ผู้จัดทำ

1.) นาย  เตชินท์ เอกสุวีรพงษ์       เลขที่ 2   ม.5/11

2.) นาย  ธิติ วรศรีวิศาล                 เลขที่ 9   ม.5/11

3.) นาย  นนทวัฒน์ เทพสิมานนท์ เลขที่ 10 ม.5/11

ตัวอย่างสื่อการสอนเรื่องเสียง

ตัวอย่างสื่อการสอนเรื่องเสียง

ธรรมชาติของเสียง

1. กำเนิดเสียง

เสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุที่เป็นต้นกำเนิดเสียง เช่นการดีดสายกีตาร์ พลังงานในการดีดซึ่งเป็นพลังงานกล จะถูกถ่ายโอนให้กับสายกีตาร์ ทำให้สายกีตาร์สั่น พลังงานในการสั่นของสายกีตาร์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานเสียงแผ่กระจายออกไปโดยรอบ

การแผ่กระจายพลังงานเสียงออกไป ถูกส่งออกไปในลักษณะของคลื่นกล ซึ่งต้องอาศัยตัวกลางในการส่งผ่านพลังงาน ตัวกลางที่คลื่นเสียงผ่านได้มีทั้ง ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ โดยตัวกลางที่เป็นของแข็งคลื่นเสียงผ่านได้ดีกว่าในของเหลว และ ก๊าซตามลำดับ
ความถี่ของเสียงจะเท่ากับความถี่การสั่นของอนุภาคตัวกลาง(แบบซิมเปิลฮาร์มอนิก) และเท่ากับความถี่การสั่นของแหล่งกำเนิดเสียง โดยความถี่ของเสียงที่แตกต่างกันจะทำให้ได้ยินเป็นเสียงแหลมและเสียงทุ้มต่างกัน ดังนั้นเสียงดนตรีที่ไพเราะจึงเกิดจากการส่งเสียงออกไปด้วยความถี่เสียงที่แตกต่างกันอย่างมีลำดับที่สวยงามและสอดคล้องกันจากจินตนาการของนักประพันธ์เพลง

2. อัตราเร็วเสียง(Sound Speed)

ในตัวกลางเดิม เช่นในอากาศอุณหภูมิคงที่ คลื่นเสียงจะเดินทางด้วยอัตราเร็วคงตัว ดังนั้นเมื่อคำนวณการเดินทางของเสียงจึงใช้สมการ

การถ่ายทอดพลังงานเสียงผ่านอากาศ

คลื่นเสียงเดินทางจากแหล่งกำเนิดเสียง ผ่านอากาศซึ่งเป็นตัวกลาง กระบวนการส่งพลังงานเสียงไปถึงผู้ฟังเป็นอย่างไร

เมื่อวัตถุแหล่งกำเนิดเสียงเกิดการสั่น จะทำให้เกิดการอัดตัวและขยายตัวของโมเลกุลอากาศต่อเนื่องสลับกันไป เกิดการถ่ายถอดพลังงานผ่านโมเลกุลอากาศออกไป บริเวณที่อากาศอัดตัว อากาศจะมีความดันสูงกว่าปกติ และบริเวณที่อากาศขยายตัวจะมีความดันต่ำกว่าปกติ
จากรูป

ณ ตำแหน่งที่อากาศอัดตัว จะทำให้ความดันอากาศสูงสุด โดยโมเลกุลที่ตำแหน่งกึ่งกลางช่วงอัดไม่มีการกระจัด ดังนั้นตำแหน่งนี้การกระจัดโมเลกุลอากาศเป็นศูนย์
ณ ตำแหน่งที่อากาศขยายตัว จะทำให้ความดันอากาศต่ำสุด โดยโมเลกุลที่ตำแหน่งกึ่งกลางช่วงอัดไม่มีการกระจัด ดังนั้นตำแหน่งนี้การกระจัดโมเลกุลอากาศเป็นศูนย์
เมื่อเปรียบเทียบเฟสของกราฟความดันอากาศกับกราฟการกระจัดโมเลกุลอากาศ พบว่ากราฟมีเฟสต่างกัน 90 องศา(โดยเฟสการกระจัดมากกว่า)
ระยะจากกลางช่วงอัดถึงอัดที่อยู่ถัดกัน หรือขยายถึงขยายที่อยู่ถัดกันไป จะมีระยะห่างกันเท่ากับ 1 ความยาวคลื่น

สมบัติของเสียงแบบคลื่น

จากที่ทราบแล้วว่าเสียงเป็นคลื่นกลชนิดคลื่นตามยาว 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 แหล่งกำเนิดอาพันธ์ส่งคลื่นเสียงเฟสตรงกันเมื่อจุดสังเกต 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

คลื่นนิ่ง

คลื่นนิ่งของเสียง เกิดจากคลื่นเสียงต่อเนื่อง 2 ขบวนที่เหมือนกันทุกประการ ได้แก่ ความถี่ ความยาวคลื่น อัตราเร็ว แอมปลิจูด คลื่นทั้งสองขบวนเคลื่อนที่สวนทางกัน เกิดการรวมกัน เกิดบัพและปฏิบัพที่ตำแหน่งเดิม ตามแนวเส้นตรงระหว่างแหล่งกำเนิดเสียงทั้งสอง ถ้าเดินตามแนวเส้นตรงนี้จะได้ยินเสียงดังสลับกับเบา การทดลองคลื่นนิ่งของเสียงนิยมใช้ลำโพงตัวเดียวเป็นแหล่งกำเนิดเสียงโดยหันหน้าลำโพงให้เสียงกระทบพื้น เกิดการสะท้อนกลับ ทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดเสียงที่สองเคลื่อนที่สวนทางจะได้คลื่นที่เหมือนกันวิ่งสวนทางกันเกิดคลื่นนิ่งของเสียงตามแนวเส้นตรงระหว่างลำโพงเสียงกับพื้น

รูปแสดงคลื่นนิ่งของเสียง เมื่อใช้แหล่งกำเนิดเสียง 2 แหล่ง

รูปแสดงคลื่นนิ่งจากการใช้ลำโพงเสียงตัวเดียวแล้วให้เสียงสะท้อนกลับ

การเขียนรูปแสดงการเกิดคลื่นนิ่งที่เป็น loop มี 2 แบบ คือ คลื่นนิ่งของความดันอากาศ กับคลื่นนิ่งการกระจัดโมเลกุลอากาศ ซึ่งจะมีตำแหน่งบัพและปฏิบัพสลับกัน ถ้าเป็นคลื่นนิ่งความดันตำแหน่งปฏิบัพเป็นตำแหน่งเสียงดัง ส่วนบัพเป็นตำแหน่งเสียงเบา ถ้าเป็นคลื่นนิ่งการกระจัด ตำแหน่งปฏิบัพเป็นตำแหน่งเสียงเบา ส่วนตำแหน่งบัพเป็นตำแหน่งเสียงดัง
ในกรณีการเกิดคลื่นนิ่งในเส้นลวดหรือเส้นเชือก เช่นการดีดสายกีตาร์ การสั่นจะให้เสียงออกมามีค่าความถี่เสียงตามสมการ

ความถี่เสียงที่ได้จากการเกิดคลื่นนิ่งบนเส้นลวด จะแปรผันตรงกับจำนวน loop และรากที่สองของความตึงลวด

ภาพเคลื่อนไหวแสดงคลื่นนิ่งในเส้นลวดขึงตึง ที่มีจำนวน loop ต่างกัน



เมื่อมีรูปคลื่นนิ่ง เราสามารถนำไปหาค่าของความยาวคลื่นได้ จาก ระยะจากปฏิบัพถึงปฏิบัพที่ใกล้กันที่สุด หรือระยะจากบัพถึงบัพที่ใกล้กันที่สุด หรือ 1 loop ห่างกันเท่ากับครึ่งความยาวคลื่นนั้น เช่น คลื่นนิ่งจำนวน 4 loop มีระยะ 1 เมตร เมื่อเทียบแล้วจะได้ความยาวคลื่นเท่ากับ 0.5 เมตร

บีตส์เสียง

ปรากฏการณ์บีตส์ของเสียง เกิดจากแหล่งกำเนิดเสียงสองแหล่งที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อย ส่งคลื่นเสียงออกไปทางเดียวกัน คลื่นเสียงมาซ้อนทับกันแบบเสริมและหักล้างสลับกัน ตำแหน่งเสริมและหักล้างไม่อยู่ที่ตำแหน่งเดิม แต่จะเลื่อนไปเรื่อยๆ ทำให้ผู้ฟังที่อยู่นิ่งได้ยินเสียงดังสลับกับเบาผ่านหูเป็นจังหวะต่อเนื่องคงตัว จำนวนครั้งที่ได้ยินเสียงดังในเวลา 1 วินาที่เรียกว่า ความถี่บีตส์ ( fB ) หาความถี่บีตส์ได้จาก สมการ

หูของคนจะได้ยินเสียงความถี่บีตส์เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงทั้งสองความถี่ต่างกันไม่เกิน 7 Hz

รูปแสดงคลื่นเสียงทำให้เกิดบีตส์เสียง

รูปแสดงการเกิดบีตส์เสียงจากเสียงความถี่ 19 Hz และ 17 Hz เกิดคลื่นรวม(สีเหลือง) เกิดเสียงดังและเบาเลื่อนตำแหน่งไปเรื่อยๆ 

ขณะที่เกิดบีตส์ ผู้ฟังจะได้ยินเสียงจากแหล่งกำเนิดทั้งสองมีระดับเสียงเท่ากับความถี่เสียงเฉลี่ย หาความถี่เสียงที่ได้ยินจากสมการ