะเลเอื้ออำนวยต่อการแผ่กระจายคลื่นเสียง อาจตรวจจับได้ในระยะถึง 100 ไมล์ หน้าที่สำคัญของโซนาร์นี้มีอยู่ 3 ประการ คือ

- DETECTION (การตรวจจับ)

- CLASSIFICATION (การพิสูจน์เป้า)

- BEARING DETERMINATION (การค้นหาทิศทางของเป้า)

ในเรื่องที่เกี่ยวกับ CLASSIFICATION หรือการพิสูจน์ทราบนั้น เป็นการวิเคราะห์เสียงที่ดักรับฟังได้ ทั้งนี้โดยวิธีแรก (Detection) ใช้ความชำนาญของพนักงานโซนาร์ฟังเสียงนั้นว่าเป็นเสียงใบจักรหรือเครื่องจักรของเรือประเภทใด เป็นของฝ่ายเดียวกันหรือข้าศึก อีกวิธีหนึ่งซึ่งเรือดำน้ำสมัยใหม่มี คือเรือจะมีค่า NOISE SIGNATURE ของเรือต่าง ๆ จำนวนมากมายเก็บไว้ในเครื่องคำนวณแบบ LIBRARY ซึ่งเมื่อโซนาร์ดักฟังเสียงได้ ก็จะนำมาเปรียบเทียบกับ NOISE SIGNATURE ที่เก็บสะสมไว้โดยอัตโนมัติ เพื่อหาว่าเสียงนั้นเป็นเสียงของเรืออะไร สำหรับกองทัพเรือมหาอำนาจ เช่นกองทัพเรือสหรัฐ ฯ อาจมีข้อมูล NOISE SIGNATURE ใน LIBRARY เก็บไว้จำกัดในเรือ เรือดำน้ำจึงอาจถามไปยังศูนย์ LIBRARY บนบกซึ่งมีขีดความสามารถในการเก็บข้อมูลได้มากกว่า โดยผ่านการสื่อสารทางดาวเทียมเพื่อเปรียบเทียบกับ NOISE SIGNATURE อัตโนมัติของตนได้

2. PASSIE RANGING SONAR เมื่อ PASSIE SONAR ตามข้างต้นดักรับสัญญาณเสียง และวิเคราะห์ได้ว่าเป็นเรือฝ่ายใดแล้ว ในขั้นต่อไปก็จะใช้ PASSIE RANGING SONAR เพื่อติดตามเป้านั้น พร้อมทั้งหาระยะสำหรับเครื่องควบคุมการยิงอาวุธต่อไป อุปกรณ์หลักของโซนาร์ชุดนี้ได้แก่ HYDROPHONE ARRAY ความไวสูง จำนวนหลายอันหรืออย่างน้อย 6 อัน ติดตั้งตามความยาวของเรือทั้ง 2 กราบ ๆ ละ 3 อัน โดยให้มีระยะห่างกันเพียงพอที่จะให้ค่าแตกต่างของ PHASE ของสัญญาณเสียงที่ดักรับได้ ซึ่งเครื่องคำนวณอัตโนมัติจะนำมาคำนวณค่าออกมาเป็นระยะไปยังเรือนั้นได้ สรุปได้ว่าโซนาร์ชุดนี้มีหน้าที่

- DETECTION (การตรวจจับ)

- BEARING DETERMINATION (การค้นหาทิศทางของเป้า)

- RANG DETERMINATION (การกำหนดระยะเป้า)

3. INTERCEPT SONAR โซนาร์ชุดนี้เป็นโซนาร์แบบ PASSIE เช่นเดียวกันแต่ใช้สำหรับการดักรับสัญญาณเสียงความถี่คลื่นโซนาร์ของเรือฝ่ายตรงข้ามซึ่งเปรียบเสมือนเครื่อง ESM ใต้น้ำนั่นเอง ดังนั้นจึงสามารถนำเสียงที่ดักรับได้นั้นมาวิเคราะห์ โดยวิธีเดียวกันกับโซนาร์แบบ PASSIE RANGING SONAR เพื่อพิสูจน์ทราบว่าเรือที่ส่งคลื่นโซนาร์นั้นเป็นเรือประเภทใด นอกจากนี้ยังมีสัญญาณเตือนภัยอัตโนมัติเมื่อสามารถดักรับสัญญาณของ ACTIE ACOUSTIC HOMING HEAD (สัญญาณเสียงอันเนื่องมาจากการค้นหาของหัวตอร์ปิโด) ของตอร์ปิโดข้าศึกที่ยิงมายังเรือดำน้ำได้อีกด้วย

อุปกรณ์ของโซนาร์ชุดนี้ประกอบด้วย HYDROPHONE ที่ครอบคลุมย่านความถี่ของโซนาร์ มีขนาดเล็กและติดตั้งตามตำบลที่ต่าง ๆ 1 - 3 แห่ง เพื่อให้สามารถดักรับสัญญาณได้รอบตัวโดยไม่มีมุมอับ นอกจากนี้เพื่อให้สามารถใช้โซนาร์ชุดนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยคำนึงถึงลักษณะของน้ำทะเล เรือดำน้ำมักจะมีเครื่อง BATHYTHERMOGRAPH (เครื่องวัดอุณหภูมิใต้ทะเล) อัตโนมัติซึ่งแสดงภาพ LAYER DEPTH (การแบ่งชั้นของน้ำทะเลอันเนื่องมาจากความแตกต่างของอุณหภูมิใต้น้ำ) เพื่อที่ผู้บังคับการเรือดำน้ำจะได้เลือกความลึกที่เหมาะสมสำหรับการดักรับฟังเสียงโซนาร์ของข้าศึกอีกด้วย สรุปได้ว่า โซนาร์ INTERCEPT มีหน้าที่ดังนี้

- DETECTION (การตรวจจับ)

- BEARING DETERMINATION (การค้นหาทิศทางของเป้า)

- IDENTIFICATION (การพิสูจน์ทราบเป้า)

4. ACTIE SONAR ส่วนใหญ่เป็นโซนาร์ตรวจจับระยะปานกลางคือ ประมาณ 16,000 หลา ซึ่งเรือดำน้ำจะใช้เฉพาะในกรณีจำเป็นทางยุทธการเท่านั้น เช่นเพื่อใช้อาวุธหรือเพื่อตรวจสนามทุ่นระเบิด เป็นต้น ทั้งนี้เพราะเรือดำน้ำจะต้องซ่อนพรางตนเองให้มากที่สุด หากใช้โซนาร์แบบ ACTIE SONAR อาจถูกตรวจพบโดยข้าศึกได้โดยง่าย เนื่องจากต้องแพร่เสียงใต้น้ำอันเกิดจากโซนาร์ เพื่อให้ได้ค่าเป้าจากการสะท้อนกลับของเสียง อย่างไรก็ตามโซนาร์ของเรือดำน้ำมักมีคุณลักษณะพิเศษ กล่าวคือ สามารถส่งคลื่นเพียงครั้งเดียวก็สามารถหาข้อมูลที่ต้องการได้ครบถ้วนคือ แบริ่ง และ ระยะของเป้า แทนที่จะส่งติดต่อกันเป็นเวลานานเช่นโซนาร์ของเรือผิวน้ำ

ที่มา : http://www.nay.mi.th

การหักเหของคลื่นเสียง

หากมีคนถามคุณว่า "เคยเจอการหักเหของเสียงมั้ยค่ะ?" คุณจะตอบว่าอย่างไรครับ? ลองหลับตาแล้วนึกย้อนชีวิตที่ผ่านมาสักครู่ใหญ่ๆ ..... นึกออกรึยังครับ

จริงแล้ว เราแทบทุกคนคงเคยมีประสบการณ์กับการหักเหของเสียง นั่นคือ ขณะที่เกิดฝนฟ้าคะนอง แล้วเกิดแสงวาบจากฟ้าแลบ เราหลับตาปี๋ เตรียมรับเสียงฟ้าร้องที่จะตามมา 5 4 3 2 1 ...เงียบ... แล้วก็พบว่าไม่มีเสียงฟ้าร้องไม่ตามมา แล้วเสียงนั้นหายไปไหนครับ ปรากฏการณ์นี้เองคือตัวอย่างของการหักเหของคลื่นเสียง คำถามต่อมาก็คือ แล้วมันเกิดขึ้นได้อย่างไร

การหักเหของเสียงนั้นจะเกิดขึ้นเมื่อเสียงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างชนิดกันซึ่งทำให้อัตราเร็วของเสียงเปลี่ยนแปลง และอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปก็ทำให้อัตราเร็วของเสียงเปลี่ยนแปลงไปด้วย ซึ่งเป็นสมบัติการหักเหของคลื่น ในการหักเหของคลื่นเสียงทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียงเปลี่ยนไปด้วย ยกเว้นเมื่อคลื่นเสียงตกตั้งฉากกับผิวรอยต่อของตัวกลางทิศทางจะไม่เปลี่ยน นอกจากนี้ลมยังมีผลต่ออัตราเร็วของเสียงในอากาศแสดงว่าลมทำให้เสียงเกิดการหักเหได้

การหักเหของคลื่นเสียงเมื่อเดินทางผ่านตัวกลางต่างชนิดกัน หรืออุณหภูมิต่างกัน จะเป็นไปตามกฎการหักเหของสเนลล์ (Snell's law) คือ

เมื่อ θ1คือ มุมตกกระทบ

เมื่อθ2คือ มุมหักเห

เมื่อλ1, λ2คือ ความยาวคลื่นเสียงในบริเวณที่ 1 และ 2 ตามลำดับ

เมื่อ1, 2คือ อัตราเร็วคลื่นเสียงในบริเวณที่ 1 และ 2 ตามลำดับ

เมื่อT1, T2คือ อุณหภูมิของอากาศในบริเวณที่ 1 และ 2 ตามลำดับ

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

ตอนกลางวันอากาศเหนือพื้นดินจะมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศบริเวณด้านบน เสียงจะหักเหขึ้นสู่อากาศดังรูป

รูปแสดงการหักเหของเสียงตอนกลางวัน

ส่วนตอนกลางคืนนั้น อากาศเหนือพื้นดินจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าอากาศบริเวณด้านบน เสียงจะหักเหลงสู่พื้นดินดังรูป

รูปแสดงการหักเหของเสียงตอนกลางคืน

สำหรับกรณีที่เกิดฟ้าแลบแต่เราไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้องนั้น เป็นเพราะว่าในขณะเกิดฟ้าแลบ ถ้าอากาศเบื้องบนมีอุณหภูมิต่ำกว่าอากาศด้านล่าง ทำให้ทิศทางของเสียงจากฟ้าร้องนั้นเบนออกจากเส้นแนวฉาก และเมื่อมุมตกกระทบโตกว่ามุมวิกฤต(ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ในเรื่องการสะท้อนกลับหมดของคลื่น) จะทำให้คลื่นเสียงเกิดการสะท้อนกลับหมดไปยังอากาศเบื้องบน เราจึงไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง

รูปแสดงการหักเหของเสียงทำให้ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง

 ความถี่บีตส์

หากเราเดินเข้าไปในบ้านเพื่อนและเห็นเปียโน เครื่องดนตรีคลาสสิคราคาแพงวางอยู่กลางห้องโถง เราคงนึกอยู่ในใจว่าเพื่อนเรานอกจากจะรวยแล้วยังมีรสนิยมทางดนตรีดีอีกด้วย แต่เพื่อนรสนิยมดีของเรานั้น เขาจะสามารถฟังเสียงโน้ตจากเปียโนและแยกแยะได้หรือไม่ว่าเปียโนดังกล่าวให้เสียงที่เพี้ยนหรือไม่ และในทางปฏิบัติจริงๆ เราจะตรวจสอบได้อย่างไรว่าเปียโนรวมถึงเครื่องดนตรีอื่นๆนั้น ให้เสียงตรงโน้ตหรือเพี้ยนไป คำตอบคือ เราสามารถตรวจสอบได้โดยอาศัยหลักการเรื่องความถี่บีตส์ของคลื่นเสียงครับ แล้วความถี่บีตส์ที่ว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร ลองติดตามไปพร้อม ๆ กันครับ

รูปแสดงการตรวจสอบและตั้งเสียงเปียโน

การเกิดบีตส์ (Beat) เป็นปรากฎการณ์จากการแทรกสอดของคลื่นเสียง  2  ขบวน   ที่มีความถี่แตกต่างกันเล็กน้อย  และเคลื่อนที่อยู่ในแนวเดียวกันเกิดการรวมคลื่นเป็นคลื่นเดียวกัน  ทำให้แอมพลิจูดเปลี่ยนไป  เป็นผลทำให้เกิดเสียงดังเสียงค่อยสลับกันไปด้วยความถี่ค่าหนึ่ง ซึ่งเราเรียกว่าความถี่บีตส์

รูปแสดงการเกิดบีตส์ ที่มา : http://streptos-music.noblogs.org

ความถี่ของบีตส์ หมายถึง  เสียงดังเสียงค่อยที่เกิดขึ้นสลับกันในหนึ่งหน่วยเวลา  เช่น ความถี่ ของบีตส์เท่ากับ  5  เฮิรตซ์  หมายความว่าใน  1 วินาที  จะมีเสียงดัง  5  ครั้ง  และเสียงค่อย  5  ครั้ง ซึ่งโดยปกติแล้วหูเราจะสามารถจำแนกเสียงบีตส์ที่ได้ยินเป็นจังหวะที่มีความถี่ไม่เกิน 7 เฮิรตซ์ อาจสรุปได้ว่า เมื่อคลื่นเสียงจากแหล่งกำเนิด 2 แหล่ง ที่มีความถี่ f1 และ f2 ซึ่งต่างกันไม่เกิน 7 เฮิรตซ์ เคลื่อนที่มาซ้อนทับกันจะทำให้เกิดบีตส์ที่มีเสียงดังค่อยสลับกันเป็นจังหวะคงตัว ความถี่บีตส์สามารถหาได้จากผลต่างของความถี่ของคลื่นเสียงทั้งสอง

การประยุกต์ใช้ความรู้เรื่องบีตส์ ได้แก่ การปรับเสียงของเครื่องดนตรีชนิดต่างๆ เช่น เปียโน ไวโอวิน เป็นต้น โดยเทียบต้นกำเนิดเสียงมาตรฐานซึ่งอาจจะเป็นส้อมเสียงหรือหลอดเสียงกับเสียงจากเครื่องดนตรีที่ต้องการปรับเทียบ ในขณะที่ความถี่เสียงจากเครื่องดนตรียังไม่เท่ากับความถี่เสียงมาตรฐาน เราจะได้ยินเสียงบีตส์ จนกระทั่งเราสามารถปรับความตึงของสายในเปียโนหรือสายไวโอลินให้เหมาะสม นั่นคือ ความถี่จากเครื่องดนตรีเท่ากับความถี่เสียงมาตรฐาน เสียงบีตส์ก็จะหายไป

สมการสำหรับการคำนวณเรื่องบีตส์นั้นง่ายแสนง่าย แต่สำหรับช่างปรับเทียบเสียงเครื่องดนตรีแล้ว เรื่องง่ายๆเช่นนี้กลับสามารถใช้เป็นอาชีพและเลี้ยงชีวิตได้ ฉะนั้นอย่ามองข้ามเรื่องง่าย ๆ นะครับ

หูและกลไกการได้ยินเสียงของมนุษย์

คลื่นเสียงที่เดินทางมาเข้าหูเรานั้น จะสูง-ต่ำ  ดัง-ค่อย หรือไพเราะเพียงใดนั้น ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบใดบ้าง และเราเข้าใจเสียงนั้นได้อย่างไร หูมีความสำคัญอย่างไรต่อการได้ยินเสียงของเรา ลองมาตั้งใจฟัง"เสียง"จากตัวอักษรต่อไปนี้ดูครับ

คลื่นเสียงเกิดจากการอัดและขยายของตัวกลาง การอัดขยายนี้จะส่งต่อ ๆ กันไป จนถึงหูของผู้ฟังแล้วส่งต่อไปยังสมองในรูปของระดับเสียง ความดัง และคุณภาพของเสียง โดยปกติหูคนเราไวต่อการรับรู้เสียงที่มีความถี่สูงมากกว่าเสียงที่มีความถี่ต่ำเมื่อเสียงนั้นมีระดับความเข้มเสียงเท่ากัน นอกจากนี้ความไวต่อการรับรู้เสียงของคนเรายังขึ้นอยู่กับอายุ โดยพบว่าเด็กมีความรู้สึกไว ต่อช่วงความถี่สูงมากกว่าผู้ใหญ่ความไวต่อการได้ยินเสียงของคนจะลดลงเมื่ออายุมากขึ้น นอกจากนี้ยังพบว่าความไวต่อการ ได้ยินเสียง จะลดลงด้วยสาเหตุอื่น ๆ อีกเช่น การได้รับฟังเสียงดังมากเกินไปเป็นระยะเวลานาน ๆ หรือจากการใช้ยาบางชนิด 

รูปแสดงส่วนประกอบของหู

หูของคนเราประกอบด้วย 3 ส่วน ได้แก่ หูชั้นนอก ประกอบด้วยใบหูซึ่งจะทำหน้าที่รับคลื่นเสียงและ ส่งผ่านไปตามช่องหูจนถึงชั้นเยื่อแก้วหูซึ่งกั้นระหว่างหูชั้นนอกและหูชั้น กลาง ส่วนที่สองคือ หูชั้นกลาง มีลักษณะเป็นโพรงอากาศที่ถูกแยกออกจากหูชั้นนอกด้วยเยื่อแก้วหูที่แปะติดกับ กระดูก 3 ชิ้นเล็กๆที่เรียงต่อกันเป็นโซ่ คือ ค้อน ทั่ง และโกลน ทำหน้าที่รับแรงสั่นสะเทือนและขยายเสียงต่อจากเยื่อแก้วหูแล้วส่งต่อไปยังหู ชั้นใน

นอกจากนี้ที่หูชั้นกลางยังมีท่อยูสเตเชี่ยนที่ต่อไปยังส่วนบนของคอที่ต่อกับ โพรงจมูก ทำหน้าที่ระบายอากาศภายในหูชั้นกลาง ส่วนที่สามคือ หูชั้นใน ประกอบด้วยอวัยวะ 2 ส่วน คือ ส่วนที่ทำหน้าที่เกี่ยวกับการได้ยิน เป็นอวัยวะรูปหอย ภายในมีของเหลวและเซลขนที่ทำหน้าที่รับเสียงจากกระดูกโกลนในหูชั้นกลางแล้ว แปลงเป็นสัญญาณประสาทส่งไปยังประสาทหู (ประสาทสมองคู่ที่ 8) ซึ่งทำหน้าที่ส่งสัญญาณประสาทไปยังสมองเพื่อแปลความหมายของคลื่นเสียง และส่วนที่ทำหน้าที่ควบคุมการทรงตัว

เนื่องจากเสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุที่เป็นต้นกำเนิดเสียง และในการทำให้วัตถุสั่นต้องใช้พลังงาน "ถ้าพลังงานที่ใช้มีค่ามาก แอมพลิจูดของการสั่นจะมีค่ามาก แต่ถ้าพลังงานที่ใช้มีค่าน้อย แอมพลิจูดของการสั่นจะมีค่าน้อย"  พลังงานในการสั่นของต้นกำเนิดเสียงจะถ่ายโอนให้กับอนุภาคของอากาศต่อกันเป็นทอดๆ มายังหูผู้ฟัง ทำให้แก้วหูเกิดการสั่น ผู้ฟังจึงรับรู้เสียงนั้น

การได้ยินครั้งหนึ่งๆ จะต้องมีองค์ประกอบสำคัญ 3 ประการ ตือ ต้นกำเนิดเสียง ตัวกลางและประสาทรับเสียงในหู ขณะได้ยินเสียงหนึ่งๆ ความรู้สึกในการได้ยินของมนุษย์โดยทั่วไป แยกออกเป็นลักษณะต่างๆ ดังนี้

1. ความรู้สึกดัง-ค่อยของเสียง ขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดของคลื่นและความเข้มเสียง

2. ความรู้สึกทุ้ม-แหลมของเสียง ขึ้นอยู่กับความถี่ของเสียง

3. ความไพเราะของเสียง ขึ้นอยู่กับคุณภาพเสียง 

ความเข้มของเสียง

ชายในภาพกำลังวัดความดังของเสียงของเครื่องปรับอากาศเพื่อตรวจสอบและควบคุมให้อยู่ในค่ามาตรฐาน แล้วความดังของเสียงเกิดจากอะไรและมีหน่วยวัดเป็นอะไร ลองหาคำตอบจากบทความต่อไปนี้ครับ

โดยปกติแล้วหูของคนเราจะรับรู้เสียงที่มีช่วงความถี่จำกัด คืออยู่ในช่วงความถี่ 20 - 20,000 เฮิรตซ์ ( เสียงที่มีความถี่ต่ำกว่า 20 เฮิรตซ์ เรียกว่าคลื่นอินฟราโซนิค และเสียงที่มีความถี่สูงกว่า 20,000 เฮิรตซ์ เรียกว่า คลื่นอุลตราโซนิค) แต่อย่างไรก็ตามช่วงความถี่ดังกล่าว ประสาทหูจะได้ยินได้ก็่ต่อเมื่อเสียงนั้นจะต้องดังพอ เสียงที่ดังมากคือเสียงที่มีพลังงานมาก เป็นเสียงที่สั่นด้วยแอมปลิจูดสูง ดังนั้นจึงมีการกำหนดปริมาณที่ใช้วัดความดัง หรือพลังงานของเสียงไว้ ซึ่งเรียกว่า ความเข้มของเสียง

ความเข้มของเสียง (Sound Intensity, "I")

เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงปล่อยพลังงานออกมาในรูปของพลังงานคลื่นเสียง พลังงานคลื่นเสียงขึ้นอยู่กับแอมปลิจูดของคลื่น พลังงานเสียงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดเสียงต่อหนึ่งหน่วยเวลา คือ กำลังเสียง แหล่งกำเนิดเสียงที่มีกำลังมากจะให้เสียงที่ดังกว่าแหล่งกำเนิดที่ทีกำลังน้อย เมื่อรับฟังจากตำแหน่งที่อยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดทั้งสองเท่ากัน

ความเข้มเสียง เป็นกำลังของเสียงที่ตกบนพื้นที่ 1 ตารางหน่วย ในแนวตั้งฉาก ณ จุดนั้น หรือเป็นตัวกำหนดความดัง - ค่อย ของเสียง จากนิยามข้างต้นสามารถเขียนเป็นสมการได้ว่า

เมื่อ P คือ กำลังเสียงของแหล่งกำเนิด มีหน่วยเป็นวัตต์ (w), A คือ พื้นที่ซึ่งเสียงตกกระทบตั้งฉาก และ I คือ ความเข้มเสียง มีหน่วยเป็นวัตต์ต่อตารางเมตร (w/m2)

โดยปกติแล้วเมื่อแหล่งกำเนิดเสียงส่งกำลังเสียงออกมากำลังเสียงก็จะแผ่กระจายออกไปรอบทิศทางเป็นพื้นที่ผิวทรงกลม ยิ่งห่างออกไปกำลังเสียงก็ลดลงเรื่อยๆ นั่นคือพลังงานเสียงที่ตำแหน่งใดๆ จึงต้องพิจารณาเทียบกับพื้นที่ผิวทรงกลมที่รองรับจากแหล่งกำเนิดเสียง จึงต้องพิจารณากำลังต่อพื้นที่ผิวทรงกลม จึงได้ว่า

เมื่อ I คือ ความเข้มเสียง  ณ ตำแหน่งต่างๆ, P คือ กำลังของแหล่งกำเนิดเสียง และ R คือระยะห่างระหว่างแหล่งกำเนิดเสียงกับตำแหน่งที่จะหาความเข้มเสียง

จากสมการความเข้มเสียง อาจสรุปได้ว่า ถ้าแหล่งกำเนิดเสียงมีกำลังเสียง P คงตัว

แสดงว่า ความเข้มเสียง ณ ตำแหน่งต่างๆ จะลดลง เมื่อตำแหน่งนั้นๆ อยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดเสียงมากขึ้น

รูปแสดงความเข้มเสียง ณ ตำแหน่งห่างจากแหล่งกำเนิดเป็นระยะต่างๆ

จากการทดลองพบว่าเสียงดังที่สุดที่หูคนสามารถได้ยินมีความเข้ม 1 วัตต์ต่อตารางเมตรและเสียงค่อยที่สุดมีความเข้ม 10-12 วัตต์ต่อตารางเมตร

ระดับความเข้มเสียง

ความเข้มเสียงเป็นปริมาณทางฟิสิกส์อย่างหนึ่งซึ่งใช้แสดงถึงระดับความดังของเสียง แต่เนื่องจากเสียงเบาที่สุดที่มนุษย์ได้ยินจะมีความเข้มเสียงเป็น   10-12 วัตต์ต่อตารางเมตร ส่วนเสียงดังที่สุดที่มนุษย์ทนฟังได้จะมีความเข้มเสียงเป็น 1 วัตต์ต่อตารางเมตร จะเห็นได้ว่าอัตราส่วนของเสียงที่ดังที่สุดต่อเสียงที่เบาที่สุดที่มนุษย์ได้ยินมีความกว้างถึง 1012 เท่า จึงไม่สะดวกในการจะบอกความดังของเสียงในรูปของความเข้มเสียง อีกทั้งความดังที่เรารู้สึกได้ไม่เป็นปฏิภาคโดยตรงกับความเข้มเสียง เช่น ความเข้มของเสียงเบาที่เพิ่มขึ้น 1000  เท่า ไม่ได้หมายถึงเสียงที่ดังขึ้น 1000 เท่า แต่กลับดังขึ้นเทียบเท่ากับเสีงคุยกันของคนสองคนเท่านั้น ดังนั้นเพื่อความสะดวกในทางปฏิบัติจึงนิยมใช้ ระดับความเข้มเสียง ในการบอกความดังของเสียงแทนความเข้มเสียง

โดยสามารถเขียนความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มเสียงและระดับความเข้มเสียง β ได้ดังนี้

เมื่อ  I0 คือ ความเข้มเสียงอ้างอิงที่มนุษย์เริ่มได้ยิน = 10-12 W/m2 
I  คือ  ความเข้มเสียงใดๆ ท่ีต้องการวัด
β คือ  ระดับความเข้มเสียงมีหน่วยวัดเป็นเดซิเบล (dB) 
ดังนั้น เสียงเบาที่สุดที่มนุษย์ปกติสามารถรับรู้ได้ คือ 0 dB 

ระดับความเข้มเสียงจากแหล่งกำเนิดต่างๆ

ตัวอย่าง
เครื่องจักรกลแบบเดียวกันสองเครื่องตั้งอยู่ห่างจากคนงานในระยะเท่ากัน ถ้าขณะเครื่องจักรกลทำงานมันจะส่งเสียงด้วยความเข้มเสียง 2 × 10-7 W/m2 จงหรระดับความเข้มเสียงเมื่อ
ก. เครื่องจักรกลทำงานเพียงหนึ่งเครื่อง
ข. เครื่องจักรกลทำงานพร้อมกันสองเครื่อง

การหาผลต่างของระดับความเข้มเสียง  β2 - β1 
กำหนดให้ ณ จุดที่มีความเข้มเสียง I1 จะมีระดับความเข้มเสียง β1 และ ณ จุดที่มีความเข้มเสียง I2 จะมีระดับความเข้มเสียง β2

มลภาวะทางเสียง

กระทั่งทุกวันนี้ปัญหาการต่อสู้ระหว่างชาวบ้านรอบๆ สนามบินสุวรรณภูมิและการท่าอากาศยานยังไม่มีที่สิ้นสุด ประเด็นหลักที่ชาวบ้านเรียกร้องคือค่าชดเชยจากมลภาวะทางเสียงจากสนามบินสุวรรณภูมิ อะไรคือมลภาวะทางเสียง??? ร่วมหาคำตอบด้วยกันครับ

มลภาวะทางเสียง (noise pollution) เสียงดัง (loud noise) หรือเสียงรบกวน (noise) หมายถึง สภาวะที่มีเสียงดังเกินปกติหรือเสียงดังต่อเนื่องยาวนานจนก่อให้เกิดความรำคาญหรือเกิดอันตรายต่อระบบการได้ยินของมนุษย์และหมายรวมถึงสภาพแวดล้อมที่มีเสียงสร้างความรบกวนทำให้เกิดความเครียดทั้งทางร่างกายและ จิตใจ ทำให้ตกใจหรือบาดหูได้

โดยสากลแล้วเสียงที่ถือว่าเป็นอันตรายต่อกลไกการได้ยินนั้น คือเสียงที่ดังตั้งแต่ 85 เดซิเบลขึ้นไปซึ่งความเสี่ยงของการสูญเสียการได้ยินจะขึ้นอยู่กับความดังของเสียง และระยะเวลาของการได้ยิน

เนื่องจากเสียงที่มีระดับความเข้มเสียงสูง เป็นอันตรายต่อผู้ฟังที่อยู่ใกล้ กระทรวงมหาดไทยจึงได้ออกประกาศเกี่ยวกับความปลอดภัยในการทำงานในบริเวณที่มีเสียงดัง โดยมีเกณฑ์ ดังนี้

ตารางประกาศกระทรวงมหาไทย เรื่องความปลอดภัยเกี่ยวกับเสียง

1) การได้ยิน: การสูญเสียการได้ยิน เสียงดังรบกวน เกิดเสียงหวีดก้องในหูหรือในสมอง
2) สุขภาพกาย: ความดันโลหิตสูง ใจสั่น หัวใจเต้นเร็ว มือเท้าเย็น การไหลเวียนกระแสโลหิตบกพร่อง จนถึงโรคหัวใจ
3) สุขภาพจิต: การรบกวนการพักผ่อน เกิดความเครียด และสภาวะตื่นตระหนก ซึ่งพัฒนาไปสู่อาการเจ็บป่วยเศร้าซึมและโรคจิตประสาทได้
4) สมาธิ ความคิด และการเรียนรู้: การรบกวนสมาธิ การคิดค้น วิเคราะห์ข้อมูล และการลดประสิทธิภาพการเรียนรู้ และการตั้งใจรับฟัง
5) ประสิทธิภาพและประสิทธิผลของการทำงาน: การรบกวนระบบและความต่อเนื่องของการทำงาน และทำให้งานล่าช้า ลดทั้งคุณภาพและปริมาณ
6) การติดต่อสื่อสาร: ขัดขวางการได้ยิน และทำให้ต้องตะโกนสื่อสารกัน ทำให้การสื่อสารบกพร่อง เกิดความเพี้ยนในการได้ยิน ในเด็กเล็กที่กำลังเรียนพูด จะถ่วงพัฒนาการในการฟัง การพูด และการออกเสียง ในผู้ใหญ่จะเป็นอุปสรรคต่อการรับฟังสัญญาณเตือนภัยอันอาจทำให้เกิดอุบัติเหตุและอันตราย
7) การกระตุ้นให้เกิดพฤติกรรมก้าวร้าว: เสียงดังเร้าอารมณ์ให้สร้างความรุนแรง ทำร้ายผู้อื่น
8) การเปลี่ยนแปลงทางวัฒนธรรม: กระตุ้นให้เกิดค่านิยมในความรุนแรง ไม่เคารพสิทธิในความสงบสุขของผู้อื่นและสังคมโดยรวม และการขาดมารยาทสังคมที่ดีงาม

การป้องกันมลภาวะทางเสียง
1. หมั่นสังเกตเสียงรอบตัวเป็นประจำ หากไม่สามารถพูดคุยด้วยระดับเสียงปกติในระยะห่าง 1 ช่วงแขนได้ แสดงว่า เสียงในสถานที่นั้นดังเกินไป
2. ควบคุมระดับเสียงโทรทัศน์ เครื่องเสียง และโทรศัพท์ไม่ให้ดังเกินไป
3. ไม่พูดโทรศัพท์หรือส่งเสียงดังรบกวนความสงบของผู้อื่นทั้งในบ้านและในที่สาธารณะ
4. ตรวจสภาพเครื่องยนต์ของยานพาหนะให้อยู่ในสภาพดีอยู่เสมอ ไม่ปรับแต่งท่อไอเสียให้เกิดเสียงดัง กดแตรเมื่อฉุกเฉินและจำเป็นเท่านั้นและลดความเร็ว เมื่อขับขี่ยานพาหนะผ่านย่านที่พักอาศัย โรงเรียน ศาสนสถาน โรงพยาบาลสวนสาธารณะ หรือชุมชน
5. แจ้งเพื่อนบ้านล่วงหน้าหากต้องซ่อมแซม ต่อเติมบ้าน หรือทำกิจกรรมที่มีเสียงดังรบกวน
6. หลีกเลี่ยงสถานที่ที่มีเสียงดัง
7. ช่วยกันดูแลสถานที่ทำงานและสถานที่สาธารณะ ได้แก่ โรงเรียนศาสนสถาน โรงพยาบาล และสวนสาธารณะ รวมถึงผู้ประกอบการศูนย์การค้า โรงภาพยนต์ ร้านอาหาร และสถานบันเทิง ให้ควบคุมระดับเสียงไม่ให้ดังเกินควร
8. ตรวจความสามารถการได้ยินเป็นประจำทุกปี
9. เผยแพร่ความรู้เกี่ยวกับการต้านภัยเสียงแก่เพื่อนและญาติ
10. ร้องเรียนเหตุเสียงดังที่ โทร. 1555 (กทม.) หรือ โทร. 1650 (คพ.)

คลื่นเสียงที่เดินทางมาเข้าหูเรานั้น จะสูง-ต่ำ ดัง-ค่อย หรือไพเราะเพียงใดนั้น ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบใดบ้าง และเราเข้าใจเสียงนั้นได้อย่างไร หูมีความสำคัญอย่างไรต่อการได้ยินเสียงของเรา ลองมาตั้งใจฟัง"เสียง"จากตัวอักษรต่อไปนี้ดูครับ

คลื่นเสียงเกิดจากการอัดและขยายของตัวกลาง การอัดขยายนี้จะส่งต่อ ๆ กันไป จนถึงหูของผู้ฟังแล้วส่งต่อไปยังสมองในรูปของระดับเสียง ความดัง และคุณภาพของเสียง โดยปกติหูคนเราไวต่อการรับรู้เสียงที่มีความถี่สูงมากกว่าเสียงที่มีความถี่ต่ำเมื่อเสียงนั้นมีระดับความเข้มเสียงเท่ากัน นอกจากนี้ความไวต่อการรับรู้เสียงของคนเรายังขึ้นอยู่กับอายุ โดยพบว่าเด็กมีความรู้สึกไว ต่อช่วงความถี่สูงมากกว่าผู้ใหญ่ความไวต่อการได้ยินเสียงของคนจะลดลงเมื่ออายุมากขึ้น นอกจากนี้ยังพบว่าความไวต่อการ ได้ยินเสียง จะลดลงด้วยสาเหตุอื่น ๆ อีกเช่น การได้รับฟังเสียงดังมากเกินไปเป็นระยะเวลานาน ๆ หรือจากการใช้ยาบางชนิด

รูปแสดงส่วนประกอบของหู

หูของ คนเราประกอบด้วย 3 ส่วน ได้แก่ หูชั้นนอก ประกอบด้วยใบหูซึ่งจะทำหน้าที่รับคลื่นเสียงและ ส่งผ่านไปตามช่องหูจนถึงชั้นเยื่อแก้วหูซึ่งกั้นระหว่างหูชั้นนอกและหูชั้น กลาง ส่วนที่สองคือ หูชั้นกลาง มีลักษณะเป็นโพรงอากาศที่ถูกแยกออกจากหูชั้นนอกด้วยเยื่อแก้วหูที่แปะติดกับ กระดูก 3 ชิ้นเล็กๆที่เรียงต่อกันเป็นโซ่ คือ ค้อน ทั่ง และโกลน ทำหน้าที่รับแรงสั่นสะเทือนและขยายเสียงต่อจากเยื่อแก้วหูแล้วส่งต่อไปยังหู ชั้นใน นอกจากนี้ที่หูชั้นกลางยังมีท่อยูสเตเชี่ยนที่ต่อไปยังส่วนบนของคอที่ต่อกับ โพรงจมูก ทำหน้าที่ระบายอากาศภายในหูชั้นกลาง ส่วนที่สามคือ หูชั้นใน ประกอบด้วยอวัยวะ 2 ส่วน คือ ส่วนที่ทำหน้าที่เกี่ยวกับการได้ยิน เป็นอวัยวะรูปหอย ภายในมีของเหลวและเซลขนที่ทำหน้าที่รับเสียงจากกระดูกโกลนในหูชั้นกลางแล้ว แปลงเป็นสัญญาณประสาทส่งไปยังประสาทหู (ประสาทสมองคู่ที่ 8) ซึ่งทำหน้าที่ส่งสัญญาณประสาทไปยังสมองเพื่อแปลความหมายของคลื่นเสียง และส่วนที่ทำหน้าที่ควบคุมการทรงตัว

เนื่องจากเสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุที่เป็นต้นกำเนิดเสียง และในการทำให้วัตถุสั่นต้องใช้พลังงาน "ถ้าพลังงานที่ใช้มีค่ามาก แอมพลิจูดของการสั่นจะมีค่ามาก แต่ถ้าพลังงานที่ใช้มีค่าน้อย แอมพลิจูดของการสั่นจะมีค่าน้อย" พลังงานในการสั่นของต้นกำเนิดเสียงจะถ่ายโอนให้กับอนุภาคของอากาศต่อกันเป็นทอดๆ มายังหูผู้ฟัง ทำให้แก้วหูเกิดการสั่น ผู้ฟังจึงรับรู้เสียงนั้น

การได้ยินครั้งหนึ่งๆ จะต้องมีองค์ประกอบสำคัญ 3 ประการ ตือ ต้นกำเนิดเสียง ตัวกลางและประสาทรับเสียงในหู ขณะได้ยินเสียงหนึ่งๆ ความรู้สึกในการได้ยินของมนุษย์โดยทั่วไป แยกออกเป็นลักษณะต่างๆ ดังนี้

1.ความรู้สึกดัง-ค่อยของเสียงขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดของคลื่นและความเข้มเสียง

2.ความรู้สึกทุ้ม-แหลมของเสียงขึ้นอยู่กับความถี่ของเสียง

3.ความไพเราะของเสียงขึ้นอยู่กับคุณภาพเสียง

ความถี่ธรรมชาติของเสียง

ในองค์ความรู้ที่ผ่านๆมา เราได้กล่าวแล้วว่าเสียงนั้นเกิดจากการสั่นของวัตถุ เมื่อวัตถุสั่นก็จะส่งผ่านพลังงานไปสู่ตัวกลาง โดยวัตถุที่สั่นนั้ันอาจจะเป็นเส้นเสียงในลำคอของคนหรือสัตว์ สายกีตาร์หรือสายไวโอลิน ส้อมเสียง หรือแผ่น diaphragm ของลำโพง ฯลฯ จะเห็นได้ว่าวัตถุที่สั่นแทบทุกชนิดนั้นสามารถทำให้เกิดเสียง ต่างกันเพียงแต่ว่าเสียงใดจะถูกจัดเป็นเสียงดนตรีหรือเป็นแค่เสียงรบกวน (noise) ซึ่งจะขึ้นอยู่กับคุณภาพของคลื่นเสียงที่ถูกสร้างขึ้นมานั่นเอง

ดังที่กล่าวมาแล้ว วัตถุแทบทุกชนิดจะสั่นเมื่อถูกรบกวนด้วยวิธีการใดการหนึ่ง เช่น ถูกตี ถูกดีด เป็นต้น หรือแม้กระทั่งคุณทำดินสอหล่นลงพื้น ดินสอก็จะสั่นเช่นเดียวกัน ซึ่งเมื่อวัตถุใดๆสั่นนั้นมักจะมีแนวโน้มที่จะสั่นด้วยความถี่เฉพาะหรือชุดของความถี่เฉพาะค่าหนึ่ง ความถี่หรือชุดความถี่ดังกล่าวนั้นเรียกว่า "ความถี่ธรรมชาติ (natural frequency)" ของวัตถุ ยทั่วไปแล้วคนเราจะสามารถได้ยินเสียงจากการสั่นของวัตถุด้วยความถี่ธรรมชาติ ก็ต่อเมื่อเสียงที่เกิดขึ้นนั้นมีแอมพลิจูดมากพออีกทั้งความถี่ของเสียงต้องอยู่ในย่านความถี่ที่หูมนุษย์สามารถได้ยิน (20-20,000 Hz)

เสียงที่เกิดจากสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติของวัตถุนั้นจะมีคุณภาพดีหรือไม่ ขึ้นอยู่กับการสั่นของวัตถุนั้นๆ วัตถุบางชนิดสั่นด้วยความถี่เพียงค่าเดียว เช่น เสียงจากฟลุต (flute)

รูปฟลุต ในขณะที่วัตถุบางชนิดสั่นและสร้างคลื่นเสียงที่ซับซ้อนมากขึ้น โดยเสียงที่เกิดขึ้นนั้นจะมีความถี่หลายค่าหรือเรียกว่าเป็นชุดของความถี่ แต่ชุดของความถี่ของเสียงนั้นมีความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ระหว่างความถี่ค่าต่างๆในชุด เช่น เสียงจากเครื่องดนตรีที่เรียกว่า ทูบา (tuba)

รูป ทูบา ส่วนวัตถุที่สั่นด้วยชุดของความถี่ท่ไม่มีความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ใดๆ นั้น จัดได้ว่าเป็นเสียงรบกวน (noise) เช่น เสียงที่เกิดจากการตกของดินสอ ซึ่งประกอบด้วยความถี่หลายค่าแต่ความถี่เหล่านั้นไม่มีความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ใดๆ ต่อกัน ความถี่ของเสียงที่เกิดจากฟลุต ทูบา และดินสอตก สามารถแสดงได้ดังนี้

ความถี่ธรรมชาติของเสียงนั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัตถุต้นกำเนิดเสียง ตัวอย่างเช่น เครื่องดนตรีอย่างทรอมโบน (trombone) ซึ่งมีลักษณะเป็นท่อทรงกระบอกที่สามารถปรับเปลี่ยนความยาวได้ ความยาวที่ต่างไปจะสร้างเสียงที่มีความถี่ต่างกัน

รูป ทรอมโบน ความถี่เสียงที่เปลี่ยนไปดังกล่าวนั้น เกิดจากความยาวของท่ออากาศที่เปลี่ยนไปซึ่งจะส่งผลต่อความยาวคลื่นและความถี่เสียงที่ออกมา (เนื้อหาส่วนนี้จะกล่าวโดยละเอียดอีกครั้งในองค์ความรู้การสั่นพ้องของเสียง)

สำหรับผู้ที่สนใจและอยากทำการทดลองง่ายๆเพื่อศึกษาความถี่ธรรมชาติของเสียงสามารถทดลองได้จาก การทดลองเป่าขวดน้ำซึ่งใส่น้ำไว้บางส่วน หรือการใช้นิ้วมือถูวนรอบปากแก้วซึ่งมีน้ำอยู่บางส่วน

หากอยากตั้งวงดนตรีด้วยอุปกรณ์เหล่านี้ก็ลองเปลี่ยนปริมาณน้ำในขวดหรือแก้วดูนะครับ และร่วมเล่นพร้อมกันหลายๆคน แล้วก็จะพบว่าความถี่ธรรมชาติของเสียงนั้นน่าสนใจและไพเราะเพียงใด เรียบเรียงจาก : http://www.physicsclassroom.com

คลื่นนิ่งของเสียง

เสียงสามารถมีปรากฎการณ์คลื่นนิ่งได้เหมือนคลื่นทั่วๆไป เช่น คลื่นนิ่งของน้ำ หรือคลื่นนิ่งของคลื่นในเส้นเชือกคลื่นนิ่งของคลื่นเสียงก็เกิดจากคลื่นเสียง 2 คลื่น ซึ่งมีความถี่ ความยาวคลื่นและแอมพลิจูดเท่ากัน เคลื่อนที่สวนทางกันในแนวเส้นตรงเดียวกัน แล้วมาซ้อนทับกันเช่น อาจเกิดจากลำโพง 2 ตัว ที่ให้เสียงที่มีความถี่เท่ากัน หันหน้าเข้าหากัน หรือลำโพงเสียงตัวเดียว หันหน้าเข้าหากำแพงแล้วส่งเสียงออกไปสะท้อนที่กำแพง คลื่นความดันของคลื่นเสียงทั้งสองจะเกิดการรวมกันเป็นคลื่นความดันลัพธ์ได้ตำแหน่งเสียงดัง(ปฏิบัพ) และเสียงค่อย(บัพ) สลับกันไปโดยระยะห่างระหว่างปฏิบัพที่ติดกันหรือบัพที่ติดกันเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น (λ/2) และระยะห่างระหว่างปฏิบัพและบัพที่ติดกันมีค่า (λ/4)

รูปแสดง คลื่นนิ่งของความดันอากาศ ในขณะเกิดคลื่นนิ่งของเสียง ปฏิบัพ เป็นตำแหน่งที่ความดันอากาศมีค่าเปลี่ยนแปลงด้วยแอมพลิจูดสูงสุด เรียกตำแหน่งนี้ว่าปฏิบัพของความดัน(pressure antinode) ส่วนบัพเป็นตำแหน่งที่ความดันอากาศมีการเปลี่ยนแปลงด้วยแอมพลิจูดที่เป็นศูนย์พอดี เรียกตำแหน่งนี้ว่าบัพของความดัน(pressure node)

ตัวอย่างลำโพงเสียงอันหนึ่งหันหน้าเข้าหากำแพงห่างจากกำแพงระยะหนึ่ง ให้สัญญาณเสียงซึ่งมีความถี่ 340 Hz ชายคนหนึ่งอยู่ระหว่างกำแพงกับลำโพง เมื่อลองออกเดินเข้าหากำแพงอย่างช้าๆ พบว่าจะได้ยินเสียงดังค่อยสลับกันไป จงหาว่าจากจุดที่ได้ยินเสียงดังที่สุด เขาต้องเดินต่อไปเป็นระยะทางเท่าใดจึงจะได้ยินเสียงค่อยที่สุด เมื่ออัตราเร็วเสียงในอากาศเป็น 340 m/s

การสั่นพ้องของเสียง

วี๊ดดดดดด.....วิ้วววววว...... เสียงชายหนุ่มผิวปากเพื่อแซวและเรียกความสนใจจากสาวๆที่เดินผ่าน หวังว่าหลายๆคนคงคุ้นเคยกับภาพตามประโยคที่กล่าวมานะครับ และตัดมาภาพต่อไปคือภาพสาวเจ้าเขินอาย หน้าแดง อมยิ้ม แล้วก็รีบเดินผ่านไป หรือถ้าเจอสาวห้าวๆ อย่างลูกสาวกำนัลก็จะถูกสวนกลับด้วยประโยคเจ็บๆ แบบว่า "เป่าปากหา...........เหรอ? (อันนี้ รักคำไหนชอบคำไหนก็เติมกันเอาเองนะครับ) อ๊ะๆ ก่อนจะนอกเรื่องไปไกล ใครเคยสงสัยมั้ยครับว่า เสียง "วี๊ดดดดด วิ้ววววววว" นั้น เกิดขึ้นได้อย่างไร??

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

ภาพแสดงการส่งคลื่นเสียงเข้าในท่อเรโซแนนซ์

การเกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอดที่มีความยาวคงที่

ถ้าเราส่งคลื่นเสียงจากลำโพงเข้าไปทางปากหลอด คลื่นเสียงจะสะท้อนที่ปากหลอดทั้งสองกลับไปกลับมาแล้วเกิดการแทรกสอดกัน ทำให้เกิดคลื่นนิ่ง เมื่อปรับความถี่ของคลื่นเสียงให้มีค่าพอเหมาะจะเกิดคลื่นนิ่งที่มีแอมพลิจูดเพิ่มมากขึ้น และถ้าที่ปากหลอด เป็นตำแหน่งของปฏิบัพของคลื่นพอดี เราจะได้ยินเสียงออกมาจากหลอดดังที่สุด แสดงว่าเกิดการสั่นพ้องของเสียง โดยความถี่ของคลื่นนิ่งที่ทำให้เกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอด มีได้หลายค่าดังนี้

1. ความถี่มูลฐาน (Fundamental) คือ ความถี่ต่ำสุดของคลื่นนิ่งในหลอด ซึ่งมีความยาวคลื่นมากที่สุด แล้วทำให้เกิดการสั่นพ้องของเสียง

2. โอเวอร์โทน (Overtone) คือ ความถี่ของคลื่นนิ่งที่ถัดจากความถี่มูลฐานแล้วทำให้เกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอดนั้นได้ มีค่าเป็นขั้นๆ

3. ฮาร์โมนิค (Harmonic) คือ ตัวเลขที่บอกว่าความถี่นั้นเป็นกี่เท่าของความถี่มูลฐาน

1. การเกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอดปลายเปิด

หลอดปลายเปิด เป็นหลอดที่ปลายทั้งสองข้างเปิดสู่อากาศ คลื่นเสียงที่สะท้อนบริเวณปากหลอดทั้งสองข้าง โมเลกุลของอากาศเคลื่อนที่ได้โดยอิสระจะเป็นตำแหน่งปฏิบัพของคลื่น ดังนั้นถ้าท่อยาว L

ภาพแสดง การเกิดคลื่นนิ่งในท่อปลายเปิดทั้งสองข้าง ยาว L

2. การเกิดการสั่นพ้องอขงเสียงในหลอดปลายปิด

หลอดปลายปิด เป็นหลอดที่ปลายข้างหนึ่งปิด ปลายอีกช้างหนึ่งเปิด เมื่อให้คลื่นเสียงเข้าทางปากหลอดด้านเปิด คลื่นเสียงจะเข้าไปสะท้อนที่ด้านปิดโดยมีเฟสเปลี่ยนไป 180 องศา ดังนั้นที่ตำแหน่งผิวระนาบของด้านปิดจะเป็นตำแหน่งของบัพ ส่วนบริเวณปากหลอดด้านเปิด โมเลกุลของอากาศสั่นได้โดยอิสระจะเป็นตำแหน่งปฏิบัพของคลื่นนิ่งขณะเกิดการสั่นพ้อง ดังนั้นถ้าท่อยาว L

ภาพแสดง การเกิดคลื่นนิ่งในท่อปลายปิด ยาว L

แล้วอย่างนี้ เสียงวี๊ดดดด วิ้วววววว จากการผิวปาก จะเป็นท่อปลายเปิดหรือปลายปิดกันนะ เอ๊ะ... น่าคิดๆ 

การทดลองเรื่องการสั่นพ้องของเสียง

อุปกรณ์ที่ใช้สำหรับทดอลองเรื่องการสั่นพ้องของเสียงนั้น อาจมีได้หลายลักษณะ เช่น ชุดทดลองซึ่งประกอบด้วยหลอดเรโซแนนซ์ซึ่งปรับความยาวได้ ลำโพง และออสซิโลสโคป ดังรูป

ภาพแสดงชุดทดลองเรื่องการสั่นพ้อง 

หรืออาจเป็นเพียงท่อใส่น้ำ ท่อพีวีซี และส้อมเสียง ดังรูป

ภาพแสดงชุดทดลองเรื่องการสั่นพ้อง 

การเกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอดเรโซแนนซ์ หรือหลอดที่ปรับความยาวได้มีหลักการดังนี้

การเกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอดเรโซแนนซ์หรือหลอดที่ปรับความยาวได้ ทำได้โดยส่งคลื่นเสียงความถี่ค่าหนึ่งเข้าไปทางปากหลอดที่สามารถปรับความยาวของลำอากาศภายในหลอดได้ ทำให้เกิดคลื่นนิ่งภายในหลอดโดยเมื่อปรับความยาวของลำอากาศหรือความยาวของหลอดให้เหมาะสมจนเกิดเสียงดังมากกว่าปกติออกมาจากหลอดนี้ แสดงว่าขณะนั้นเกิดการสั่นพ้องของเสียง

ถ้าหลอดที่ใช้ภายในมีลูกสอูบที่สามารถเลื่อนเข้า-ออกได้ เพื่อใช้ปรับความยาวของหลอดหรือลำอากาศภายในหลอด ขณะเกิดการสั่นพ้องของเสียง ตำแหน่งที่ผิวลูกสูบภาบในหลอดจะเป็นตำแหน่งบัพของคลื่น และบริเวณปากหลอดเป็นตำแหน่งปฏิบัพของคลื่น พบว่าความยาวของหลอดหรือลำอากาศเป็น L1, L2, L3ดังรูป

ภาพแสดงการเกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอดเรโซแนนซ์

เมื่อ L1คือ ความยาวของลำอากาศที่น้อยที่สุดที่ก่อให้เกิดการสั่นพ้องของเสียง
เมื่อ L2คือ ความยาวของลำอากาศที่เกิดการสั่นพ้องของเสียงครั้งที่ 2
เมื่อ L3คือ ความยาวของลำอากาศที่เกิดการสั่นพ้องของเสียงครั้งที่ 3 
เช่นเดียวกับกรณีใช้ท่อพีวีซีจุ่มในน้ำเพื่อปรับความยาว คลื่นนิ่งที่เกิดขึ้นมีลักษณะ ดังรูป

ภาพแสดงการเกิดการสั่นพ้องของเสียงในหลอดซึ่งปรับความยาวได้

การประยุกต์ใช้ความรู้เรื่องการสั่นพ้องของเสียง

หลังจากได้ศึกษาทฤษฎีเกี่ยวกับการสั่นพ้องของเสียงกันไป หลายๆคนคงมีคำถามว่านอกจากนั่งคำนวณหาความถี่และความยาวคลื่นแล้ว ความรู้เรื่องการสั่นพ้องจะนำไปใช้ประโยชน์ได้อย่างไร วันนี้ผมมีตัวอย่างมาฝากกันครับ

ขอบคุณข้อมูลดีๆ จากสถาบันนวัตกรรมและพัฒนากระบวนการเรียนรู้ มหาวิทยาลัยมหิดล ไว้ ณ โอกาสนี้ด้วยครับ
ที่มา : http://www.il.mahidol.ac.th 

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์

..วี๊...หว่อ...วี๊...หว่อ... เสียงหวูดรถพยาบาลยังมาแต่ไกล แต่เคยสังเกตลักษณะของเสียงที่เกิดขึ้นกันมั้ยครับว่า เสียงนั้นมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร???

หากเราลองสังเกตเสียงหวูดของรถพยาบาลจะพบว่า ขณะที่รถพยาบาลกำลังวิ่งเข้าหาเราจะทำให้เรารู้สึกได้ยินเสียงแหลมกว่าปกติ แต่เมื่อรถวิ่งผ่านเราไปจะทำให้เรารู้สึกว่าได้ยินเสียงทุ้มต่ำกว่าตอนแรก การที่เราได้ยินเสียงที่มีระดับเสียงเปลี่ยนไปเช่นนี้ เป็นตัวอย่างของการเกิดปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียงนั่นเอง

รูปแสดงปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียง 

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (อังกฤษ: Doppler Effect) หรือบางครั้งเรียกว่า การเคลื่อนดอปเพลอร์ (อังกฤษ: Doppler shift) เป็นปรากฏการณ์ทางวิทยาศาสตร์อย่างหนึ่งที่ตั้งชื่อตามคริสเตียน ดอปเพลอร์เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความถี่ของคลื่นและความยาวคลื่นในมุมมองของผู้สังเกตเมื่อมีการเคลื่อนที่ที่สัมพันธ์กับแหล่งกำเนิดคลื่นนั้น พบเห็นได้ทั่วไปในชีวิตประจำวันเช่น เมื่อมีรถพยาบาลส่งสัญญาณไซเรนเคลื่อนเข้าใกล้ ผ่านตัวเรา และวิ่งห่างออกไป คลื่นเสียงที่เราได้ยินจะมีความถี่สูงขึ้น (กว่าคลื่นที่ส่งออกมาตามปกติ) ขณะที่รถเคลื่อนเข้ามาหา คลื่นเสียงมีลักษณะปกติขณะที่รถผ่านตัว และจะมีความถี่ลดลงเมื่อรถวิ่งห่างออกไป หรืออาจกล่าวได้ว่าปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียง เป็นปรากฏการณ์ที่ผู้สังเกตได้ยินเสียงมีระดับเสียงหรือความถี่ของเสียง เปลี่ยนไปจากความถี่เดิมของเสียงที่ออกมาจากแหล่งกำเนิดเสียงที่ส่งออกมาอัน เนื่องมาจากความเร็วสัมพัทธ์ระหว่างผู้สังเกตกับแหล่งกำเนิดไม่เท่ากับศูนย์

ความเร็วสัมพัทธ์

ความเร็วสัมพัทธ์ คือ ความเร็วเปรียบเทียบระหว่างความเร็ว 2 ความเร็ว ความเร็วหนึ่งเป็นความเร็วของสิ่งที่ต้องการสังเกต และอีกหนึ่งเป็นความเร็วของผู้สังเกต การหาความเร็วสัมพัทธ์อย่างง่าย สามารถพิจารณาได้ ดังนี้ เมื่อผู้สังเกตและสิ่งที่ถูกสังเกตเคลื่อนที่อยู่ในแนวเส้นตรง การหาความเร็วสัมพัทธ์ให้กลับทิศความเร็วของผู้สังเกต แล้วนำความเร็วที่กลับทิศไปบวกกับความเร็วของสิ่งที่ถูกสังเกต ซึ่งสามารถแบ่งได้ดังนี้

1.ผู้สังเกตและสิ่งที่ถูกสังเกตเคลื่อนที่ไปทางเดียวกัน

เมื่อ (1) เป็นผู้สังเกต และ (2) เป็นผู้ถูกสังเกตอ21เป็นความเร็วของ (2) เทียบกับ (1) จะได้ว่า
21= 2- 1
เช่น
1) ถ้า 1= 20 m/s และ 2= 20 m/s เท่ากัน ความเร็วสัมพัทธ์ของ (2) เทียบกับ (1) หรือ 21= 20 - 20 = 0 หรือแปลว่า (1) จะเห็น (2) หยุดนิ่งเมื่อเทียบกับเขา
2)ถ้า 1= 20 m/s และ 2=30 m/s ความเร็วสัมพัทธ์ของ (2) เทียบกับ (1) หรือ 21= 30 - 20 = 10 m/s หรือแปลว่า (1) จะเห็น (2) มีความเร็ว 10 m/s เทียบกับเขา
3)ถ้า 1= 20 m/s และ 2= 10 m/s ความเร็วสัมพัทธ์ของ (2) เทียบกับ (1) หรือ 21= 10 - 20 = -10 m/s หรือแปลว่า (1) จะเห็น (2)มีความเร็ว 10 m/s เคลื่อนที่สวนทางกับเขา

2.ผู้สังเกตและสิ่งที่ถูกสังเกตเคลื่อนที่สวนทางกัน

เมื่อ (1) เป็นผู้สังเกต และ (2) เป็นผู้ถูกสังเกตอ21เป็นความเร็วของ (2) เทียบกับ (1) จะได้ว่า
21= 2- 1

ถ้า 1= 20 m/s และ 2= 20 m/s เท่ากัน ความเร็วสัมพัทธ์ของ (2) เทียบกับ (1) หรือ 21= 20 - (-20) = 40 m/s หรือแปลว่า (1) จะเห็น (2) เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 40 m/s สวนทางไป

เมื่อพิจารณาแหล่งกำเนิดคลื่นเสียง ซึ่งอยู่นิ่ง และเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ลักษณะคลื่นเสียงที่แผ่ออกมาเป็นดังรูป

รูปแสดง ลักษณะคลื่นเสียงจากแหล่งกำเนิดที่อยู่นิ่ง (a) และเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ (b)

รูปแสดง ภาพถ่ายคลื่นน้ำซึ่งเกิดจากแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ เเมื่อแหล่งกำเนิดคลื่น (s) เคลื่อนที่ แล้วแผ่คลื่นออกมาอย่างสม่ำเสมอ เมื่อพิจารณาหน้าคลื่นที่ถูกแผ่ออกมา พบว่า ทางด้านหน้าแหล่งกำเนิดความยาวคลื่นสั้นกว่าความยาวคลื่นที่ถูกส่งออกมาเมื่อแหล่งกำเนิดอยู่นิ่ง ส่วนทางด้านหลังแหล่งกำเนิดความยาวคลื่นจะยาวกว่าความยาวคลื่นที่ถูกส่งออกมาเมื่อแหล่งกำเนิดอยู่นิ่ง

ความยาวคลื่นในปรากฏการณ์ดอปเพลอร์

ในขณะที่หงษ์กำลังว่ายน้ำ ลองสังเกตคลื่นน้ำที่เกิดขึ้นรอบๆตัวหงษ์นะครับ หน้าคลื่นน้ำบริเวณด้านหน้าตัวหงษ์ ด้านข้าง และด้านหลัง แตกต่างกันหรือไม่ อย่างไร??? 

เมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่พร้อมๆกับแผ่คลื่นออกมาอย่างสม่ำเสมอ จะทำให้ทางด้านหน้าแหล่งกำเนิดความยาวคลื่นสั้นลง ในขณะที่ความยาวคลื่นทางด้านหลังนั้นยาวเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับกรณีที่แหล่งกำเนิดหนุดนิ่ง  ในองค์ความรู้นี้ เราจะมาศึกษากันว่า เราจะคำนวณหาความยาวคลื่นที่เปลี่ยนไปนี้ได้อย่างไร 

การหาความยาวคลื่นด้านหน้าและด้านหลังแหล่งกำเนิด

เมื่อ แหล่งกำเนิดคลื่นเสียงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว ลักษณะของหน้าคลื่นทางด้านหน้า (ขวามือ) และด้านหลังแหล่งกำเนิดเสียง (ซ้ายมือ) ดังรูป จะเห็นว่า ระยะห่างระหว่างหน้าคลื่นทางด้านหน้าน้อยลงกว่าปกติ ส่วนทางด้านหลังมีค่ามากกว่าปกติ หาความสัมพันธ์ของความยาวคลื่นกับอัตราเร็วของแหล่งกำเนิดคลื่นเสียง ได้ดังนี้

รูปแสดงลักษณะหน้าคลื่นเมื่อแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่

กำหนดให้
u   คือ  อัตราเร็วของคลื่นเสียง
vo คือ  อัตราเร็วของผู้สังเกต
vs คือ  อัตราเร็วของแหล่งกำเนิดเสียง
fo คือ  ความถี่คลื่นเสียงที่ปรากฏต่อผู้สังเกต
fs คือ  ความถี่คลื่นเสียงจากแหล่งกำเนิด
λ1 คือ  ความยาวคลื่นเสียงด้านหน้าแหล่งกำเนิดเสียง
λ2 คือ  ความยาวคลื่นเสียงด้านหลังแหล่งกำเนิดเสียง
จากรูป  พิจารณาปรากฏการณ์ดอปเพลอร์เฉพาะ  vo และ  vs อยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกัน  โดยแหล่งกำเนิดเสียงและผู้สังเกตเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงตัว  ถ้าผู้สังเกตอยู่ทางซ้ายกำลังเคลื่อนที่เข้าหา  เมื่อ เวลา  t  =  0   แหล่งกำเนิดเสียง  S อยู่ที่  a  และเมื่อเวลา  t  =  t  จะเคลื่อนที่ไปอยู่ที่ b วงกลมวงนอกสุดแสดงหน้าคลื่นที่ส่งออกมาจาก แหล่งกำเนิดเสียงในช่วงเวลา  t  คลื่นเสียงเคลื่อนที่ได้ระยะทาง  ut  ( มีค่าเท่ากับรัศมีของวงกลมวงนอก )  ดังนั้น 

bd  =  ad - ab   =   ut - vst   =  ( u - vs ) t                      ( 1 )
cb  =  ca + ab  =   ut + vst   =  ( u + vs ) t                     ( 2 )
ในช่วงเวลา  t  วินาที  แหล่งกำเนิดคลื่นส่งคลื่นเสียงออกมาจำนวน  fst  ลูกคลื่น   ดังนั้นความยาวคลื่นด้านหน้าและด้านหลังแหล่งกำเนิดคลื่นหาได้ดังนี้

ความยาวคลื่นด้านหน้าแหล่งกำเนิด

ความยาวคลื่นด้านหน้า = ระยะทางด้านหน้าแหล่งกำเนิดเสียง / จำนวนคลื่นทั้งหมดที่เกิดขึ้น

ความยาวคลื่นด้านหลังแหล่งกำเนิด

ความยาวคลื่นด้านหลัง = ระยะทางด้านหลังแหล่งกำเนิดเสียง / จำนวนคลื่นทั้งหมดที่เกิดขึ้น

ความยาวคลื่น เสียงด้านหน้าและด้านหลังแหล่งกำเนิดคลื่นเสียงจะมีค่ามากหรือน้อยกว่าปกติ ทั้งนี้ไม่เกี่ยวข้องกับอัตราเร็วของผู้สังเกต ส่วนด้านข้างแหล่งกำเนิดเสียงคลื่นเสียงความยาวคลื่นที่ถูกส่งออกมาจะเท่ากับความยาวคลื่นที่ถูกส่งออกมาเมื่อแหล่ง กำเนิดเสียงอยู่นิ่ง เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงหรือผู้สังเกตเคลื่อนที่  หรือทั้งแหล่งกำเนิดเสียงและผู้สังเกตเคลื่อนที่พร้อมกันความถี่เสียงที่ปรากฏแก่ผู้สังเกตจะเปลี่ยนไป กล่าวคือ แหล่งกำเนิดเสียงและผู้สังเกตมีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ต่อกันโดยใช้ทิศทางของอัตราเร็วเสียงเป็นหลัก ถ้าอัตราเร็วเสียงกับผู้สังเกตเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน ขนาดความเร็วสัมพัทธ์เท่ากับผลต่างของความเร็วทั้งสอง แต่ถ้าปริมาณทั้งสองสวนทางกัน ขนาดความเร็วสัมพัทธ์เท่ากับผลบวกของปริมาณทั้งสอง

ตัวอย่าง
รถพยาบาลเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 20 m/s แล้วเปิดไซเรนซึ่งมีความถี่ 1000 Hz ออกมาตลอดเวลา ถ้าขณะนั้นอัตราเร็วของเสียงในอากาศเป็น 340 m/s จงหาความยาวคลื่นเสียงบริเวณด้านหน้า ด้านหลัง และด้านข้างรถพยาบาลนี้

กลับไปที่เนื้อหา

---

ความถี่ของคลื่นเสียงในปรากฏการณ์ดอปเพลอร์

เมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่พร้อมๆกับแผ่คลื่นออกมาอย่างสม่ำเสมอ จะทำให้ทางด้านหน้าแหล่งกำเนิดความยาวคลื่นสั้นลง ในขณะที่ความยาวคลื่นทางด้านหลังนั้นยาวเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับกรณีที่แหล่งกำเนิดหนุดนิ่ง และเมื่อความยาวคลื่นเปลี่ยนแปลงย่อมส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงความถี่ของคลื่นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้  ในองค์ความรู้นี้ เราจะมาศึกษากันว่า เราจะคำนวณหาความถี่ของคลื่นที่เปลี่ยนไปนี้ได้อย่างไร

รูปแสดงลักษณะหน้าคลื่นในปรากฏการณ์ดอปเพลอร์

กำหนดให้  L  คือ  เป็นผู้ฟังหรือผู้สังเกต
 fL คือ  ความถี่ของคลื่นเสียงที่ผู้ฟัง (L) ได้รับ
 v  คือ  ความเร็วของคลื่นเสียง
 vs คือ   ความเร็วของแหล่งกำเนิดเสียง  
 vL คือ   ความเร็วของผู้สังเกต

เราสามารถแบ่งการพิจารณาความถี่จากปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ได้เป็น 3 กรณี ได้แก่

1. เมื่อผู้สังเกตหยุดนิ่ง-แหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่

รูปแสดงความถี่ปรากฏกรณีผู้สังเกตหยุดนิ่ง-แหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่

1.1 ผู้สังเกตที่อยู่ด้านหน้าได้รับเสียงความถี่สูงกว่าความถี่แหล่งกำเนิด คือ

1.2 ผู้สังเกตที่อยู่ด้านหลังได้รับความถี่ต่ำกว่าความถี่แหล่งกำเนิด คือ

2. ผู้สังเกตเคลื่อนที่-แหล่งกำเนิดอยู่นิ่ง

2.1 ผู้สังเกตวิ่งเข้าหาแหล่งกำเนิดจะทำให้รับคลื่นได้เป็นจำนวนมากกว่าเมื่อผู้สังเกตอยู่นิ่ง คือ

2.2 ผู้สังเกตเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดจะทำให้รับคลื่นได้เป็นจำนวนน้อยกว่าเมื่อผู้สังเกตอยู่นิ่ง คือ

3. ผู้สังเกตเคลื่อนที่-แหล่งกำเนิดเคลื่อนที่

3.1 ผู้สังเกตและแหล่งกำเนิดวิ่งเข้าหากันจะทำให้รับคลื่นได้เป็นจำนวนมากกว่าเมื่ออยู่นิ่ง คือ

3.4 ผู้สังเกตวิ่งไล่และแหล่งกำเนิดวิ่งหนีออกจากกันจะทำให้รับคลื่นได้เป็นจำนวนน้อยกว่าเมื่ออยู่นิ่ง คือ

***โดยพิจารณาเครื่องหมาย + , -  จากความเร็วสัมพัทธ์ ถ้าความเร็วทั้งสองที่กำลังพิจารณาเคลื่อนที่ไปทางเดียวกันใช้เครื่องหมายลบ ถ้าเคลื่อนที่สวนทางกันใช้เครื่องหมายบวก

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียงที่พิจารณานี้สามารถใช้ได้ดีเมื่อแหล่งกำเนิดเสียงหรือผู้สังเกต อยู่กับที่ หรือแหล่งกำเนิดเสียงและ ผู้สังเกตเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็งคงตัว  และอยู่ในแนวเดียวกันกับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดเสียงเท่านั้น  ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ยังเกิดกับคลื่นน้ำ  คลื่นแสงด้วย ถ้าอัตราเร็วของแหล่งกำเนิดเสียงและผู้สังเกตไม่คงตัว  ความถี่เสียงที่ได้ยินจะเปลี่ยนไปจากเดิมและมีค่าไม่คงตัว  ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความเร็วที่เกิดขึ้น ในกรณีที่มีลมพัดปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ที่เกิดขึ้นจะมีความถี่และความยาวคลื่นเปลี่ยนไป  
ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับ อัตราเร็วและทิศทางของลมขณะนั้น โดยหาความสัมพันธ์ได้ดังนี้

กำหนดให้ vm เป็นอัตราเร็วลม
ถ้าทิศของคลื่นเสียง  v  มีทิศไปทางเดียวกับทิศทางลมพัด vm จะส่งผลให้  v  เพิ่มขึ้น  โดย  v  จะเปลี่ยนเป็น  v + vm 
ถ้าทิศของคลื่นเสียง  v  มีทิศสวนทางกับทิศทางลมพัด  vm จะส่งผลให้  v  ลดลง  โดย  v  จะเปลี่ยนเป็น  v - vm 

ความถี่ที่ผู้สังเกตได้ยินกรณีมีความเร็วลม คือ 

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ กุญแจไขความลับของจักรวาล

อย่างที่เราได้กล่าวมาแล้วในองค์ความรู้ก่อนๆ นะครับว่า ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ ปรากฏการณ์ดอปเปเลอร์เป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติของคลื่นคือ ผู้สังเกตจะได้รับคลื่นที่มีความถี่สูงขึ้นกว่าที่แหล่งกำเนิดแผ่ออกมา(ความยาวคลื่นสั่นลง) เมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นกำลังเคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกต และจะได้รับคลื่นที่มีความถี่ต่ำลง(ความยาวคลื่นยาวขึ้น) หากแหล่งกำเนิดกำลังเคลื่อนที่ออกห่างจากผู้สังเกต

รูปแสดงปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียง

ไม่เพียงเท่านั้นปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของแสงยังสามารถเป็นกุญแจสำคัญในการไขความลับของจักรวาล นั่นคือคำถามที่ว่า "จักรวาลกำเนิดขึ้นมาได้อย่างไร" ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์สามารถเป็นหลักฐานบ่งชี้เรื่องราวที่มนุษย์อยากรู้มานานแสนนานนี้ได้อย่างไร ร่วมหาคำตอบได้ในองค์ความรู้นี้ครับ

ในทางดาราศาสตร์สามารถศึกษาความเร็วในการเคลื่อนที่ถอยห่างของดวงดาวจากแหล่งกำเนิดกับผู้สังเกตได้(ผู้สังเกตบนโลกกับแหล่งกำเนิดของแสงคือดวงดาวนั้นเอง) แสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จากแหล่งกำเนิดที่เคลื่อนที่ออกห่างจากผู้สังเกตไปด้วยความเร็วสูงจะมีความถี่ลดลงทำให้สังเกตสีของแหล่งกำเนิดได้ เลื่อนมาทางสีแดงมากขึ้น (ช่วงคลื่นสังเกตเห็นใกล้หรือสีแดง)จึงเรียกพิเศษว่า ปรากฏการณ์เลื่อนทางแดง(Redshift) และในทางตรงกันข้าม หากวัตถุเคลื่อนที่เข้าหาโลกแสงจากวัตถุก็จะปรากฏมีความถี่สูงขึ้น สีของแสงจึงเลื่อนไปทางสีน้ำเงินซึ่งเรียกว่า ปรากฏการณ์เลื่อนทางน้ำเงิน (Blueshift)นักดาราศาสตร์ได้ใช้ภาพถ่ายสเปกตรัมของดาราจักรพบว่า แสงจากดาราจักรเกือบทุกดาราจักรมีลักษณะการเลื่อนทางแดง

ดังนั้นจึงเชื่อว่า ดาราจักรเกือบทั้งหมดกำลังเคลื่อนที่ถอยห่างออกไปจากดาราจักรทางช้างเผือกของเรา และ อับเบิลเป็นผู้หนึ่งที่ศึกษาและสร้างกราฟแสดงระหว่าง ระยะห่าง ที่วัดโดยการศึกษาดาวแปรแสงและความเร็วในการเคลื่อนที่ถอยห่างจากทางช้างเผือก อับเบิลค้นพบความสัมพันที่ว่า ยิ่งดาราจักรอยู่ห่างออกไปไกลมาก ก็จะยิ่งเคลื่อนที่ถอยห่างจากโลกด้วยความเร็วสูง จากการศึกษาในเรื่องความสัมพันธ์ดังกล่าวนี้ได้รับการตั้งชื่อว่า "กฎของฮับเบิล"

รูปแสดง Redshift และ Blueshift

ถึงแม้ปรากฏการณ์ Redshift จะส่งผลให้ทฤษฎีบิ๊กแบงดูน่าเชื่อถือ แต่มีก็ยังมีประเด็นคำถามที่น่าคิดว่า จักรวาลกำลังขยายออกโดยมีโลกเป็นจุดศูนย์กลางการระเบิดอย่างนั้นหรือ? โลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาลหรือ? ประเด็นของ Redshift ก็ยังคงมีคนเห็นแย้งว่า ปรากฎการณ์ที่แสงจากดวงดาวต่างๆ ที่ยิ่งห่างโลกมากขึ้นเท่าใดก็จะมีสีค่อนไปทางแดงมากขึ้นนั้นมีสาเหตุมาจาก แสงถูกลดทอนไปเนื่องจากฝุ่นในอวกาศ ทฤษฎีที่ว่า เคลื่อนที่มีความถี่สูงจะถูกลดทอนสัญญาณได้ง่ายกว่าเคลื่อนความถี่ต่ำ(คลื่นที่มีความ ถี่สูงคือมียาวคลื่นมากย่อมเลี้ยวเบนผ่านวัตถุได้ดีกว่า) จึงทำให้สีแดงซึ่งมีความถี่ต่ำกว่าสีใดๆ จึงเลี้ยวเบนมาถึงโลกได้มากที่สุด

ถึงแม้จะยังไม่มีคำตอบที่ชัดเจนให้กับจุดกำเนิดของจักรวาล แต่การให้น้ำหนักกับทฤษฎีกำเนิดจักรวาลโดยอาศัยปรากฏการณ์ที่สังเกตและแปลความได้ ก็ทำให้ทฤษฎีนั้นน่าเชื่อถือยิ่งขึ้น ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์จึงมีประโยชน์มากกว่าแค่การคำนวณหาความถี่ที่ปรากฏต่อผู้ฟังเพียงอย่างเดียว