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

 f  =  \frac{1}{T}    หรือ   T  =  \frac{1}{f}

เนื่องจากอัตราเร็วของวัตถุคือระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา  ในทำนองเดียวกัน  อัตราเร็วของคลื่น   คือระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา
สมมติคลื่นเคลื่อนที่ได้ระยะทางเท่ากับความยาวคลื่น  λ   ดังนั้นเวลาที่ใช้จะเท่ากับคาบ  T  ด้วยเหตุนี้อัตราเร็วของ  คลื่น  v  จะมีค่าดังนี้

 v = \frac{\lambda }{T}    หรือ  Â  v = f\lambda

–  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  Â  \lambda     ความถี่  f  และอัตราเร็วของคลื่น  v    ยังคงเป็นไปตามสมการ   v  =  f \lambda     นอกจากคลื่นเสียงสามารถเคลื่อนที่ผ่านอากาศได้แล้ว  คลื่นเสียงยังสามารถเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่เป็นของเหลวและของแข็งได้ด้วย

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


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


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


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


ภาพ 3.28  การผสมสัญญาณ

นอกจากนี้ยังอาจส่งกระจายเสียงโดยใช้คลื่นวิทยุที่มีความถี่สูงกว่าเล็กน้อย  คือ  ประมาณ  2 -30 เมกะเฮิรตซ์  เรียกว่า  คลื่นสั้น  หรือ ชอร์ทเวฟ  มักใช้ในการสื่อสารระหว่างประเทศ

–  สถานีวิทยุกรีนเวฟส่งกระจายคลื่นด้วยความถี่  106.5  เมกะเฮิรตซ์  จะมีความยาวคลื่นเท่าใด


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

Advertisements