3 คลื่น
คลื่น
ในธรรมชาติ เราจะเห็นผิวน้ำกระเพื่อมขึ้นลง เมื่อมีการเคลื่อนไหวของสิ่งต่างๆที่ผิวน้ำ เช่น มีใบไม้ แมลง หรือผลไม้หล่นลงไปในน้ำ การกระเพื่อมของน้ำมีลักษณะเป็นคลื่นแผ่กระจายออกไป และเมื่อตีกลองหรือตะโกนก็จะมีคลื่นเสียงแผ่ออกไปเช่นกัน ยังมีคลื่นอื่นๆอีกหลายชนิด เช่น คลื่นแสง คลื่นวิทยุ เป็นต้น คลื่นเป็นปรากฏการณ์การเคลื่นอที่รูปแบบหนึ่ง คลื่นบางชนิดอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ แต่บางชนิดก๊ไม่อาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่
คลื่นมีลักษณะและสมบัติอย่างไร มีความเกี่ยวข้องกับมนุษย์และนำไปใช้ประโยชน์ในชีวิตอย่างไรบ้าง
3.1 คลื่นกล
การโยนก้อนหินลงน้ำ เป็นการถ่ายโอนพลังงานจากหินสู่น้ำ พลังงานนี้ถูกถ่ายโอนโดยส่งผ่านจากหินไปยังโมเลกุลของน้ำที่อยู่ใกล้ๆ อย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดคลื่นที่ผิวน้ำเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิด คลื่นที่อาศัยตัวกลางในการถ่ายโอนพลังงานเป็น คลื่นกล (mechanical wave) ในธรรมชาติมีคลื่นกลอื่นๆอีก เช่น คลื่นเสียง คลื่นแผ่นดินไหว เป็นต้น คลื่นมีลักษณะอย่างไร นักเรียนจะได้ศึกษาจากกิจกรรมต่อไปนี้
กิจกรรม 3.1 ลักษณะของคลื่น
ผูกด้ายสีที่ตรงกลางลวดสปริง (slinky) ซึ่งอยู่บนพื้นราบ ยึดปลายข้างหนึ่งของลวดสปริงไว้ ดึงปลายอีกข้างหนึ่งของลวดสปริงให้ยืดออกประมาณ 3 เมตร แล้วสะบัดไปมาในแนวราบ สังเกตการเคลื่อนที่ของด้ายและลวดสปริง และบันทึกผล
คลื่นที่เกิดจากการสะบัดปลายลวดสปริง
วางลวดสปริงในลักษณะเดิม อัดลวดสปริงเข้าออกเป็นจังหวะช้าๆ สังเกตการเคลื่อนที่ของด้ายและลวดสปริง และบันทึกผล
คลื่นที่เกิดจากการอัดลวดสปริง
– อธิบายว่าคลื่นที่เกิดทั้งสองครั้งเหมือนกันหรือต่างกันอย่างไร และนำเสนอผลการศึกษา
ขณะสะบัดลวดสปริงไปมา ด้ายซึ่งเปรียบเสมือนอนุภาคของตัวกลางการเคลื่อนที่ไปมาในแนวตั้งฉากกับแนวการเคลื่อนที่ของคลื่น ดังภาพ 3.1 คลื่นที่เกิดจากอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับแนวการเคลื่อนที่ของคลื่นเรียก คลื่นตามขวาง (transverse wave) เช่น คลื่นผิวน้ำ
เมื่ออัดลวดสปริงเข้าออก ด้ายจะเคลื่อนที่ไปมาในแนวเดียวกับแนวการเคลื่อนที่ของคลื่น ดังภาพ 3.2 คลื่นที่เกิดจากอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ไปมาในแนวเดียวกับแนวการเคลื่อนที่ของคลื่นเรียก คลื่นตามยาว (longitudinal wave) เช่น คลื่นเสียง
ภาพ 3.1 คลื่นตามขวาง
ภาพ 3.2 คลื่นตามยาว
คลื่นตามขวางและคลื่นตามยาวมีองค์ประกอบอะไรบ้าง
องค์ประกอบของคลื่น
ภาพ 3.3 ส่วนต่างๆของคลื่นตามขวาง
พิจารณาคลื่นตามขวางดังภาพ 3.3 จุด A, A‘ เป็นตำแหน่งสูงสุดของคลื่น เรียกว่าสันคลื่น จุด B, B‘ เป็นตำแหน่ต่ำสุดของคลื่น เรียกว่า ท้องคลื่น PA,QB, RA‘ และ SB‘ เป็นขนาดของการกระจัดที่มีค่ามากที่สุดเรียกว่า แอมพลิจูด (amplitude) ระยะระหว่างสันคลื่นที่อยู่ถัดกัน เช่น AA‘ หรือระยะระหว่างท้องคลื่นที่อยู่ถัดกัน เช่น BB‘ เป็นความยาวของคลื่นหนึ่งลูก เรียกว่า ความยาวคลื่น (wavelength) แทนด้วยสัญลักษณ์ λ (อ่านว่า แลมดา – lambda) ความยาวคลื่นมีหน่วยเป็นเมตร
ภาพ 3.4 การเคลื่อนที่ของคลื่น
จากภาพ 3.4 สมมติว่าเริ่มต้น ปลายคลื่นอยู่ที่ A เมื่อเวลาผ่านไป ปลายคลื่นเคลื่อนที่ถึง B แสดงว่า มีคลื่นผ่านจุด A จำนวน 4 ลูก จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดๆหนึ่งใชหนึ่งหน่วยเวลา เรียกว่า ความถี่ (f) ความถี่มีหน่วยเป็น รอบต่อวินาที หรือ เฮิรตซ์ (Hz) และช่วงเวลาที่คลื่นหนึ่งลูกเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใดๆเรียกว่า คาบ (T) คาบมีหน่วยเป็น วินาที (s) ความถี่ f และคาบ T มีความสัมพันธ์เช่นเดียวกับการเคลื่อนที่แบบวงกลม และแบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายที่ได้ศึกษามาแล้ว คือ
เนื่องจากอัตราเร็วของวัตถุคือระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา ในทำนองเดียวกัน อัตราเร็วของคลื่น คือระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา
สมมติคลื่นเคลื่อนที่ได้ระยะทางเท่ากับความยาวคลื่น λ ดังนั้นเวลาที่ใช้จะเท่ากับคาบ T ด้วยเหตุนี้อัตราเร็วของ คลื่น v จะมีค่าดังนี้
– คลื่นตามขวางในภาพ 3.4 มีแอมพลิจูดความยาวคลื่น ความถี่ คาบ และอัตราเร็วเท่าใด
สำหรับคลื่นตามยาว เช่นคลื่นในลวดสปริงจะมีองค์ประกอบ ดังภาพ 3.5 บริเวณที่ขดลวดสปริงอยู่ใกล้ชิดกันมากเรียกว่า ส่วนอัด และบริเวณที่ขดลวดสปริงอยู่ห่างกันมาก เรียกว่า ส่วนขยาย ระยะระหว่างส่วนอัดที่อยู่ถัดกันเช่น BB‘ หรือระยะระหว่างกึ่งกลางส่วนขยายที่อยู่ถัดกันเช่น AA‘ เป็นความยาวคลื่นของคลื่นตามยาว
ภาพ 3.5 ส่วนต่างๆของคลื่นตามยาว
สำหรับคลื่นเสียงซึ่งเป็นคลื่นตามยาว ความสัมพันธ์ระหว่าง ความยาวคลื่น
เมื่อคลื่นเป็นตัวกลางเคลื่อนที่ปะทะสิ่งกีดขวาง จะมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นกับคลื่นหรือไม่
สมบัติของคลื่น
เมื่อสังเกตคลื่นในทะเลที่กำลังเคลื่อนที่เข้าสู่ฝั่ง จะพบว่าคลื่นที่กำลังจะถึงชายหาดมีความยาวคลื่นลดลง ถ้าเราปรบมือในห้องโถงจะได้ยินเสียงสะท้นแสดงว่าเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ปะทะสิ่งกีดขวางจะมีการเปลี่ยนแปลงขึ้นกับคลื่น
เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปพบสิ่งกีดขวางหรือเคลื่อนที่เข้าไปในตัวกลางอื่น จะมีลักษณะอย่างไร ศึกษาได้จากกิจกรรมต่อไปนี้
กิจกรรมสาธิต 3.1 สมบัติของคลื่น
การศึกษาสมบัติของคลื่นใช้อุปกรณ์ถาดคลื่น ดังภาพ ถาดคลื่นเป็นอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดคลื่นผิวน้ำ สามารถแสดงพฤติกรรมของคลื่นที่เปลี่ยนไปเมื่อพบสิ่งกีดขวางหรือเคลื่อนที่เข้าไปในตัวกลางอื่น
ภาพถาดคลื่น
กิจกรรมศึกษาสมบัติของคลื่น แบ่งออกเป็น 4 ตอนดังนี้
ตอนที่ 1
วางแผ่นกั้นหน้าตรงที่บริเวณกลางถาดคลื่น โดยให้เอียงทำมุมหนึ่งกับแนวการเคลื่อนที่ของคลื่น เปิดมอเตอร์ทำให้เกิดคลื่นเคลื่อนที่ไปตกกระทบแผ่นกั้น สังเกตและบันทึกการเปลี่ยนแปลง
ตอนที่ 2
วางแผ่นกระจกใสลงในถาดคลื่น น้ำที่อยู่เหนือแผ่นกระจกใสจะเป็นบิรเวณน้ำตื้น เปิดสวิตซ์มอเตอร์ทำให้เกิดคลื่นเคลื่อน ที่จากบริเวณน้ำลึกเข้าสู่บริเวณน้ำตื้น สังเกตและบันทึกทิศการเคลื่อนที่และความยาวคลื่นในบริเวณน้ำลึกและน้ำตื้น
ตอนที่ 3
วางแผ่นกั้นหน้าตรงที่บริเวณกลางถาดโดยให้ขนานกับแนวการเคลื่อนที่ของคลื่นทำให้คลื่นเคลื่อนที่เข้าหาแผ่นกั้น สังเกตและบันทึกลักษณะของคลื่นขณะผ่านขอบแผ่นกั้น
ตอนที่ 4
จัดปุ่มกำเนิดคลื่นสองปุ่มให้แตะผิวน้ำ เพื่อทำให้เกิดคลื่นวงกลมสองขบวนแผ่ออกไปสังเกตและบันทึกภาพที่เกิดขึ้น
– ให้นักเรียนวิเคราะห์ผลการทำกิจกรรมแต่ละตอน แล้วอภิปรายผลและนำเสนอผลการศึกษาสมบัติของคลื่น
จากการทำกิจกรรมนี้ นักเรียนได้ทราบถึงสมบัติต่างๆของคลื่น กล่าวคือเมื่อคลื่นกระทบแผ่นกั้น คลื่นได้เปลี่ยนทิศทางกลับสู่ตัวกลางเดิม โดยมีมุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อนปรากฏการณืนี้เรียกว่า การสะท้อน (reflection)
ภาพ 3.6 การสะท้อนของคลื่น
ภาพ 3.7 ค้างคาวรู้ตำแหน่งของเหยื่อโดยใช้หลักการสะท้อนของคลื่น
สัตว์หลายชนิดดำรงชีพได้โดยอาศัยหลักการสะท้อนของคลื่น เช่น ค้างคางซึ่งเป็นสัตว์ที่ออกหากินในเวลากลางคืนสามารถบินหลบหลีกสิ่งกีดขวางและรู้ตำแหน่งของแมลงตัวเล็กๆ ซึ่งเป็นอาหารได้ เพราะค้างคาวส่งและรับคลื่นเสียงที่สะท้อนกลับมาได้ ปลาโลมาก็ส่งสัญญาณโดยใช้การสะท้อนของคลื่นเสียงเช่นเดียวกัน
ในการสื่อสารโทรคมนาคมผ่านดาวเทียม สายอากาศจะทำหน้าที่ส่งคลื่นจากโฟกัสของจานไปสะท้อนที่ผิวจากโค้งให้เป็นลำขนานสู่ดาวเทียมที่กำลังอยู่ในวงโคจรที่อยู่สูงจากผิวโลกประมาณ 36,000 กิโลเมตร ดาวเทียมจะรับและขยายสัญญาณ แล้วส่งสัญญาณกลับมายังจานโค้งของสถานีรับสัญญาณบนโลก ซึ่งจะสะท้อนสัญญาณไปรวมกันที่อุปกรณ์รับที่โฟกัสของจาน อุปกรณืการรับและส่งสัญญาณบนดาวเทียมมีลักษณะเป็นรูปจานเช่นเดียมกับบนโลก แต่มีขนาดเล็กกว่ามาก
เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านรอยต่อระหว่างตัวกลางที่มีสมบัติต่างกัน เช่น บริเวณที่มีระดับความลึกของน้ำต่างกันในกิจกรรมตอนที่ 2 ทำให้ทิศของการเคลื่อนที่เบี่ยงเบน เนื่องมาจากอัตราเร็วของคลื่นเปลี่ยนไป เรียกว่า การหักเห (refraction) ดังรูป 3.9
เสียงก๊มีสมบัติการหักเหเช่นกัน เมื่อเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปอีกตัวกลางหนึ่ง อัตราเร็วทิศการเคลื่อนที่ของเสียงจะเปลี่ยนไป เช่น ขณะเกิดพายุฟ้าคะนอง บางครั้งเห็นฟ้าแลบ แต่ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง เนื่องจากเสียงเกิดการหักเหในขณะที่เดินทางจากบริเวณอากาศเย็นด้านบน ซึ่งมีความหนาแน่นมาก มายังบริเวณอากาศร้อนด้านล่าง ซึ่งมีความหนาแน่นน้อย ทำให้ทิศการเคลื่อนที่เปลี่ยนทีละน้อย จนสะท้อนกัลบไปในอากาศอีก จึงเห็นแต่ฟ้าแลบโดยไม่มีเสียงฟ้าร้อง
ภาพ 3.8 การรับและส่งสัญญาณโดยอาศัยการสะท้อนที่จานโค้ง
ภาพ 3.9 การหักเหของคลื่น
ภาพ 3.10 การเกิดฟ้าแลบโดยไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้องเกิดจากการหักเหของเสียง
สมบัติอีกประกาหนึ่งที่ได้เรียนรู้จากกิจกรรมตอนที่ 3 คือ ตามปกติเมื่อคลื่นปะทะสิ่งกีดขวาง จะมีคลื่นส่วนหนึ่งแผ่กระจายจากขอบของสิ่งกีดขวางไปทางด้านหลังของสิ่งกีดขวางนั้น ดังภาพ 3.11 การที่มีคลื่นปรากฏทางด้านหลังของสิ่งกีดขวางลักษณะนี้ เรียกว่า การเลี้ยงเบน (diffraction) นักเรียนหลายคนอาจเคยสังเกตว่า เมื่อเราเดินผ่านมุมอาคารเรียนหรือมุมตึกจะได้ยินเสียงต่างๆ จากอีกด้านหนึ่งของอาคาร ปรากฏการณ์นี้เกิดจากการเลี้ยวเบนของเสียง
ภาพ 3.11 การเลี้ยวเบนของคลื่น
ภาพ 3.12 การเลี้ยวเบนของเสียง
ภาพ 3.13 ลวดลายการแทรกสอด
ภาพ 3.14 การแทรกสอดของคลื่น
เมื่อทำให้คลื่นวงกลมสองขบวนแผ่กระจายออกไปคลื่นทั้งสองจะรวมกันทำให้เกิดบริเวณสงบนิ่ง และบริเวณสั่นสะเทือนมาก เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การแทรกสอด (interference) เมื่อคลื่นรวมกัน ณ ตำแหน่งใดที่สันคลื่นพบท้องคลื่น แอมพลิจูดรวมของคลื่นทั้งสองจะหักล้างกันผิวน้ำจึงไม่กระเพื่อม เรียกว่าการแทรกสอดแบบหักล้าง ส่วนตำแหน่งใดที่สันคลื่นพบสันคลื่น และท้องคลื่นพบท้องคลื่น แอมพลิจูดของคลื่นทั้งสองจะเสริมกันทำให้ผิวน้ำ ณ ตำแหน่งนั้น มีระดับสูงหรือต่ำมากที่สุดเรียกว่า การแทรกสอดแบบเสริม
ในการติดตั้งลำโพงเสียง ต้องระวังไม่ให้เสียงที่กระจายออกมาเกิดการแทรกสอดแบบหักล้างกัน ซึ่งจะทำให้ผู้ฟังตรงจุดนั้นไม่ได้ยินเสียง
คลื่นเสียงจากแหล่งกำเนิด 2 แหล่งกำเนิดที่มี่ความถี่ต่างกันเล็กน้อย เมื่อเคลื่อนไปพบกันจะเกิดปรากฏการณ์อย่างไร
กิจกรรมสาธิต 3.2 dการเกิดบีตส์
1. เคาะส้อมเสียงบนกล่องที่ 1 สังเกตเสียงที่ได้ยิน ใช้มือจับให้หยุดสั่น แล้วเคาะส้อมเสียงบนกล่องที่ 2 โดยเลื่อนที่ปรับความถี่ขงส้อมเสียงให้ต่างจากส้อมเสียงอันแรกเล็กน้อย สังเกตเสียงที่ได้ยิน
2. เคาะส้อมเสียงทั้งสองในเวลาใกล้กันแล้วสังเกตเสียงที่ได้ยิน
3. เลื่อนที่ปรับความถี่ของส้อมเสียงให้ต่างกัน แล้วนำมาทดลองซ้ำ
ภาพการเคาะส้อมเสียง
– เสียงที่ได้ยินเมื่อเคาะส้อมเสียงทั้งสองเป็นอย่างไร
จากกิจกรรมสาธิตปรากฏการณ์ของเสียงที่ได้ยินดังค่อยเป็นจังหวะเรียกว่า บีสต์ (beats) การที่เสียงดังและค่อยเป็นจังหวะสลับกันนี้ เกิดจากการรวมตัวกันของคลื่นเสียง ดังภาพ 3.15
ภาพ 3.15 การเกิดบีตส์ของคลื่นเสียงสองคลื่นที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อย
นักดนตรีที่ได้นำเอาหลักการของบีตส์ มาใช้เทียบเสียงของเครื่องดนตรีให้มีความถี่เท่ากับความถี่ของเสียงมาตรฐานที่ต้องการ เช่น การเทียบเสียงกีตาร์ให้ได้มาตรฐาน โดยดีดกีตาร์ให้เกิดเสียงและให้เสียงจากแหล่งกำเนิดเสียงมาตรฐานดังขึ้นพร้อมกัน ถ้าได้ยินบีตส์แสดงว่าความถี่ยังไม่เท่ากัน ต้องปรับสายกีตาร์ต่อไป จนไม่ได้ยินเสียงบีตส์จึงจะถือว่าเสียงกีตาร์เป็นเสียงที่มีความถี่มาตรฐานแล้ว
ภาพ 3.16 การเทียบเสียงเครื่องดนตรี
เสียงและการได้ยิน
เสียงในชีวิตประจำวัน
นีวิตประจำวัน เราได้ยินเสียงต่างๆมากมาย เสียงทำให้เกิดภาษาพูด เสียงช่วยถ่ายทอดความรู้ ความคิด ประสบการณ์ ความรู้สึกและอารมณ์ จากผู้พูดสู่ผู้ฟัง เสียงจึงมีอิทธิพลต่อมนุษย์มาก ลองจินตนาการว่า ถ้าเราไม่ได้ยินเสียงอะไรเลย ชีวิตจะเป็นอย่างไร
3.4.1 เสียงเกิดขึ้นได้อย่างไร
ภาพ 3.17 การเกิดเสียง
เสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุ พลังงานที่ทำให้วัตถุสั่นจะทำให้โมเลกุลของอากาศที่อยู่รอบวัตถุสั่นตาม ซึ่งจะถ่ายโอนพลังงานให้กับโมเลกุลของอากาศที่อยู่ถัดไปต่อไป ส่งผลให้คลื่นเสียงเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดเสียงมายังหูเรา การได้ยินเสียงเป็นการทำงานของระบบประสาท ทำให้รับรู้และแยกแยะวิเคราะห์เป็นเรื่องราวต่างๆได้ หลังจากถ่ายโอนพลังงานไปแล้ว โมเลกุลของอากาศจะสั่นกลับสู่ตำแหน่งเดิม ในแนวเดียวกับแนวการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียง
– คลื่นเสียงเป็นคลื่นชนิดใด
ความดันอากาศในบริเวณที่เสียงเคลื่อนที่ผ่านเรียกว่า ความดันเสียง ณ เวลาหนึ่ง โมเลกุลของอากาศในบางบริเวณจะอยู่ใกล้ชิดกันมาก ทำให้มีความหนาแน่นและความดันสูงกว่าปกติ บริเวณนี้เรียกว่า ส่วนอัด แต่ในบางบริเวณ โมเลกุลของอากาศอยู่ห่างกันมากจึงมีความหนาแน่นและความดันต่ำกว่าปกติ บริเวณนี้เรียกว่าส่วนขยาย การเปลี่ยนแปลงของความดันเสียงกับระยะทางมีลักษณะเป็นรูปคลื่นไซน์ (sine wave) ดังภาพ 3.18
ภาพ 3.18 ความดันของอากาศ ขณะคลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่าน
ถ้าการเปลี่ยนแปลงลักษณะนี้เกิดขึ้นระหว่าง 20 ถึง 20,000 ครั้งต่อวินาที หูคนปกติจะสามารถรับรู้การเปลี่ยนแปลงได้ นั่นคือจะได้ยินเสียงที่มีความถี่ในช่วง 20 ถึง 20,000 เฮิรตซ์
ส่วนประกอบของหู
หูของคนประกอบด้วย 3 ส่วน คือหูส่วนนอก หูส่วนกลาง และหูส่วนใน
หูส่วนนอกรับคลื่นเสียง ส่งต่อไปยังหูส่วนกลางซึ่งมีกระดูชิ้นเล็กๆ ทำหน้าที่ขยายสัญญาณเสียง การรับรู้เสียงเกิดขึ้นที่หูส่วนใน ซึ่งมีท่อกลวงขดเป็นก้นหอยที่เรียกว่า คอเคลีย ภายในท่อนี้มีเซลล์ขนจำนวนมากคอยจับการสั่นของคลื่นเสียงพร้อมกับส่งสัญญาณการรับรู้ไปยังสมอง สมองจะทำหน้าที่แปลสัญญาณที่ได้รับ ทำให้เรารับทราบเกี่ยวกับเสียงที่ได้ยิน
เสียงที่ดังมากและฟังติดต่อกันเป็นช่วงเวลานาน จะมีผลให้เป้นอันตรายต่อระบบการทำงานของหูได้จึงควรหลีกเลี่ยงเสียงดังเกินไปหรือใส่ที่ครอบหู เพื่อลดความดังของเสียง
3.4.2 ธรรมชาติของเสียง
เสียงที่เราได้ยิน มีทั้งเสียงสุง เสียงต่ำ เสียงดัง เสียงค่อย แตกต่างกันไป และบางเสียงที่เราได้ยิน ก็ยังสามารถบอกได้ว่าเป็นเสียงของอะไร หรือเสียงของใครโดยที่ไม่เห็นแหล่งกำเนิดเสียง ลักษณะดังกล่าวถือว่าเป็น ธรรมชาติของเสียงซึ่งจะได้ศึกษาต่อไป
ระดับเสียง
เสียงต่างๆที่ได้ยินจากคนพูด จากเครื่องดนตรี หรือเสียงสัตว์ต่างๆ เราบอกได้ว่ามีระดับเสียงสูงหรือต่ำ ระดับเสียงขึ้นอยู่กับความถี่ของเสียง เสียงสูงเป็นเสียงที่มีความถี่มากเรียกว่า เสียงแหลม ส่วนเสียงต่ำเป็นเสียงที่มีความถี่น้อยเรียกว่า เสียงทุ้ม
มนุษย์ได้รับความรื่นรมย์จากการเปลี่ยนแปลงระดับเสียงในรูปแบบของเสียงดนตรี ต่อมาเมื่อมีความรู้เกี่ยวกับระดับเสียงจึงมีการจัดแบ่งโน๊ตดนตรีเป็นสเกลตามความถี่
ภาพ 3.19 ดนตรีไทย
มนุษย์และสัตว์ต่างได้ยินเสียงที่มีความถี่ต่างกันอย่างไร
ภาพ 3.20 ความถี่ของเสียงที่เกิดจากมนุษย์ สัตว์ต่างๆ และอุปกรณ์บางชนิดและช่วงความถี่
ที่หูของสิ่งมีชีวิตสามารถได้ยิน
(ดัดแปลงจาก LIFE SCIENCE LIBRARY, SOUND AND HEARING, TIME-BOOKS,1980 )
– มีเสียงใดช่วงความถี่ใดบ้างที่คนได้ยินแต่สัตว์ไม่ได้ยิน หรือสัตว์ได้ยินแต่คนไม่ได้ยิน จะนำความรู้นี้มาใช้ประโยชน์อย่างไร
เสียงที่มีความถี่ต่ำกว่า 20 เฮิรตซ์ เรียกว่าอินฟราซาวด์ (infrasound) และเสียงที่มีความถี่สูงกว่า 20,000 เฮิรตซ์ เรียกว่าอัลตราซาวด์(ultrasound)
ความรู้เกี่ยวกับเสียงความถี่สูง นำไปสู่การสร้างเครื่องอัลตราซาวด์ ซึ่งมีประโยชน์เช่น ใช้ตรวจสภาพเนื้อเยื่อในร่างกาย ใช้สลายก้อนนิ้วในไตและถุงน้ำดี ใช้ทำความสะอาดเครื่องมือและอุปกรณ์ที่มีความละเอียด ใช้สำรวจความลึกของมหาสมุทรและใช้ในการประมงเพื่อสำรวจหาแหล่งปลา เป็นต้น
– เราสามารถใช้อัลตราซาวด์สำรวจความลึกของมหาสมุทรและแหล่งปลาด้วยวิธีใด
ภาพ 3.21 การใช้อัลตราซาวด์ในงานด้านต่างๆ
ความดัง
คลื่นเสียงเป็นพลังงานรูปหนึ่ง พลังงานเสียงจะถูกถ่ายโอนผ่านโมเลกุลของอากาศจนถึงหูผู้ฟัง ถ้าพลังงานเสียงมากพอก็จะได้ยินเสียงได้ นั่นคือความดังของเสียง พลังงานเสียงที่ตกตั้งฉากบนหนึ่งหน่วยพื้นที่ในหนึ่งหน่วยเวลาเรียกว่า ความเข้มเสียง (sound intensity) มีหน่วยเป็นวัตต์ต่อตารางเมตร
เสียงที่ได้ยินมีช่วงความเข้มที่กว้างมาก ซึ่งไม่สะดวกในการใช้หรืออ้างอิง จึงวัดความดังเป็น ระดับความเข้มเสียง (sound intensity level) กำหนดให้เสียงค่อยที่สุดที่เริ่มได้ยินมีระดับความเข้มเสียงเป็น 0 เดซิเบล และเสียงดังที่สุดที่ไม่เป็นอันตรายต่อหูมีระดับความเข้มเสียงเป็น 120 เดซิเบล
ภาพ 3.22 เครื่องวัดระดับความเข้มเสียงชนิดหนึ่ง แสดงผลการวัดด้วยตัวเลข
ระดับความเข้มเสียงของแหล่งกำเนิดเสียงต่างๆ แสดงในตาราง 3.1
ตาราง 3.1 ระดับความเข้มเสียงโดยประมาณจากแหล่งกำเนิดเสียงต่างๆ
– จากตาราง 3.1 ถ้าเราได้ยินเสียงความเข้มมากติดต่อกันเป็นเวลานาน จะเป็นอันตรายต่อหูหรือไม่
ตามข้อกำหนดขององค์การอนามัยโลก ระดับความเข้มเสียงที่ปลอดภัยต้องไม่เกิน 85 เดซิเบล และได้ยินติดต่อกันไม่เกินวันละ 8 ชั่วโมง เสียงที่มีระดับความเข้มเสียงสูงกว่านี้เป็นเสียงที่อาจก่อให้เกิดอันตรายต่อหูและสภาพจิตใจของผู้ฟังได้ ถือได้ว่าเป็น มลภาวะของเสียง(noise pollution)
เครื่องอุดหู (ear plugs) สามารถลดระดับความเข้มเสียงได้ 6-25 เดซิเบล ส่วนเครื่องครอบหู (ear muffs) สามารถลดระดับความเข้มเสียงได้ 30-40
ภาพ 3.23 วิธีการต่างๆที่ใช้ลดมลภาวะของเสียง
กิจกรรม 3.2 เสียงรบกวนในท้องถิ่น
ให้นักเรียนสืบค้นข้อมูลและระดมความคิดร่วมกัน เกี่ยวกับระดับความเข้มเสียงบริเวณต่างๆในท้องถิ่น เช่น การจราจร โรงงาน สถานประกอบการ หรือบริเวณอื่นใดที่อาจมีปัญหามลภาวะของเสียง แล้วอภิปรายร่วมกัน เสนอแนวคิดในการลดมลภาวะของเสียง จากนั้นให้ร่วมกันนำเสนอผล
คุณภาพเสียง
เมื่อฟังเสียงของเครื่องดนตรีต่างชนิดกัน เช่น ขลุ่ย หรือแคนที่เล่นตัวโน๊ตเดียวกัน แต่เราบอกได้ว่าเสียงใดเป็นเสียงขลุ่ย เสียงใดเป็นเสียงแคน เหตุใดเราจึงแยกเสียงทั้งสองได้
ภาพ 3.24 คุณภาพเสียงของเครื่องดนตรีต่างๆที่เล่นโน๊ตตัวเดียวกัน
กิจกรรมสาธิต 3.3 รูปคลื่นเสียงจากแหล่งกำเนิดต่างๆ
ภาพออสซิลโลสโคป
ต่อไมโครโฟนเข้ากับออสซิลโลสโคป เล่นเครื่องดนตรีสามชนิด โดยเล่นโน้ตตัวเดียวกัน แต่ละครั้งสังเกตและบันทึกรูปคลื่นเสียง
– รูปคลื่นเสียงของเครื่องดนตรีทั้งสามชนิดที่เล่นน็ตตัวเดียวกัน มีรูปร่างเหมือนกันหรือไม่
เมื่อเล่นเครื่องดนตรีแต่ละชนิดโดยใช้โน้ตตัวเดียวกันจะได้รูปคลื่นเสียงที่แตกต่างกัน เนื่องจากเครื่องดนตรีแต่ละชนิดมีคุรภาพเสียงต่างกัน คุณภาพเสียงจึงช่วยระบุแหล่งกำเนิดเสียงที่แตกต่างกันได้
คุณภาพเสียงไม่ได้หมายความว่าเสียงดีหรือไม่ดี แต่เป็นลักษณะเฉพาะตัวของเสียงนั้นๆ เสียงพูดของแต่ะละคนก็มีคุณภาพเสียงที่แตกต่างกัน ความรู้เรื่องคุณภาพเสียงนำไปสร้างเครื่องวิเคราะห์เสียง (voice spectrograph) เพื่อใช้ในงานต่างๆ เช่น ในงานพิสูจน์หลักฐาน เพื่อระบุบุคคลที่พูดทั้งนี้เนื่องจากคุณภาพเสียงแต่ละคนให้รูปคลื่นแตกต่างกันเช่นเดียวกับคุณภาพเสียงของเครื่องดนตรีต่างๆที่เล่นโน้ตตัวเดียวกัน
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
.jpg)
ภาพ 3.25 8 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
การศึกษาที่ผ่านมา คลื่นผิวน้ำและคลื่นเสียงเป็นคลื่นกลที่เคลื่อนที่โดยอาศัยตัวกลาง ยังมีคลื่นอีกชนิดหนึ่งที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลาง คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave)
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าซึ่งเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ทิศของสนามทั้งสองตั้งฉากกันและตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ ดังภาพ 3.25
– คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นชนิดใด
จากการศึกษายังพบว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงความถี่ต่างๆ มีลักษณะเฉพาะตัว จึงมีชื่อเรียกต่างกัน เมื่อเรียงลำดับจากความถี่ต่ำไปความถี่สูงจะได้ดังนี้ คลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ รังสีอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็ฯ รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกช่วงที่มีความถี่ที่ต่อเนื่องกัน รวมเรียกว่า สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic spectrum)
| หน่วยของความถี่ ความถี่มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์ (Hz) นอกจากนี้ยังมีหน่วย กิโลเฮิรตซ์ (kHz) เมกะเฮิรตซ์ (MHz) และจิกะเฮิรตซ์ (GHz) โดยมีวคามสัมพันธ์กันดังนี้ 1 kHz = 1000 Hz = 103 Hz 1 MHz = 1000 kHz = 106 Hz 1 GHz = 1000 MHz = 109 Hz |
.jpg)
ภาพ 3.26 สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและการใช้ประโยชน์
ในธรรมชาติมีแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามากมาย เช่น ดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์อื่นๆ และแร่ธาตุบางชนิด มนุษย์ยังใช้ความรู้ความสามารถประดิษฐ์เครื่องกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้อีกมาก ซึ่งนำมาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง อย่างไรก็ตาม คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีทั้งประโยชน์และโทษ จึงจำเป็นต้องมีความรู้ความเข้าใจอย่างถูกต้องแท้จริง
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้ประโยชน์มากในชีวิจประจำวันคือ คลื่นวิทยุ (radio wave) ซึ่งมีความถี่ในช่วง 104 ถึง 109 เฮิรตซ์ เป็นคลื่นที่ใช้ในการส่งข่าวสารและสาระบันเทิง ทำการส่งได้โดยเปลี่ยนเสียงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า แล้วผสมกับคลื่นวิทยุซึ่งทำหน้าที่เป็นคลื่นพาหะคลื่นที่ผสมแล้วจะถูกขยายให้มีกำลังสูงขึ้น แล้วส่งไปยังสายอากาศเพื่อกระจายคลื่นไปยังเครื่องรับวิทยุ
.jpg)
ภาพ 3.27 การส่งและรับคลื่นวิทยุ
การผสมสัญญาณเสียงกับคลื่นวิทยุมี 2 ระบบคือ เอเอ็ม (AM : Amplitude Modulation) และเอฟเอ็ม (FM: Frequency Modulation) การผสมคลื่นระบบ AM แอมพลิจูดของคลื่นพาหะจะเปลี่ยนตามคลื่นเสียง ส่วนความถี่ของคลื่นพาหะไม่เปลี่ยน โดยส่งกระจายเสียงด้วยความถี่ 530-1,600 กิโลเฮิรตซ์ ส่วนการผสมคลื่นระบบ FM แอมพลิจูดของคลื่นพาหะไม่เปลี่ยนแปลง แต่ความถี่ของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงตามคลื่นเสียง ส่งกระจายเสียงด้วยความถี่ 88 – 108 เมกะเฮิรตซ์ ดังภาพ 3.28
.jpg)
ภาพ 3.28 การผสมสัญญาณ
นอกจากนี้ยังอาจส่งกระจายเสียงโดยใช้คลื่นวิทยุที่มีความถี่สูงกว่าเล็กน้อย คือ ประมาณ 2 -30 เมกะเฮิรตซ์ เรียกว่า คลื่นสั้น หรือ ชอร์ทเวฟ มักใช้ในการสื่อสารระหว่างประเทศ
– สถานีวิทยุกรีนเวฟส่งกระจายคลื่นด้วยความถี่ 106.5 เมกะเฮิรตซ์ จะมีความยาวคลื่นเท่าใด
.jpg)
ภาพ 3.29 การสะท้อนของคลื่นวิทยุที่บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์
ตาราง 3.2 การใช้งานคลื่นวิทยุและไมโครเวฟ
| ช่วงความถี่ | การใช้งาน |
| 30 Hz – 300 kHz 300 kHz – 3 MHz 3 – 30 MHz 30 – 300 MHz 300 MHz – 3GHz มากกว่า 3 GHZ |
สื่อสารทางทะเล ส่งคลื่นวิทยุระบบเอเอ็ม ส่งคลื่นสั้นระหว่างประเทศ ส่งคลื่นวิทยุระบบเอฟเอ็ม ส่งคลื่นโทรทัศน์และโทรทัศน์เคลื่อนที่ สื่อสารผ่านดาวเทียม |
กิจกรรม 3.3 สืบค้นข้อมูลเรื่องคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
สืบค้นข้อมูลเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดและการกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รวมไปถึงการใช้ประโยชน์ และผลของการใช้ ทั้งคุณและโทษ แล้วนำเสนอข้อมูลต่อชั้นเรียน
คลื่นวิทยุในช่วงความถี่ต่ำถึงปานกลางสามารถสะท้อนที่บรรยากาศชัน ไอโอโนสเฟียร์ (ionosphere) ซึ่งอยู่สูงจากผิวโลกประมาณ 100 กิโลเมตร ทำให้สามารถใช้คลื่นวิทยุในการติดต่อสื่อสารกับสถานที่ที่อยู่ไกลได้ แต่สำหรับคลื่นวิทยุในระบบเอฟเอ็มซึ่งมีความถี่สูงกว่า คลื่นจะทะลุผ่านชั้นไอโอโนสเฟียร์ไปได้ จึงใช้ในการติดต่อกับยายอวกาศที่เดินทางไปไกลจากโลกมากๆ ดังนั้นการรับคลื่นวิทยุในระบบเอฟเอ็มบนพื้นโลก จึงได้รับเฉพาะคลื่นที่แผ่กระจายจากสายอากาศของเครื่องส่ง ตรงมายังเครื่องรับวิทยุของเราจึงรับสัญญาณได้ไม่ไกลมาก
คลื่นเป็นพลังงานที่มีอยู่ในธรรมชาติและที่มนุษย์ผลิตขึ้นได้มีความสำคัญอย่างยิ่งในชีวิตประจำวัน และการทำกิจกรรมต่างๆของมนุษย์ การทำความเข้าใจเกี่ยวกับสมบัติและการใช้ประโยชน์ของคลื่นจะช่วยให้มนุษย์และสิ่งแวดล้อมดำรงอยู่ได้อย่างยั่งยืนและสมดุลทำให้นำมาใช้งานได้อย่างปลอดภัยต่อตนเองและสิ่งแวดล้อม
ครูภควัต โอวาท 