การสั่นและคลื่นเสียง

การสั่นและคลื่นเสียง

SHOCK  WAVES หรือ ชอร์กเวฟ

              ชอร์กเวฟเกิดขึ้นจากแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ได้เท่ากับความเร็วของคลื่นหรือเร็วกว่า           จะเกิดปรากฎการณ์ที่ว่าสันคลื่นไม่สามารถที่จะเคลื่อนที่ออกไปจากแหล่งกำเนิดเสียง โดยถ้าแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ได้เท่ากับความเร็วของคลื่น   สันคลื่นจะเกิดการซ้อนกัน  เสริมกันกลายเป็นแอมพลิจูดขนาดใหญ่เรียกว่า  ชอร์กเวฟ    และเมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่เร็วกว่าคลื่น  สันคลื่นจะฟอร์มตัวเป็นรูปกรวย  โดยมีมุม    =  sin^-1(v/u)    อัตราส่วน  u/v  เรียกว่า เลขมัค  (Mach number)     ชอร์กเวฟเกิดขึ้นได้บ่อยมากในสถานการณ์ต่างๆกัน  ดังเช่น  โซนิกบูม  คือ ชอร์กเวฟประเภทหนึ่งของเครื่องบินที่วิ่งเร็วเหนือเสียง    คลื่นที่เกิดหลังเรือเร็วก็เป็นชอร์กเวฟอีกประเภทหนึ่ง    นอกอวกาศก็สามารถจะเกิดชอร์กเวฟได้  อย่างเช่น ลมสุริยะที่วิ่งด้วยความเร็วสูงเข้าชนสนามแม่เหล็กโลก  เป็นต้น

a)  เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วของคลื่น  สันคลื่นจะรวมกันอยู่ที่ยอดก่อให้เกิดชอร์กเวฟขึ้น  b)  ชอร์กเวฟเกิดขึ้นได้อีกกรณีหนึ่งเมื่อความเร็วของแหล่งกำเนิดเสียง u  มากกว่าความเร็วของคลื่น v  ในช่วงระยะเวลา หน้าคลื่นจะเคลื่อนที่ได้เป็นระยะ   แต่แหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ได้ระยะทางมากกว่า คือ         ชอร์กเวฟจะฟอร์มตัวเป็นรูปกรวย  โดยมีมุม  =  sin^-1(v/u)

เสียง

 

    ค ลื่ นเ สี ย ง    

 

              เสียงเกิดจาก การสั่นของวัตถุ เราสามารถทำให้วัตถุสั่นด้วยวิธีการ ดีด สี ตีและเป่า เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเกิดการสั่น จะทำให้โมเลกุลอากาศสั่นตามไปด้วยความถี่เท่ากับการสั่นของแหล่งกำเนิดเสียง เกิดเป็นช่วงอัดช่วงยายของโมเลกุลของอากาศ ซึ่งพลังงานของการสั่นจะแผ่ออกไปรอบๆแหล่งกำเนิดเสียง ตรงกลางส่วนอัดและตรงกลางส่วนขยายโมเลกุลอากาศจะไม่มีการเคลื่อนที่(การกระจัดเป็นศูนย์) / แต่ตรงกลางส่วนอัดความดันอากาศจะมากและตรงกลางส่วนขยายความดันอากาศจะน้อยมาก ดังนั้นคลื่นเสียงจึงเป็นคลื่นตามยาวเพราะโมเลกุลของอากาศจะสั่นในทิศเดียวกับทิศที่เสียงเคลื่อนที่ไป ความดังของเสียงจะขึ้นอยู่กับช่วงกว้างของการสั่น(แอมปลิจูด) ถ้าแอมปลิจูดมากเสียงจะดังมาก การเปลี่ยนความดันอากาศนี้สามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้า จนถึง หูของ ผู้ฟังทำให้ได้ยินเสียง

รูปแสดงการเกิดคลื่นเสียงจากการสั่นของสายกีต้า เพียง 1 ทิศทาง แหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วเสียง

v _source  =   v  _sound    (Mach 1  )  จ่อที่กำแพงเสียง

       เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าเสียง   (v _s  =  v หรือ Mach  1  )   หน้าคลื่นทางขวาจะถูกอัดกันอยู่ทางด้านหน้า เป็นแนวเส้นโค้ง  ทำให้หน้าคลื่นเกิดการแทรกสอดแบบเสริมกัน  ความดันของคลื่นเพิ่มขึ้นอย่างมากมาย   เรียกว่า คลื่นกระแทก  ( shock wave)   

        ภาพบนคือลูกปืนที่วิ่งด้วยความเร็ว Mach 1.01  จะเห็นคลื่นกระแทกเป็นแนวโค้งหน้าลูกปืนอย่างชัดเจน    



ลองฟังเสียงก้อง

ดังที่ได้กล่าวมาแล้วว่าเสียงก้องเกิดจากเสียงสะท้อนที่เข้าสู่หูผู้ฟังเป็นเวลาห่างจากเสียงที่มาจากแหล่งกำเนิดโดยตรงน้อยกว่า 0.1 วินาที ความหน่วงของระบบประสาทจะทำให้ผู้ฟังได้ยินเสียง โดยตรงกับเสียงสะท้อนเป็นเสมือนเสียงที่ต่อเนื่องกัน    แต่บางครั้งเสียงสะท้อนก็ไม่ได้สะท้อนจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นเพียงครั้งเดียว แต่เกิดการสะท้อนไปมาหลายครั้งก่อนที่จะเข้าสู่หูของเรา ยกตัวอย่างเช่นการพูดในห้องซึ่งมีผนังสี่ด้านเพดาน และพื้น เสียงพูดที่เข้าสู่หูของเราจะเป็นเสียงที่เกิดจากการสะท้อนไปมาในห้องหลายครั้ง จึงทำให้เราได้ยินเสียงก้องยาวนาน แต่หากเสียงสะท้อนไปมาน้อยครั้งเราก็จะได้ยินเสียงก้องสั้นๆ    ทดลองฟังเสียงก้องข้างล่างนี้จะช่วยให้เข้าใจมากขึ้น เสียงเหล่านี้เป็นเสียงพูดในห้องที่มีสมบัติในการเกิดเสียงก้องต่างๆกัน ตั้งแต่ไม่มีเสียงก้อง เสียงก้องสั้น ไปจนถึงเสียงก้องนาน

The Click Song - Miriam Makeba

 

เมื่อเราผ่านกระบวนการแรกเสร็จแล้วนะ เราก้อจะเข้าสู่กระบวนการที่ 2 คือการทำให้เป็นเสียงแบบต่างๆ โดยเกิดจากการดัดแปลงการทำงานของเส้นเสียง ซึ่งจะทำให้เกิดเสียงได้ 2 แบบคือ เสียงก้องกับเสียงไม่ก้อง อธิบายง่ายๆนะครับ ลองเอามือไปแตะไว้บริเวณลำคอ แล้วลองพูดดูนะครับ เสียงที่ก้องจะพบว่ามันมีการสั่นของเส้นเสียง คือ มีการสั่นที่บริเวณกล่องเสียงหรือลูกกระเดือกของเรานะครับ ถ้าเสียงไม่ก้องจะไม่มีการสั่นของเส้นเสียง โดยที่การสั่นของเส้นเสียงจนทำให้เกิดเสียงก้องนี้นะครับ เราจะเรียกมันว่าการสั่นแบบธรรมดา ลองดูวิดิโอนี้นะครับ

อ้างอิง

http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/89/sound.html 

http://www.rmutphysics.com/charud/virtualexperiment/Explore/Dopplereffect/Dopplereffectthai3.htm

http://www.neutron.rmutphysics.com/teaching-glossary/index.php?option=com_content&task=view&id=4604&Itemid=15

http://phoneticsku.blogspot.com/2010/10/blog-post.html