คลื่นเสียง สามารถเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางได้ทุกสถานะ ไม่ว่าจะเป็นวัตถุของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ คลื่นเสียงนั้น มีคุณสมบัติเช่นเดียวกับคลื่นอื่นๆ เช่น แอมพลิจูด (Amplitude) ความเร็ว (Velocity) หรือ ความถี่ (Frequency)
เสียง (Sound) คือ การถ่ายทอดพลังงานจากการสั่นสะเทือนของแหล่งกำเนิดเสียงผ่านโมเลกุลของตัวกลางไปยังผู้รับ โดยที่หูของเรานั้น สามารถรับรู้ถึงการสั่นสะเทือนของโมเลกุลเหล่านี้ได้ และได้ทำการแปลผลลัพธ์ออกมาในรูปของเสียงต่างๆ
การเคลื่อนที่ของคลื่นเสียง
เมื่อวัตถุเกิดการเคลื่อนที่หรือถูกกระทำด้วยแรงจากภายนอก ก่อให้เกิดการสั่นสะเทือนของโมเลกุลภายในวัตถุนั้น ซึ่งส่งผลไปยังอนุภาคของอากาศหรือตัวกลางที่อยู่บริเวณโดยรอบ ก่อให้เกิดการรบกวนหรือการถ่ายโอนพลังงาน ผ่านการสั่นและการกระทบกันเป็นวงกว้างทำให้อนุภาคของอากาศเกิด “การบีบอัด” (Compression) เมื่อเคลื่อนที่กระทบกัน และ “การยืดขยาย” (Rarefaction) เมื่อเคลื่อนที่กลับตำแหน่งเดิม ดังนั้น คลื่นเสียง จึงเรียกว่า “คลื่นความดัน” (Pressure wave) เพราะอาศัยการผลักดันกันของโมเลกุลในตัวกลางในการเคลื่อนที่
ตัวกลาง (Medium) จึงกลายเป็นปัจจัยสำคัญต่อการได้ยินเสียง เพราะคลื่นเสียงเคลื่อนที่โดยอาศัยตัวกลางในการถ่ายทอดพลังงานเท่านั้น ส่งผลให้ในภาวะสุญญากาศ ซึ่งเป็นพื้นที่ว่างที่ไม่มีอนุภาคตัวกลางใดๆ คลื่นเสียงจึงไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านไปได้
นอกจากนี้ สถานะและอุณหภูมิของตัวกลางยังเป็นตัวแปรสำคัญในการกำหนดความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียงอีกด้วย ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว เสียงเคลื่อนที่ผ่านวัตถุของแข็งได้ดีกว่าของเหลวและก๊าซ
ตารางการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียงผ่านตัวกลางทั้ง 3 สถานะ
|
ตัวกลาง |
อุณหภูมิ (องศาเซลเซียส) |
ความเร็ว (เมตรต่อวินาที) |
| ก๊าซ (Gases) | ||
|
อากาศ |
0 |
331 |
|
อากาศ |
20 |
343 |
|
ฮีเลียม |
0 |
965 |
|
ไฮโดรเจน |
20 |
1,286 |
| ของเหลว (Liquids) | ||
|
ปรอท |
25 |
1,450 |
|
น้ำ |
25 |
1,493 |
|
น้ำทะเล |
25 |
1,533 |
| ของแข็ง (Solids) | ||
|
ยาง |
– |
60 |
|
ทองคำ |
– |
3,240 |
|
แก้ว |
– |
5,640 |
|
เหล็ก |
– |
5,960 |
|
เพชร |
– |
12,000 |
| อ้างอิง schoolnet.org.za, Soundproofpanda.com | ||
สมบัติของเสียง
การสะท้อน (Reflection) คือ การเคลื่อนที่ของเสียงไปกระทบสิ่งกีดขวาง ส่งผลให้เกิดการสะท้อนกลับของเสียงที่เรียกว่า “เสียงสะท้อน” (Echo) ซึ่งโดยปกติแล้ว เสียงที่ผ่านไปยังสมองจะติดประสาทหูราว 0.1 วินาที ดังนั้นเสียงที่สะท้อนกลับมาช้ากว่า 0.1 วินาที ทำให้หูของเราสามารถแยกเสียงจริงและเสียงสะท้อนออกจากกันได้ นอกจากนี้ หากมุมที่รับเสียงสะท้อนเท่ากับมุมตกกระทบของเสียงจะส่งผลให้เสียงสะท้อนมีระดับความดังสูงที่สุดอีกด้วย
การหักเห (Refraction) คือ การเคลื่อนที่ของเสียงผ่านตัวกลางต่างชนิดกัน หรือการเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่มีอุณหภูมิต่างกัน ส่งผลให้อัตราเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่ของเสียงเปลี่ยนไป
การเลี้ยวเบน (Diffraction) คือ การเดินทางอ้อมสิ่งกีดขวางหรือเลี้ยวเบนผ่านช่องว่างต่างๆของเสียง โดยคลื่นเสียงที่มีความถี่และความยาวคลื่นมาก สามารถเดินทางอ้อมสิ่งกีดขวางได้ดีกว่าคลื่นสั้นที่มีความถี่ต่ำ
การแทรกสอด (Interference) เกิดจากการปะทะกันของคลื่นเสียงจากหลายแหล่งกำเนิด ซึ่งอาจทำให้เกิดเสียงที่ดังขึ้นหรือเบาลงกว่าเดิม หากคลื่นเสียงที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อย (ไม่เกิน 7 เฮิรตซ์) เมื่อเกิดการแทรกสอดกันจะทำให้เกิดเสียงบีตส์ (Beats)
อ่านต่อหน้า 2 เรื่องการได้ยินเสียง
เสียงที่เราได้ยิน คือ อัตราการถ่ายโอนพลังงานของแหล่งกำเนิดเสียงต่อหนึ่งหน่วยเวลา หรือที่เรียกว่า “กำลังเสียง” (Power of sound wave) ซึ่งมีหน่วยเป็นจูลต่อวินาที (J/s) หรือ “วัตต์” (Watt)
โดยเสียงเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดในลักษณะของการแผ่ขยายออกไปในรูปทรงกลม มีแหล่งกำเนิดเสียงเป็นจุดศูนย์กลาง ซึ่งกำลังของเสียงที่ส่งออกจากแหล่งกำเนิดต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ผิวทรงกรม เรียกว่า “ความเข้มของเสียง” (Intensity) และระดับความเข้มของเสียงนั้น ถูกตรวจวัดในรูปของ “ความดัง” (Volume) ในหน่วยเดซิเบล (Decibel) ซึ่งมนุษย์สามารถรับรู้ถึงเสียงได้ตั้งแต่ที่ระดับเสียง 0 จนถึงราว 120 เดซิเบล โดยเสียงที่ดังเกินกว่า 120 เดซิเบล คือเสียงที่อาจก่อให้เกิดอันตรายต่อผู้รับฟังได้
นอกจากนี้ ความเข้มของเสียงยังขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างแหล่งกำเนิดเสียงและผู้รับ เพราะเมื่อคลื่นเสียงเคลื่อนที่ออกห่างจากแหล่งกำเนิดมากขึ้นเท่าใด ความเข้มและความดังของเสียงจะลดลงเท่านั้น
นอกจากความเข้มของเสียงแล้ว “ความถี่” (Frequency) ของคลื่นเสียง ยังเป็นอีกหนึ่งปัจจัยสำคัญต่อการได้ยินเสียงของมนุษย์ ความถี่มีหน่วยเป็น “เฮิรตซ์” (Hertz) ซึ่งมนุษย์สามารถรับคลื่นเสียงที่ระดับความถี่ ตั้งแต่ 20 ถึง 20,000 เฮิรตซ์ หรือเป็นช่วงความถี่ที่เรียกว่า “โซนิค” (Sonic)
มนุษย์สามารถรับเสียงได้ดีที่สุด ในช่วงความถี่ 1,000 ถึง 6,000 เฮิรตซ์ โดยเสียงที่มีระดับความถี่ต่ำกว่า 20 เฮิรตซ์ เรียกว่า “คลื่นใต้เสียง” หรือ “อินฟราโซนิค” (Infrasonic) เสียงที่เกิดจากแหล่งกำเนิดขนาดใหญ่ เช่น การสั่นสะเทือนของสิ่งก่อสร้าง เป็นเสียงที่มนุษย์ไม่สามารถรับรู้ได้เช่นเดียวกับคลื่นเสียงที่มีความถี่สูงกว่า 20,000 เฮิรตซ์ หรือที่เรียกว่า “คลื่นเหนือเสียง” หรือ “อัลตร้าโซนิค” (Ultrasonic) แต่สัตว์บางชนิด เช่น ค้างคาว หรือโลมา สามารถใช้ประโยชน์คลื่นเสียงในความถี่นี้ ในการสื่อสารและการระบุตำแหน่งได้
นอกจากนี้ แหล่งกำเนิดเสียงต่างกันยังให้กำเนิดเสียงในช่วงความถี่ที่ต่างกันอีกด้วย โดยที่มนุษย์เราสามารถจำแนกเสียงต่างๆตามระดับเสียง (Pitch) หรือเรียกเสียงที่มี “ความถี่ต่ำ” ว่า “เสียงทุ้ม” และเรียกเสียงที่มี “ความถี่สูง” ว่า “เสียงสูง/แหลม” ซึ่งแตกต่างจากระดับความดังเบาของเสียงที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของแหล่งกำเนิดเสียงหรือความเข้มของเสียง โดยมีแหล่งกำเนิดเสียง คุณสมบัติของตัวกลาง และระยะทางที่ส่งผลต่อระดับความดังเบาของเสียง
การรับเสียงของมนุษย์
หู (Ear) เป็นอวัยวะที่ใช้ในการรับเสียงของมนุษย์ โดยมีองค์ประกอบที่สำคัญ 3 ส่วน ได้แก่
1) หูชั้นนอก ประกอบด้วยใบหูซึ่งจะทำหน้าที่รับคลื่นเสียง ก่อนส่งเสียงไปตามช่องหูจนถึงชั้นเยื่อแก้วหู (Tympanic membrane) ซึ่งกั้นระหว่างหูชั้นนอกและหูชั้นกลาง
2) หูชั้นกลาง มีลักษณะเป็นโพรงอากาศ ประกอบด้วยกระดูกขนาดเล็ก 3 ชิ้น ที่เรียงต่อกันเป็นโซ่ที่เรียกว่า “ค้อน” (Malleus) “ทั่ง” (Incus) และ “โกลน” (Stapes) ทำหน้าที่รับแรงสั่นสะเทือนและขยายเสียงต่อจากเยื่อแก้วหูก่อนส่งต่อไปยังหูชั้นใน
3) หูชั้นใน ประกอบด้วยอวัยวะรูปก้นหอย หรือ “คลอเคลีย” (Cochlea) ภายในบรรจุของเหลวและเซลล์ขนจำนวนมากที่ทำหน้าที่รับเสียงจากกระดูกโกลนในหูชั้นกลาง ก่อนแปลงเป็นสัญญาณส่งไปยังโสตประสาทและสมอง ซึ่งทำหน้าที่จำแนก แยกแยะ และแปลความหมายของคลื่นเสียงต่างๆ
ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับเสียง
แสงเดินทางเร็วกว่าเสียงหลายล้านเท่า
เสียงในธรรมชาติที่ดังที่สุด คือ เสียงจากการระเบิดของภูเขาไฟ
หากเราเดินทางเร็วกว่าเสียงจะก่อให้เกิดการทะลุกำแพงเสียง (Sound barrier) หรือก่อให้เกิดคลื่นกระแทกที่เรียกว่า “โซนิคบูม” (Sonic boom) คือการชนกันของคลื่นเสียงในอากาศ เพราะว่าแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่เร็วกว่าเสียงของมันเอง เช่น การบินของเครื่องบินเจ็ตที่ก่อให้เกิดคลื่นกระแทกคล้ายวงกลมสีขาวด้านหลัง ซึ่งเกิดจากการควบแน่นของไอน้ำในอากาศ
เมื่อวัตถุถูกทำให้สั่นด้วยความถี่ตรงกับความถี่ธรรมชาติ (Natural frequency) ของวัตถุนั้น จะทำให้เกิด “ปรากฏการณ์เรโซแนนซ์” (Resonance) ขึ้น ซึ่งเป็นการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงจากการสะสมพลังงานไว้เป็นจำนวนมากของวัตถุชิ้นนั้น ส่งผลให้เกิดเสียงที่มีระดับความดังมากขึ้นกว่าปกติ โดยมนุษย์ได้นำหลักการนี้ มาใช้ในการสร้างเครื่องดนตรีหลายชนิด เช่น ซอ กีตาร์ และไวโอลิน
ถ้าเราสามารถเปล่งเสียงต่อเนื่องกันเป็นระยะเวลา 8 ปี 7 เดือน 6 วัน เราสามารถอุ่นกาแฟหนึ่งแก้วให้ร้อนได้ด้วยพลังงานจากคลื่นเสียงของเราเอง
ข้อมูลอ้างอิง
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)
คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี
ducksters.com
scienceforkidsclub.com
เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ : ดอกไม้รับรู้คลื่นเสียงจากแมลงผสมเกสรโดยใช้กลีบดอก