คลื่นเสียงเป็นคลื่นตามยาวทางกลของความถี่ที่แน่นอน ในบทความ เราจะทำความเข้าใจว่าคลื่นตามยาวและตามขวางคืออะไร เหตุใดคลื่นกลทุกคลื่นจึงไม่ส่งเสียง หาความเร็วของคลื่นและความถี่ที่เกิดเสียง มาดูกันว่าเสียงนั้นเหมือนกันในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันหรือไม่ และเรียนรู้วิธีหาความเร็วโดยใช้สูตร
คลื่นปรากฏขึ้น
ลองนึกภาพผิวน้ำกัน เช่น บ่อน้ำในอากาศที่สงบ หากคุณขว้างก้อนหินลงบนผิวน้ำเราจะเห็นวงกลมแยกออกจากจุดศูนย์กลาง และจะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราไม่ได้เอาก้อนหิน แต่เป็นลูกบอลแล้วเคลื่อนตัวสั่น? วงกลมจะถูกสร้างขึ้นอย่างต่อเนื่องโดยการสั่นสะเทือนของลูกบอล เราจะเห็นประมาณเดียวกันกับที่แสดงในคอมพิวเตอร์แอนิเมชั่น
ถ้าเราลดทุ่นลงที่ระยะห่างจากลูกบอล มันจะสั่นด้วย เมื่อความผันผวนในอวกาศผันผวนไปตามกาลเวลา กระบวนการนี้เรียกว่าคลื่น
เพื่อศึกษาคุณสมบัติของเสียง (ความยาวคลื่น ความเร็วคลื่น ฯลฯ) ของเล่นสายรุ้งอันโด่งดัง หรือ Happy Rainbow นั้นเหมาะสมแล้ว
ยืดสปริงกัน ให้มันสงบ แล้วเขย่าขึ้นลงอย่างรวดเร็ว. เราจะเห็นว่ามีคลื่นปรากฏขึ้นซึ่งไหลไปตามฤดูใบไม้ผลิแล้วกลับมา ซึ่งหมายความว่าสะท้อนจากสิ่งกีดขวาง เราสังเกตว่าคลื่นแพร่กระจายไปตามสปริงอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป อนุภาคของสปริงเลื่อนขึ้นและลงโดยสัมพันธ์กับสมดุล และคลื่นวิ่งไปทางซ้ายและขวา คลื่นดังกล่าวเรียกว่าคลื่นขวาง ในนั้นทิศทางของการแพร่กระจายจะตั้งฉากกับทิศทางการสั่นของอนุภาค ในกรณีของเรา สื่อการแพร่กระจายคลื่นเป็นสปริง
ตอนนี้เรายืดสปริงแล้วปล่อยให้มันสงบแล้วดึงกลับไปกลับมา เราจะเห็นว่าคอยล์สปริงนั้นถูกบีบอัดตามนั้น คลื่นวิ่งไปในทิศทางเดียวกัน ในที่หนึ่งสปริงจะถูกบีบอัดมากกว่า ในอีกที่หนึ่งจะยืดออกมากกว่า คลื่นดังกล่าวเรียกว่าตามยาว ทิศทางการสั่นของอนุภาคสอดคล้องกับทิศทางการแพร่กระจาย
ลองนึกภาพสื่อที่มีความหนาแน่นสูง ตัวอย่างเช่น วัตถุที่แข็งกระด้าง ถ้าเราทำให้เสียโฉมด้วยการตัดคลื่นก็จะเกิดขึ้น มันจะปรากฏขึ้นเนื่องจากแรงยืดหยุ่นที่กระทำในของแข็งเท่านั้น กองกำลังเหล่านี้มีบทบาทในการฟื้นฟูและสร้างคลื่นยืดหยุ่น
คุณไม่สามารถทำให้ของเหลวเสียรูปได้ด้วยแรงเฉือน คลื่นตามขวางไม่สามารถแพร่กระจายในก๊าซและของเหลวได้ อีกสิ่งหนึ่งคือแนวยาว: มันแพร่กระจายในทุกสภาพแวดล้อมที่แรงยืดหยุ่นกระทำ ในคลื่นตามยาว อนุภาคจะเข้าหากัน จากนั้นเคลื่อนตัวออก ตัวกลางจะถูกบีบอัดและทำให้เป็นแรร์
หลายคนคิดว่าของเหลวไม่สามารถบีบอัดได้ แต่นี่ไม่ใช่กรณี หากคุณกดลูกสูบของกระบอกฉีดยาด้วยน้ำจะหดตัวเล็กน้อย ในก๊าซ การเปลี่ยนรูปแรงดึง-แรงอัดก็สามารถทำได้เช่นกัน การกดลูกสูบของหลอดฉีดยาเปล่าจะบีบอัดอากาศ
ความเร็วและความยาวคลื่น
กลับไปที่แอนิเมชั่นที่เราพิจารณาในตอนต้นของบทความ เราเลือกจุดใดจุดหนึ่งในวงกลมที่แยกจากลูกบอลที่มีเงื่อนไขแล้วทำตาม จุดเคลื่อนออกจากศูนย์กลาง ความเร็วที่มันเคลื่อนที่คือความเร็วของยอดคลื่น สรุปได้ว่า หนึ่งในลักษณะของคลื่นคือความเร็วของคลื่น
อนิเมชั่นแสดงให้เห็นว่ายอดคลื่นอยู่ในระยะเดียวกัน นี่คือความยาวคลื่น - อีกลักษณะหนึ่งของมัน คลื่นยิ่งบ่อย ความยาวยิ่งสั้น
ทำไมคลื่นกลทุกอันไม่มีเสียง
เอาไม้บรรทัดอลูมิเนียม
เด้งดึ๋งๆเลยค่าประสบการณ์ เราวางไม้บรรทัดไว้ที่ขอบโต๊ะแล้วกดด้วยมือของเราเพื่อให้ยื่นออกมาอย่างแรง เรากดที่ขอบแล้วปล่อยอย่างแรง - ส่วนที่ว่างจะเริ่มสั่น แต่จะไม่มีเสียง หากคุณขยายไม้บรรทัดเพียงเล็กน้อย การสั่นสะเทือนของขอบสั้นจะทำให้เกิดเสียง
ประสบการณ์นี้แสดงให้เห็นอะไร? แสดงให้เห็นว่าเสียงเกิดขึ้นเมื่อร่างกายเคลื่อนที่เร็วพอเมื่อความเร็วคลื่นในตัวกลางสูงเท่านั้น เรามาแนะนำคุณลักษณะอีกอย่างของคลื่น - ความถี่ ค่านี้แสดงจำนวนการสั่นสะเทือนต่อวินาทีที่ร่างกายสร้าง เมื่อเราสร้างคลื่นในอากาศ เสียงจะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะบางอย่าง - เมื่อเพียงพอความถี่สูง
ต้องเข้าใจว่าเสียงไม่ใช่คลื่น แม้ว่าจะเกี่ยวข้องกับคลื่นกลก็ตาม เสียงคือความรู้สึกที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นเสียง (อะคูสติก) เข้าหู
กลับไม้บรรทัดกันเถอะ เมื่อขยายส่วนที่ใหญ่กว่า ไม้บรรทัดจะสั่นและไม่มีเสียง สิ่งนี้สร้างคลื่นหรือไม่? แน่นอน แต่มันเป็นคลื่นกล ไม่ใช่คลื่นเสียง ตอนนี้เราสามารถกำหนดคลื่นเสียงได้ นี่คือคลื่นตามยาวทางกลซึ่งมีความถี่อยู่ในช่วงตั้งแต่ 20 Hz ถึง 20,000 Hz หากความถี่น้อยกว่า 20 Hz หรือมากกว่า 20 kHz เราจะไม่ได้ยินแม้ว่าจะเกิดการสั่นขึ้นก็ตาม
แหล่งกำเนิดเสียง
การสั่นใดๆ ก็ตามสามารถเป็นแหล่งของคลื่นเสียงได้ เพียงต้องการสื่อที่ยืดหยุ่นได้ เช่น อากาศ ไม่เพียงแต่ร่างกายที่เป็นของแข็งเท่านั้นที่สามารถสั่นสะเทือนได้ แต่ยังรวมถึงของเหลวและก๊าซด้วย อากาศที่เป็นส่วนผสมของก๊าซหลายชนิดไม่เพียงแต่เป็นสื่อในการแพร่กระจายเท่านั้น แต่ยังสามารถสร้างคลื่นเสียงได้ด้วยตัวมันเอง มันคือการสั่นสะเทือนของเขาที่รองรับเสียงของเครื่องมือลม ขลุ่ยหรือทรัมเป็ตไม่สั่น มันเป็นอากาศที่ถูกทำให้เย็นลงและบีบอัดให้ความเร็วของคลื่นซึ่งเป็นผลมาจากการที่เราได้ยินเสียง
กระจายเสียงในสภาพแวดล้อมต่างๆ
เราพบว่าเสียงของสารต่างกัน: ของเหลว ของแข็ง ก๊าซ เช่นเดียวกับความสามารถในการนำคลื่นอะคูสติก เสียงแพร่กระจายในตัวกลางยืดหยุ่นใดๆ (ของเหลว ของแข็ง ก๊าซ) ยกเว้นในสุญญากาศ ในพื้นที่ว่าง พูดบนดวงจันทร์ เราจะไม่ได้ยินเสียงเครื่องสั่น
เสียงส่วนใหญ่ที่มนุษย์รับรู้นั้นมาจากอากาศ ปลาแมงกะพรุนได้ยินเสียงคลื่นเสียงแยกตัวผ่านน้ำ ถ้าเราดำน้ำใต้น้ำก็จะได้ยินเสียงเรือยนต์แล่นผ่านไปด้วย นอกจากนี้ความยาวคลื่นและความเร็วคลื่นจะสูงกว่าในอากาศ ซึ่งหมายความว่าเสียงของมอเตอร์จะเป็นคนแรกที่ได้ยินโดยบุคคลที่ดำน้ำใต้น้ำ ชาวประมงที่นั่งเรืออยู่ที่เดิมจะได้ยินเสียงในภายหลัง
ในของแข็ง เสียงเดินทางได้ดียิ่งขึ้น และความเร็วของคลื่นก็สูงขึ้น หากคุณเอาวัตถุแข็ง โดยเฉพาะโลหะ เข้าหูแล้วแตะ คุณจะได้ยินเป็นอย่างดี อีกตัวอย่างหนึ่งคือเสียงของคุณเอง เมื่อเราได้ยินคำพูดของเราครั้งแรก ซึ่งก่อนหน้านี้บันทึกไว้ในเครื่องบันทึกเสียงหรือจากวิดีโอ เสียงนั้นดูแปลกไป ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? เพราะในชีวิตเราได้ยินเสียงสั่นสะเทือนไม่มากนักจากปากของเราเหมือนกับการสั่นสะเทือนของคลื่นที่ไหลผ่านกระดูกของกะโหลกศีรษะของเรา เสียงที่สะท้อนจากสิ่งกีดขวางเหล่านี้เปลี่ยนไปบ้าง
ความเร็วเสียง
ความเร็วของคลื่นเสียง หากพิจารณาเป็นเสียงเดียวกัน จะมีความแตกต่างในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน ยิ่งสื่อมีความหนาแน่นมากเท่าใด เสียงก็จะถึงหูเราเร็วขึ้นเท่านั้น รถไฟสามารถไปได้ไกลจากเราจนไม่ได้ยินเสียงล้อ แต่ถ้าเอาหูแนบราง เราจะได้ยินเสียงก้องชัดเจน
นี่แสดงว่าคลื่นเสียงเคลื่อนที่ในของแข็งได้เร็วกว่าในอากาศ รูปแสดงความเร็วของเสียงในสภาพแวดล้อมต่างๆ
สมการคลื่น
ความเร็ว ความถี่ และความยาวคลื่นเชื่อมต่อกัน สำหรับวัตถุที่สั่นด้วยความถี่สูง คลื่นจะสั้นลง เสียงความถี่ต่ำสามารถได้ยินได้ไกลกว่าเพราะมีความยาวคลื่นที่ยาวกว่า มีสมการคลื่นสองแบบ พวกเขาแสดงให้เห็นถึงการพึ่งพาอาศัยกันของลักษณะคลื่นจากกันและกัน เมื่อทราบปริมาณสองค่าใดๆ จากสมการ คุณสามารถคำนวณค่าที่สามได้:
с=ν × λ, โดยที่ c คือความเร็ว ν คือความถี่ λ คือความยาวคลื่น
สมการคลื่นเสียงที่สอง:
s=λ / T, โดยที่ T คือคาบ นั่นคือ เวลาที่ร่างกายสั่นไหว