บทที่ 2

เสียง
สมบัติของเสียงแบบคลื่น

จากที่นักเรียนทราบแล้วว่าเสียงเป็นคลื่นกลชนิดคลื่นตามยาว ดังนั้นเสียงจึงแสดงสมบัติของคลื่นครบทั้ง 4 ข้อ ได้แก่  การสะท้อน  การหักเห  การแทรกสอด และการเลี้ยวเบน

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

ตัวอย่าง  ขณะอากาศอุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียส  คนต้องยืนตะโกนห่างจากหน้าผาสะท้อนเป็นระยะอย่างน้อยที่สุดเท่าไร จึงจะได้ยินเสียงก้องของตัวเอง

แนวคิด  ให้คนอยู่ห่างหน้าผาอย่างน้อยที่สุด X  เมตร  เสียงเดินทางไปและสะท้อนกลับได้ S = 2X  เมตรโดยใช้เวลาน้อยที่สุดที่จะได้ยินเสียงก้อง ได้ เวลา t = 0.1 วินาที   หาอัตราเร็วเสียงในอากาศเมื่อทราบอุณหภูมิเซลเซียสได้จาก v = 331+(0.6x15) =  340 เมตรต่อวินาที

สมการ   S = v.t  แทนค่า ได้ 2X = 340 x 0.1  แก้สมการ ได้ X = 17 เมตร เป็นอย่างน้อย(ใกล้หน้าผาระยะน้อยกว่า 17 เมตร ไม่ได้ยินเสียงก้อง แต่มากกว่า 17 เมตร ได้ยิน) 

2. การหักเหเสียง

การหักเหเสียงเกิดขึ้นเมื่อเสียงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางซึ่งมีความแตกต่างกัน มีผลทำให้อัตราเร็วเสียงเปลี่ยนแปลงไป และทำให้ความยาวคลื่นเสียงเปลี่ยนแปลงด้วย เนื่องจากความถี่เสียงจากแหล่งกำเนิดเสียงสั่นคงที่  ความสัมพันธ์ของปริมาณของการหักเหคงเหมือนเดิมคือเป็นไปตามกฏของสเนลล์  คือ

ในกรณีการเกิดมุมวิกฤตของเสียง   เกิดเมื่อเสียงเริ่มต้นจากบริเวณอากาศอุณหภูมิต่ำไปสู่อากาศอุณหภูมิสูงกว่า หรือเริ่มต้นจากบริเวณที่เสียงมีอัตราเร็วน้อย ไปยังบริเวณที่มีอัตราเร็วมาก

การหักเหเสียงในอากาศ เป็นปรากฏการณ์ที่พบเห็นในชีวิตประจำวัน เช่นในตอนกลางวันเราเห็นฟ้าแลบแต่ไม่ได้ยินเสียงทั้งที่ความจริงจะต้องมีเสียง เหตุผลสามารถอธิบายได้ด้วยหลักการหักเหเสียงในอากาศ

ในตอนกลางวันอากาศที่สูงขึ้นไปจะมีอุณภูมิต่ำกว่าบริเวณใกล้พื้น  ทำให้เสียงจากฟ้าแลบที่ลงมา มีมุมหักเหโกว่ามุมตกกระทบ เมื่อหักเหหลายครั้งทำให้เกิดการสะท้อนกลับหมดกลับขึ้นไป ไม่มีเสียงมาถึงผู้ฟังที่อยู่บนพื้น

3. การแทรกสอด

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

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

รูปแสดงการเกิดแนวการแทรกสอดจากแหล่งกำเนิดคลื่นอาพันธ์



4. การเลี้ยวเบนของเสียง

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

จากรูป คนสามารถได้ยินเสียงจากวิทยุได้ แม้ว่าจะมีมุมห้องบังเสียงไว้เพราะว่าเสียงสามารถเลี้ยวเบนได้

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

รูปการเลี้ยวเบนคลื่นผ่านช่องเดี่ยว

การเลี้ยวเบนผ่านช่องเปิดเดี่ยว บางกรณีหลังจากเลี้ยวเบนแล้วไปเกิดการแทรกสอดกันอีก เกิดแนวบัพและปฏิบัพ คำนวณการแทรกสอดกรณีนี้ได้จากสมการ

ความเข้มเสียงและระดับความเข้มเสียง

1. ความเข้มเสียง

เสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุต้นกำเนิดเสียง        ถ้าแหล่งกำเนิดเสียงสั่นแรงจะทำให้มีแอมปลิจูดมากและถ้าสั่นเบา แอมปลิจูดน้อย เมื่อมีโมเลกุลของอากาศที่อยู่รอบๆแหล่งกำเนิดเสียง และจะเกิดการถ่ายโอนพลังงานเสียงไปสู่ผู้ฟัง  ผู้ฟังจะได้ยินเสียงดังหรือเบาขึ้นกับพลังงานเสียงที่ถ่ายโอนผ่านโมเลกุลอากาศมาว่ามีพลังงานถ่ายโอนมามากหรือน้อย  นอกจากนั้นยังมีเรื่องระยะทางในการถ่ายโอนพลังงานเสียงซึ่งจะมีผลต่อการได้ยินเสียงดังหรือเบาอีกด้วย

กำลังเสียง ( Power of sound wave )

อัตราการถ่ายโอนพลังงานเสียงของแหล่งกำเนิดเสียง คือพลังงานเสียงที่ส่งออกมาจากแหล่งกำเนิดในหนึ่งหน่วยเวลา เรียกว่า กำลังเสียง มีหน่วยเป็น  จูลต่อวินาที หรือ วัตต์(watt) 

สำหรับแหล่งกำเนิดเสียงที่เป็นจุด ถือว่าหน้าคลื่นเสียงจะแผ่ออกไปโดยรอบเป็นรูปทรงกลม โดยมีแหล่งกำเนิดคลื่นเป็นจุดศูนย์กลางของทรงกลมนั้น

จากรูป แสดงการแผ่ของหน้าคลื่นเสียงออกจากแหล่งกำเนิดที่จุดศูนย์กลางทรงกลม  ยิ่งไกลจากแหล่งกำเนิดพื้นที่ผิวทรงกลมที่คลื่นเสียงตกกระทบยิ่งมีค่ามาก

กำลังเสียงที่แหล่งกำเนิดเสียงส่งออกไปต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ผิวทรงกลม     เรียกว่า     ความเข้มเสียง ( intensity of a sound wave) ถ้าให้กำลังเสียงที่ส่งออกจากแหล่งกำเนิเสียงมีค่าคงตัว จะได้ความสัมพันธ์ว่า





จากสมการความเข้มเสียง จะเห็นความสัมพันธ์ว่า 

• ความเข้มเสียง แปรผันตรงกับกำลังเสียงของแหล่งกำเนิด (กำลังเสียงแหล่งกำเนิดมาก ได้ความเข้มเสียงมาก)
• ความเข้มเสียง แปรผกผันกับขนาดพื้นที่ผิวทรงกลมรับเสียง (พื้นที่รับเสียงมาก ความเข้มเสียงน้อย)
• ความเข้มเสียง แปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างจากแหล่งกำเนิดเสียง  (ยิ่งไกล ความเข้มเสียงยิ่งลดลง)
• ถ้ามีต้นกำเนิดเสียงหลายแหล่ง  สามารถหาความเข้มเสียงรวมที่ปรากฏที่จุดหนึ่งได้จากการรวมแบบปกติ   โดยความเข้มเสียงรวม = I1 + I2 + I3 + ...

สมการเปรียบเทียบความเข้มเสียง 2 ค่า   



ความเข้มเสียงแปรผันตรงกับค่าแอมปลิจูดของคลื่นเสียงยกกำลังสอง  ความเข้มเสียงมากจะได้เสียงดัง  ความเข้มเสียงน้อยจะได้เสียงเบา 

ตัวอย่าง  แหล่งกำเนิดสียงมีกำลังเสียง 12.75 วัตต์ ที่ระยะห่างออกไปจากแหล่งกำเนิดเสียง 1 เมตร และ 2 เมตร  ความเข้มเสียงใดจะมากกว่า และมากกว่ากันกี่เท่า   และที่ระยะห่างแหล่งกำเนิด 10 เมตร มีค่าความเข้มเสียงกี่วัตต์ต่อตารางเมตร

แนวคิด   ใช้สมการ 

ที่ระยะห่าง 1 เมตร  มีความเข้มเสียงมากกว่าความเข้มเสียงที่ระยะ 2 เมตร เมื่อ P คงตัว  I แปนผกผันกับรัศมี r ยกกำลังสอง  หาอัตราส่วนความเข้มเสียง ได้ว่า

  

หาความเข้มเสียงที่ระยะห่าง 10 เมตร  แทนค่าในสมการ



2. ระดับความเข้มเสียง

การบอกความดังหรือเบาของเสียงด้วยความเข้มเสียงที่ผ่านมานั้นจะเห็นว่าช่วงจากเสียงเบาที่สุด ไปหาดังที่สุด มีช่วงมากกว่ากันถึง 10 ยกกำลัง 12  เท่า  จึงไม่เหมาะจะใช้บอกถึงความดังหรือเบา จึงเปลี่ยนมาใช้การบอกดัง หรือเบา ด้วยค่า ระดับความเข้มเสียง โดยเทียบมาจากความเข้มเสียง  โดยระดับความเข้มเสียง จะมีลักษณะคล้ายค่าลอกการิทึม ในวิชาคณิตศาสตร์  โดยระดับความเข้มเสียงมีความสัมพันธ์กับความเข้มเสียงต่ำสุด ได้ว่า

จากสมการ ระดับความเข้มเสียง เมื่อแทนค่าความเข้มเสียงสูงสุดที่ทนฟังได้ เมื่อแก้สมการ จะได้ค่าระดับความเข้มเสียงสูงสุดที่ทนฟังได้เท่ากับ 120  dB  และแทนค่าความเข้มเสียงน้อยสุดที่ได้ยินลงไปแล้วแก้สมการ จะได้ระดับความเข้มเสียงน้อยที่สุด 0 dB  ดังนั้นเมื่อบอกระดับความเข้มเสียงจะทำให้ระดับความเข้มเสียงสูงสุดและต่ำสูงต่างกันอยู่เพียง 120 dB หรือ 12 B เท่านั้น

ถ้ามีการสังเกตที่ 2 ตำแหน่ง ซึ่งมีค่าระดับความเข้มเสียงแตกต่างกัน สามารถเขียนสมการผลต่างของระดับความเข้มเสียงได้ดังนี้

3. มลภาวะของเสียง

ถ้าเสียงที่มีพลังงานมากๆ เข้าสู่หูซึ่งเป็นอวัยวะรับเสียง อาจทำให้เกิดความเจ็บปวดหู หรือเกิดความรำคาญ เสียงจึงเป็นสิ่งที่อาจทำให้เกิดอันตรายได้ เช่น มีผลต่ออารมณ์ ความรู้สึก ตลอดจนตอบสนองต่อสิ่งเร้า ทำให้รู้สึกได้ถึงแหล่งกำเนิดเสียง เช่น เสียงด่า เสียงโกรธ  เสียงไพเราะ  ถ้าเสียงที่ได้ยินทำให้เกิดผลเสียต่อผู้ฟังไม่ว่าจะด้านร่างกายหรือจิตใจ ถือว่าเป็นมลพิษอย่างหนึ่ง

ในปัจจุบัน ขณะที่เทคโนโลยี่พัฒนามากขึ้น ทำให้เราต้องได้รับมลพิษทางเสียงมากขึ้น  ในการป้องกันมลพิษทางเสียง ได้มีประกาศเกี่ยวกับความปลอดภัยในการทำงานในบริเวณที่มีเสียงดัง ของกระทรวงมหาดไทย ดังนี้