Transcript สื่อ เรื่องคลื่นเสียง - รายวิชาฟิสิกส์พื้นฐาน

ผลการเรียนรู ้

1. อธิบายความหมายและการเกิดคลื่นเสียงได้
 2. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นการกระจัดและคลื่นความดันได้
 3. คานวณหาอัตราเร็วของคลื่นเสียงในตัวกลางต่าง ๆ ได้
 4. อธิบายสมบัติของคลื่นเสียงได้
 5. บอกเงื่อนไขของการได้ยินคลื่นเสียงได้
 6. คานวณหาพลังงาน กาลัง ความเข้ม และระดับความเข้มของคลื่นเสียงได้
 7. อธิบายมลภาวะของคลื่นเสียงได้
 8. อธิบายการเกิดบีตส์ ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์และคลื่นกระแทกได้
1. คลื่นเสียง (SOUND WAVES)
คลื่นเสียงเกิดจากการ
สัน่ สะเทือน เช่น
 เคาะส้อมเสียง
 ตีกลอง
 ตีระฆัง
http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/soun
เสียง เป็ นคลื่นกลที่เกิดจากการ
สั ่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อวัตถุ
สั ่นสะเทือน ก็จะทาให้เกิดการอัด
ตัวและขยายตัวของคลื่นเสียง
และถูกส่งผ่านตัวกลาง เช่น
อากาศ ไปยังหู แต่เสียงสามารถ
เดินทางผ่านสสารในสถานะก๊าซ
ของเหลว และของแข็งก็ได้ แต่
ไม่สามารถเดินทางผ่าน
สุญญากาศได้
ธรรมชาติและความดันของเสียง
เสียงเป็ นคลื่นความดัน (Pressure Wave) จะต้องอาศัยตัวกลาง
ในการเคลื่อนที่ ดังนั้นจึงสามารถเคลื่อนที่ผ่านอากาศ ของแข็งหรือ
ของเหลว แต่ไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านสูญญากาศได้
คลื่นเสียงเป็ นคลื่นตามยาวเกิดจากการสั ่นของวัตถุ ความถี่
ของเสียงจะมีค่าเท่ากับความถี่ของแหล่งกาเนิด และในขณะที่มี การ
สั ่น โมเลกุลของตัวกลางจะมีการถ่ายทอดพลังงานทาให้เกิดความดัน
อากาศที่เปลี่ยนแปลงไปตามตาแหน่ง
http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/soun
http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/soun
คุณลักษณะเฉพาะของ
เสียง ได้แก่ ความถี่
ความยาวช่วงคลื่น แอม
ปลิจดู และความเร็ว
ระดับเสียง (pitch) หมายถึง เสียงสูงเสียง
ตา่ สิ่งที่ทาให้เสียงแต่ละเสียงสูงตา่ แตกต่างกัน
นั้น ขึ้ นอยูก่ บั ความเร็วในการสัน่ สะเทือนของ
วัตถุ วัตถุที่สนั ่ เร็วเสียงจะสูงกว่าวัตถุที่สนั ่ ช้า
โดยจะมีหน่ วยวัดความถี่ของ การสัน่ สะเทือน
ต่อวินาที เช่น 60 รอบต่อวินาที, 2,000 รอบ
ต่อวินาที เป็ นต้น และนอกจาก วัตถุที่มีความถี่
ในการสัน่ สะเทือนมากกว่า จะมีเสียงที่สงู กว่า
แล้ว หากความถี่มากขึ้ นเท่าตัว ก็จะมีระดับ
เสียงสูงขึ้ นเท่ากับ 1 ออกเตฟ (octave)
ภาษาไทยเรียกว่า 1 ช่วงคู่แปด
แอมปลิจูด
แอมปลิจูด (amplitude) หมายถึง ความสูง
ระหว่ างยอดคลื่นและท้ องคลื่นของคลื่น
เสียง ที่แสดงถึงความเข้ มของเสียง
(Intensity) หรื อความดังของเสียง
(Loudness) ยิ่งแอมปลิจูดมีค่ามาก ความ
เข้ มหรือความดังของเสียงก็ย่ งิ เพิ่มขึน้
3. อัตราเร็วเสียง

อัตราเร็วเสียงในตัวกลางไม่เท่ากัน
 สมการคานวณหาอัตราเร็วเสียงในอากาศได้
V = 331 + 0.6t = fλ




เมื่อ V
t
f
λ
คือ อัตราเร็วเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ t 0C มีหน่ วยเป็ น m/s
คือ อัตราอุณหภูมิของอากาศ มีหน่ วยเป็ น 0C
คือ ความถี่เสียง มีหน่ วยเป็ น Hz
คือ ความยาวคลื่นเสียง มีหน่ วยเป็ น m
อัตราเร็วเสียงในตัวกลาง

v solids > v liquids > v gases

v = 331 m/s + (0.6 m/s/C)*T
เมื่อเสียงเคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวาง เสียงจะเกิด
การสะท้ อนและเป็ นไปตามกฎการสะท้ อนของเสียง
มุมตกกระทบ = มุมสะท้ อน
เป็ นเสียงที่เกิดจากการสะท้อนของคลื่นเสียงที่สะท้อนมา
จากพื้นวัตถุมาเข้าหูผฟ
ู ้ ั ง เมื่อเสียงทั้งสองเข้าหูผฟ
ู้ ัง
ในเวลาที่ตา่ งกันไม่นอ้ ยกว่า 0.1 วินาทีหรือ1/10 วินาที
SONAR (SOUND NAVIGATION AND RANGING) มีความถี่ในช่วง 20,000
- 50,000 HZ เช่น เสียงค้างคาว สุนัข ปลาโลมา เป็ นต้น
http://www.mod.uk/dpa/projects/sonarenvir/sonar_t
ULTRASOUND
http://blue.utb.edu/sonography/home.html
http://www.washington.edu/newsroom/news/images
ตัวอย่างแบบฝึ กหัด

4. ในอุณหภูมิ 200 เราต้องยืนห่างจากกาแพงใหญ่อย่างน้อยเท่าไร จึงจะได้ยนิ
เสียงสะท้อนกลับ
(v = 343 m/s)
 (L = 17.15 m)

การหักเหของคลื่นเสียง
การหักเหของคลื่นเสียง
การหักเหของคลื่นเสียง เกิดจากคลื่นเสียงเดินทางใน
ตัวกลางที่ตา่ งสภาวะกัน เช่น เห็นฟ้าแลบแต่ไม่ได้ยนิ ฟ้า
ร้อง เพราะในบริเวณที่เกิดฟ้าแลบจะมีอุณหภูมิต ่ากว่า
บริเวณอื่น คลื่นเสียงจึงเดินทางจากบริเวณอุณหภูมิต ่า เมื่อ
เดินทางมาถึงบริเวณที่อุณหภูมิสูงแล้ว จะเกิดการหักเหใน
มุมที่สามารถเกิดการสะท้อนกลับหมดคลื่นเสียงจึงไม่
เดินทางมาถึงหูเรา
4.2 การหักเหของคลื่นเสียง
คลื่นเสียงหักเหได้ เป็ นไปตามกฎการหักเห เช่นเดียวกับคลื่นอื่น ๆ ดังนี้
กฎข้อที่ 1 รังสีตกกระทบ รังสีหกั เห และเส้นปกติอยูบ่ นระนาบเดียวกัน
กฎข้อที่ 2 เป็ นไปตามกฎของสเนลล์ดงั นี้
ตัวอย่างแบบฝึ กหัด
5. เสียงเคลื่อนที่จากอากาศที่อุณหภูมิ 15 C0 ไปสู่อากาศที่อุณหภูมิ 90 C0 ด้วย
มุมตกกระทบ 30 0 จงหามุมหักเห (sin-1 (0.566))
 6. เสียงเคลื่อนที่จากอากาศด้วยความเร็ว 750 m/s ไปสู่น้ า ถ้าเสียงเคลื่อนที่ใน
น้ าได้เร็ว 1,500 m/s จงหามุมวิกฤติ (30 0)

4.3 การแทรกสอดของคลื่นเสียง

เสียงเป็ นคลื่นตามยาว เกิดการแทรกสอดเช่นเดียวกับคลื่นอื่น ๆ ถ้ามีคลื่นอาพันธ์
2 ขบวนรวมกัน
 ได้คลื่นเสียงลัพธ์เป็ นคลื่นนิ่ ง โดยที่

จุดปฏิบพั (antinode) จะมีเสียงดังที่สุด
 จุดบัพ (node) จะมีเสียงเบาที่สุด
การแทรกสอดของคลื่นเสียง
การแทรกสอดของคลื่นเสียง เกิดจากคลื่นเสียง
2 ลูก ที่เหมือนกันทุกประการ เดินทางมาชนกัน
ทาให้เกิดเสียงที่ดงั เมื่อสันคลื่นของคลื่นทั้ง 2 ลูก
ชนกัน ทาให้สนั คลื่นสูงขึ้ น และเกิดเสียงค่อย เมื่อ
สันคลื่นของคลื่นลูกหนึ่ ง และท้องคลื่นของคลื่นอีก
ลูกหนึ่ งพบกัน ทาให้สนั คลื่นและท้องคลื่นหายไป
จึงเกิดเสียงดังและค่อยสลับกันไปมา
การเลี้ยวเบนของคลื่น เสียง
การเลี้ยวเบนของคลื่นเสียง เกิด
จากคลื่นเสียงเดินทางอ้อมสิง่ กีด
ขวางทาให้คลื่นเสียง สามารถ
เข้าถึงได้ทุกที เช่น เราอยูห่ ลัง
กาแพงแต่ยงั ได้ยนิ เสียงเพลงทีดงั
มาจากห้องข้าง
บีตส์ (BEAT)
คือปรากฏการณ์ที่คลื่นเสียงสองขบวนที่มี
ความถี่ใกล้เคียงกัน(ห่างกันไม่เกิน 7 Hz )
เคลื่อนที่มาในตัวกลางเดียวกันเกิดรวมคลื่น
กันขึ้น ทาให้เกิดเสียงดัง-ค่อยเมื่อเวลาผ่านไป
การเกิดบีตส์ เกิดจากแหล่ งกาเนิดเสี ยง 2 แหล่ งทีม่ คี วามถี่
ใกล้ เคียงกัน เช่ น เคาะส้ อมเสี ยง 2 อันทีม่ คี วามถีใ่ กล้เคียงกัน
พร้ อมกัน จะได้ ยนิ เสียงดัง - ค่อย
ความถี่บีตส์
ความถี่บีตส์ คือ เสียงดังเสียงค่อยที่
เกิดขึ้นสลับกันใน 1 วินาที เช่น
ความถี่ ของบีตส์เท่ากับ 7 รอบ/
วินาที หมายความว่าใน 1 วินาที จะ
มีเสียงดัง 7 ครั้ง และเสียง
ค่อย 7 ครั้ง
6. การเกิดบีตส์

บีตส์ (beats) เกิดจากการแทรกสอดของคลื่นเสียงที่มีความถี่ต่างกันไม่เกิน 7
Hertz
 ความถี่บีตส์ คือ จานวนครั้งของเสียงดังที่ได้ยน
ิ ใน 1 วินาที
 fb = f1 - f2 ; fb = ความถี่บีตส์
 ความถี่บีตส์ หาได้จากผลต่างของความถี่ของคลื่นเสียงทั้งสอง
 ความถี่ที่หไู ด้ยน
ิ

f1 , f2 = ความถี่ของคลื่นทั้งสอง
ตัวอย่างแบบฝึ กหัด

17) เสียงความถี่ 1,000 Hz และ 1,004 Hz เข้ามารวมกัน ถามว่าเราจะได้ยนิ
เสียงที่มีความถี่เท่าไร (1,002 Hz)
http://www.kr.ac.th/ebook2/jonkol/05.html
ปฏิบพั และบัพของคลื่นนิ่งของเสียง
ปฏิบพั เป็ นตาแหน่งที่ความดันอากาศมีค่า
เปลี่ยนแปลงด้วยแอมพลิจูดสูงสุด
เรียกตาแหน่งนี้ว่า ปฏิบพั ของความดัน (
pressure antinode ) บัพเป็ นตาแหน่งที่
ความดันอากาศมีการเปลี่ยนแปลงด้วย
แอมพลิจูดเป็ นศูนย์พอดี เรียกตาแหน่งนี้
ว่า บัพของความดัน ( pressure node )
คุณภาพของเสียง (quality) หมายถึง คุณลักษณ์ของเสียงที่เราได้ยนิ เมื่อเรา
ฟั งเพลง
จากวงดนตรีวงหนึ่ งนั้น เครื่องดนตรี ทุกชนิ ดจะเล่นเพลงเดียวกัน แต่เราสามารถ
แยกได้วา่ เสียงที่ได้ยนิ นั้นมาจากดนตรีประเภทใด เช่น มาจากไวโอลิน หรือ
เปี ยโน เป็ นต้นการที่เราสามารถแยกลักษณะของเสียงได้น้ันเพราะว่าคลื่นเสียง
ทั้งสองมีคุณภาพของเสียงต่างกัน
คุณภาพของเสียงนี้ ขึ้ นอยูก่ บั จานวนโอเวอร์โทนที่เกิดจากแหล่งกาเนิ ดเสียงนั้น ๆ
และแสดงออกมาเด่น จึงไพเราะต่างกัน นอกจากนี้ คุณภาพของเสียงยังขึ้ นกับ
ความเข้มของเสียงอีกด้วย
5. คลื่นเสียงกับการได้ยนิ
 5.1
หูคนและกลไกลการได้ยนิ
 5.2 ความเข้มและความดังของเสียง
ความถี่ของเสียงที่คนปกติได้ยนิ f
Hz
ความเข้มเสียงที่คนปกติได้ยิน I
1 W/m2
= 20 – 20,000
= 10-12 W/m2 ถึง
5.1 หูและการได้ยนิ

หูคนเรามี 3 ส่วน คือ

1. หูส่วนนอก
 2. หูส่วนกลาง
 3. หูส่วนใน

หูมีกระดูก 3 ชิ้ น ได้แก่

1. กระดูกค้อน
 2. กระดูกทัง่
 3. กระดูกโกลน
ANATOMY OF THE HUMAN EAR.
http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/soun
ANATOMY OF THE HUMAN EAR.
http://en.wikipedia.org/wiki/Eustachian_tube
เสียงที่คนปกติได้ยนิ
คนปกติได้ยนิ เสียงอยูใ่ นช่วงความถี่ 20-20,000 Hz
 ถ้าใช้ความถี่เป็ นเกณฑ์จะแบ่งระดับเสียง (pitch) ได้ 2 ระดับ คือ


1. เสียงสูง หรือเสียงแหลม (trebel)
 2. เสียงตา่ หรือเสียงทุม
้ (bass)
เสียงคู่แปด (OCTAVE)
http://www.christian-music-contest.com/recording-stud
5.2 ความเข้มและความดังของเสียง
คนปกติจะได้ยนิ เสียงที่มีความเข้ม 10-12 – 1 W/m2
 ความเข้มเสียงมีหน่ วยเป็ น เดซิเบล (decible : dB)
 ตั้งเป็ นเกียรติกบ
ั Alexander Graham Bell ผูป้ ระดิษฐ์โทรศัพท์เป็ นคนแรก

ALEXANDER GRAHAM BELL
ความเข้มของเสียง

ความเข้มของเสียง คือ กาลังเสียงที่ตกกระทบในแนวตั้งฉากกับพื้ นที่ ของหน้าคลื่นของทรงกลม 1 ตาราง
หน่ วย ความเข้มสูงสุดที่มนุ ษย์ ทนได้ คือ 1 W/m2

I = ความเข้มเสียง มีหน่ วยเป็ น วัตต์/ตารางเมตร (W/m2)
P = กาลัง มีหน่ วยเป็ น วัตต์ (W)
R = ระยะห่างจากแหล่งกาเนิ ดเสียง (m)
ระดับความเข้มของเสียง






I = ความเข้มของเสียง หน่ วยเป็ น W/m2
I0 = ความเข้มของเสียงตา่ สุดที่คนเราจะได้ยนิ 10-12 W/m2
β = ระดับความเข้มเสียง หน่ วยเป็ น เดซิเบล (dB)
ระดับความเข้มของเสียง
http://www.homepowersystems.net/store.asp?pid=257
7. ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์

ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ คือ ปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้ นเนื่ องจากการเคลื่อนที่ของผูฟ้ ั ง
หรือ ต้นกาเนิ ดเสียง หรือทั้งสองอย่างเคลื่อนที่ทาให้ความถี่ที่ผฟู้ ั งได้รบั เปลี่ยนไป
 fL
= ความถี่เสียงที่ผฟู้ ั งได้รบั
 fS = ความถี่เสียงจากต้นกาเนิ ด
 v = ความเร็วของเสียง(ในอากาศ)
vL = ความเร็วของผูฟ้ ั ง
 vS = ความเร็วของต้นกาเนิ ดเสียง

v เป็ นบวกเสมอ (+)
 ค่า vL , vS
 ค่า
เป็ นบวก(+) ถ้าไปทิศทางเดียวกับ v
 เป็ นลบ (-) ถ้าไปทิศทางตรงข้ามกับ v
 เป็ น 0 ถ้าอยูน
่ ิ่ ง

CHRISTIAN JOHANN
DOPPLER
THE DOPPLER EFFECT
http://www.glafreniere.com/doppler.htm
THE DOPPLER EFFECT
http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/soun
THE DOPPLER EFFECT
http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/soun
ด้าน การแพทย์กไ็ ด้มีการนาเสี ยงมาใช้ในการตรวจอวัยวะภายในของคนเพื่อ
วินิจฉัย สาเหตุของความผิดปกติ เช่น
ตรวจการทางานของลิ้นหัวใจ มดลูก ครรภ์ เนื้องอก ตับ ม้ามและสมอง เพราะเสี ยง
สามารถสะท้อนที่บริ เวณรอยต่อระหว่างชั้นของเนื้อเยือ่ ต่าง ๆ ได้
ใน การออกแบเพื่อลดระดับความเข้มของเสี ยงของเครื่ องยนต์ เครื่ องจักรใน
โรงงาน เสี ยงจากยานพาหนะบนทางด่วน ก็ อาศัยความรู้เรื่ องการดูดกลืนเสี ยง
นอก จากนั้นมนุษย์ยงั นาความรู ้ดา้ นเสี ยงมาสร้างและพัฒนาเครื่ องดนตรี ดว้ ย จึง
ทาให้มีเครื่ องดนตรี ประเภทต่าง ๆ มากมาย อาทิเช่นเครื่ องสาย ได้แก่ ไวโอลิน ซอสาม
สาย ซออู้ ซอด้วง กีตาร์ พิณ นอกจากนี้ยงั มีเครื่ องดนตรี ประเภทต่าง ๆ อีกมากมาย
รวม ทั้งเครื่ องดนตรี ที่สร้างจากวงจรอิเล็กทรอนิกส์
1. เสี ยงเกิดขึ้นได้อย่างไร
เฉลย เสี ยง เริ่ มเกิดขึ้นเมื่อวัตถุหรื อแหล่งกาเนิดเสี ยงมีการสั่นสะเทือน
2. บีตส์ คืออะไร
เฉลย บีตส์ คือปรากฏการณ์ที่คลื่นเสี ยงสองขบวนที่มีความถี่ใกล้เคียงกัน
เคลื่อนที่มาในตัวกลางเดียวกันเกิดรวมคลื่นกันขึ้น
3. เสี ยงที่คนปกติได้ยนิ มีความถี่อยูใ่ นช่วงเท่าไหร่ ถึง เท่าไหร่
เฉลย คนปกติได้ยนิ เสี ยงอยูใ่ นช่วงความถี่ 20-20,000 Hz
4. ความถี่บีตส์ คือเท่าไหร่
เฉลย จานวนครั้งที่เสี ยงดังค่อยใน 1 วินาที
5. ถ้าจะแบ่งระดับเสี ยงโดยใช้ความถี่เป็ นเกณฑ์จะแบ่งได้กี่ระดับ มีอะไรบ้าง
เฉลย 2 ระดับ 1. เสี ยงสูงหรื อเสี ยงแหลม
2. เสี ยงทุม้ หรื อเสี ยงต่า
REFERENCES

พูนศักดิ์ อินทวี และจานง ฉายเชิด. หนังสือเรียนสาระการเรียนรูพ้ ้ นฐาน
ื
กลุม่ สาระ
การเรียนรูว้ ิทยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์ : ฟิ สิกส์ ม.4-ม.6. กรุงเทพฯ : อักษรเจริญทัศน์,
2547. 262 หน้า.
 http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l3a.
html#beats
 http://www.bs.ac.th/lab2000/physicweb/sound.htm

Miss Lampoei PuangmalaiDepartment of science St. Louis
College Chachoengsao