คลื่นเสียง : สูตร คุณสมบัติ ที่มาของคลื่นเสียง

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

คลื่นเสียงเป็นกระบวนการของคลื่นที่เกิดขึ้นในตัวกลางที่เป็นก๊าซ ของเหลว และของแข็ง ซึ่งเมื่อไปถึงอวัยวะที่ได้ยินของมนุษย์ จะถูกมองว่าเป็นเสียง ความถี่ของคลื่นเหล่านี้อยู่ในช่วง 20 ถึง 20,000 การแกว่งต่อวินาที เราให้สูตรสำหรับคลื่นเสียงและพิจารณาคุณสมบัติของคลื่นอย่างละเอียดมากขึ้น

ทำไมถึงมีคลื่นเสียง

หลายคนสงสัยว่าคลื่นเสียงคืออะไร ธรรมชาติของเสียงอยู่ในการก่อกวนในตัวกลางที่ยืดหยุ่นได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อเกิดความปั่นป่วนของแรงดันในรูปแบบของการบีบอัดในอากาศปริมาณหนึ่ง บริเวณนี้มีแนวโน้มที่จะกระจายไปในอวกาศ กระบวนการนี้นำไปสู่การอัดอากาศในพื้นที่ที่อยู่ติดกับแหล่งกำเนิดซึ่งมีแนวโน้มที่จะขยายตัวเช่นกัน กระบวนการนี้ครอบคลุมพื้นที่มากขึ้นเรื่อยๆ จนกว่าจะถึงผู้รับ เช่น หูของมนุษย์

ลักษณะทั่วไปของคลื่นเสียง

ลองพิจารณาว่าคลื่นเสียงคืออะไรและหูของมนุษย์รับรู้ได้อย่างไร คลื่นเสียงเป็นแนวยาวเมื่อเข้าไปในเปลือกหูทำให้เกิดการสั่นสะเทือนของแก้วหูด้วยความถี่และแอมพลิจูดที่แน่นอน คุณยังสามารถแสดงความผันผวนเหล่านี้เป็นช่วงๆ ของความดันในปริมาตรจุลภาคของอากาศที่อยู่ติดกับเมมเบรน อย่างแรก จะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับความดันบรรยากาศปกติ แล้วลดลง โดยเป็นไปตามกฎทางคณิตศาสตร์ของการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิก แอมพลิจูดของการเปลี่ยนแปลงการอัดอากาศ กล่าวคือ ความแตกต่างระหว่างความดันสูงสุดหรือต่ำสุดที่เกิดจากคลื่นเสียง กับความดันบรรยากาศเป็นสัดส่วนกับแอมพลิจูดของคลื่นเสียงเอง

การทดลองทางกายภาพจำนวนมากแสดงให้เห็นว่าความดันสูงสุดที่หูของมนุษย์สามารถรับรู้ได้โดยไม่ทำอันตรายคือ 2800 µN/cm² สำหรับการเปรียบเทียบ สมมติว่าความดันบรรยากาศใกล้พื้นผิวโลกคือ 10 ล้าน µN/cm^{2 เมื่อพิจารณาสัดส่วนของความดันและแอมพลิจูดการสั่น เราสามารถพูดได้ว่าค่าหลังไม่มีนัยสำคัญแม้แต่กับคลื่นที่แรงที่สุด หากเราพูดถึงความยาวของคลื่นเสียง ความถี่ 1,000 ครั้งต่อวินาที จะเท่ากับหนึ่งในพันของเซนติเมตร}

เสียงที่เบาที่สุดทำให้เกิดความผันผวนของแรงดันที่ 0.001µN/cm² แอมพลิจูดการสั่นของคลื่นที่สอดคล้องกันสำหรับความถี่ 1000 Hz คือ 10^{- 9}cm ในขณะที่เส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของโมเลกุลอากาศคือ 10^{-8 cm นั่นคือ หูของมนุษย์เป็นอวัยวะที่ไวมาก}

แนวคิดของความเข้มของคลื่นเสียง

ด้วยเรขาคณิตจากมุมมองของคลื่นเสียง เป็นการสั่นของรูปแบบหนึ่ง จากมุมมองทางกายภาพ คุณสมบัติหลักของคลื่นเสียงคือความสามารถในการถ่ายโอนพลังงาน ตัวอย่างที่สำคัญที่สุดของการถ่ายโอนพลังงานคลื่นคือดวงอาทิตย์ ซึ่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมานั้นให้พลังงานแก่โลกทั้งใบของเรา

ความเข้มของคลื่นเสียงในวิชาฟิสิกส์ถูกกำหนดให้เป็นปริมาณพลังงานที่คลื่นพัดผ่านพื้นผิวของหน่วย ซึ่งตั้งฉากกับการแพร่กระจายของคลื่น และต่อหน่วยเวลา กล่าวโดยย่อ ความเข้มของคลื่นคือกำลังของคลื่นที่ส่งผ่านพื้นที่หนึ่งหน่วย

ความแรงของคลื่นเสียงมักจะวัดเป็นเดซิเบล ซึ่งอิงจากมาตราส่วนลอการิทึม สะดวกต่อการวิเคราะห์ผลลัพธ์ในทางปฏิบัติ

ความเข้มของเสียงต่างๆ

ระดับเดซิเบลต่อไปนี้ให้แนวคิดเกี่ยวกับความหมายของความเข้มของเสียงที่แตกต่างกันและความรู้สึกที่เกิดขึ้น:

• เกณฑ์สำหรับความรู้สึกไม่สบายและไม่สบายใจ เริ่มต้นที่ 120 เดซิเบล (dB);
• ค้อนตอกหมุดสร้างเสียง 95 dB;
• รถไฟความเร็วสูง - 90 dB;
• ถนนคนเดิน - 70 dB;
• ระดับเสียงของการสนทนาปกติระหว่างผู้คนคือ 65 dB;
• รถสมัยใหม่ที่วิ่งด้วยความเร็วปานกลางทำให้เกิดเสียง 50 dB;
• ระดับเสียงวิทยุเฉลี่ย - 40 dB;
• เงียบ - 20 dB;
• เสียงใบไม้ - 10 dB;
• ขีดจำกัดความไวต่อเสียงของมนุษย์ขั้นต่ำคือใกล้ 0 dB

ความไวของหูมนุษย์ขึ้นอยู่กับความถี่ของเสียงและเป็นค่าสูงสุดของคลื่นเสียงที่มีความถี่ 2,000-3,000 เฮิรตซ์ สำหรับเสียงในช่วงความถี่นี้ เกณฑ์ความไวของมนุษย์ที่ต่ำกว่าคือ 10-5 dB ความถี่ที่สูงกว่าและต่ำกว่าช่วงเวลาที่กำหนดจะนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของเกณฑ์ความไวที่ต่ำลงในลักษณะที่บุคคลได้ยินความถี่ใกล้ถึง 20 Hz และ 20,000 Hz ที่ระดับความเข้มหลายสิบเดซิเบลเท่านั้น

สำหรับระดับความเข้มบน หลังจากที่เสียงเริ่มสร้างความไม่สะดวกให้กับบุคคลและแม้กระทั่งความเจ็บปวด ควรกล่าวว่าในทางปฏิบัติไม่ได้ขึ้นอยู่กับความถี่และอยู่ในช่วง 110-130 dB.

ลักษณะทางเรขาคณิตของคลื่นเสียง

คลื่นเสียงที่แท้จริงคือชุดการสั่นที่ซับซ้อนของคลื่นตามยาว ซึ่งสามารถสลายตัวเป็นการสั่นสะเทือนแบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย การแกว่งดังกล่าวแต่ละครั้งอธิบายจากมุมมองทางเรขาคณิตโดยมีลักษณะดังต่อไปนี้:

1. Amplitude - ส่วนเบี่ยงเบนสูงสุดของแต่ละส่วนของคลื่นจากสมดุล สำหรับค่านี้ การกำหนด A.
2. ระยะเวลา. นี่คือเวลาที่ใช้สำหรับคลื่นธรรมดาเพื่อทำให้การสั่นสมบูรณ์ หลังจากเวลานี้ แต่ละจุดของคลื่นจะเริ่มทำกระบวนการแกว่งซ้ำ ช่วงเวลามักจะแสดงด้วยตัวอักษร T และวัดเป็นวินาทีในระบบ SI
3. ความถี่. นี่คือปริมาณทางกายภาพที่แสดงจำนวนการแกว่งของคลื่นที่กำหนดต่อวินาที นั่นคือในความหมายของมันคือค่าผกผันกับระยะเวลามันเขียนแทนด้วยตัวอักษรละติน f. สำหรับความถี่ของคลื่นเสียง สูตรสำหรับกำหนดผ่านคาบมีดังนี้: f=1/T.
4. ความยาวของคลื่นคือระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ในช่วงหนึ่งของการแกว่ง ในเชิงเรขาคณิต ความยาวคลื่นคือระยะห่างระหว่างค่าสูงสุดที่ใกล้ที่สุดสองค่าหรือค่าต่ำสุดที่ใกล้เคียงที่สุดสองค่าบนเส้นโค้งไซน์ ความยาวการสั่นของคลื่นเสียงคือระยะห่างระหว่างบริเวณที่อัดอากาศที่ใกล้ที่สุดหรือจุดที่ใกล้ที่สุดของการแรกลับของคลื่นเสียงในช่องว่างที่คลื่นเคลื่อนที่ ปกติจะเขียนแทนด้วยอักษรกรีก λ.
5. ความเร็วของการแพร่กระจายคลื่นเสียงคือระยะทางที่พื้นที่บีบอัดหรือพื้นที่ความหายากของคลื่นแพร่กระจายต่อหน่วยเวลา ค่านี้แสดงด้วยตัวอักษร v สำหรับความเร็วของคลื่นเสียง สูตรคือ: v=λf.

เรขาคณิตของคลื่นเสียงบริสุทธิ์ นั่นคือ คลื่นที่มีความบริสุทธิ์คงที่ เป็นไปตามกฎไซน์ ในกรณีทั่วไป สูตรของคลื่นเสียงคือ: y=Asin(ωt) โดยที่ y คือค่าพิกัดของจุดที่กำหนดของคลื่น t คือเวลา ω=2pif คือ ความถี่การแกว่งของวัฏจักร

เสียงเป็นระยะ

เสียงที่มาจากหลาย ๆ แหล่งถือว่าเป็นระยะ เช่น เสียงจากเครื่องดนตรี เช่น กีตาร์ เปียโน ฟลุต แต่ก็มีเสียงในธรรมชาติจำนวนมากที่ไม่คงที่ กล่าวคือ ความสั่นสะเทือนของเสียงเปลี่ยนไป ความถี่และรูปร่างในอวกาศ ในทางเทคนิคแล้วเสียงประเภทนี้เรียกว่าเสียง สว่างตัวอย่างของเสียง aperiodic ได้แก่ เสียงเมือง, เสียงทะเล, เสียงจากเครื่องเพอร์คัชชัน เช่น กลอง และอื่นๆ

สื่อขยายเสียง

ซึ่งแตกต่างจากการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งโฟตอนไม่ต้องการสื่อวัสดุใด ๆ สำหรับการขยายพันธุ์ ธรรมชาติของเสียงนั้นต้องการสื่อบางอย่างสำหรับการแพร่กระจายของมัน นั่นคือ ตามกฎของฟิสิกส์ คลื่นเสียงไม่สามารถทำได้ แพร่กระจายในสุญญากาศ

เสียงสามารถเดินทางผ่านก๊าซ ของเหลว และของแข็งได้ ลักษณะสำคัญของคลื่นเสียงที่แพร่กระจายในตัวกลางมีดังนี้:

• คลื่นแพร่กระจายเชิงเส้น
• มันกระจายอย่างเท่าเทียมกันในทุกทิศทางในตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกัน กล่าวคือ เสียงแยกจากแหล่งกำเนิด ทำให้เกิดพื้นผิวทรงกลมที่สมบูรณ์แบบ
• โดยไม่คำนึงถึงแอมพลิจูดและความถี่ของเสียง คลื่นของมันจะแพร่กระจายด้วยความเร็วเท่ากันในตัวกลางที่กำหนด

ความเร็วของคลื่นเสียงในสื่อต่างๆ

ความเร็วของการแพร่กระจายเสียงขึ้นอยู่กับสองปัจจัยหลัก: ตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่และอุณหภูมิ โดยทั่วไป กฎต่อไปนี้จะมีผลบังคับใช้: ยิ่งสื่อมีความหนาแน่นมากเท่าใด และยิ่งอุณหภูมิของสื่อนั้นสูงขึ้นเท่าใด เสียงก็จะยิ่งเคลื่อนที่เร็วขึ้น

ตัวอย่างเช่น ความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นเสียงในอากาศใกล้พื้นผิวโลกที่อุณหภูมิ 20 ℃ และความชื้น 50% คือ 1235 กม./ชม. หรือ 343 ม./วินาที ในน้ำที่อุณหภูมิที่กำหนด เสียงเดินทางเร็วขึ้น 4.5 เท่า จากนั้นมีความเร็วประมาณ 5735 กม./ชม. หรือ 1600 เมตร/วินาที ส่วนความเร็วของเสียงกับอุณหภูมิในอากาศนั้นจะเพิ่มขึ้น 0.6 m/s โดยอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นทุกองศาเซลเซียส

เสียงและโทน

หากปล่อยให้เชือกหรือแผ่นโลหะสั่นสะเทือนได้อย่างอิสระ จะทำให้เกิดเสียงที่มีความถี่ต่างกัน หายากมากที่จะพบวัตถุที่จะเปล่งเสียงของความถี่ใดความถี่หนึ่ง โดยปกติเสียงของวัตถุจะมีชุดของความถี่ในช่วงเวลาหนึ่ง

เสียงต่ำกำหนดโดยจำนวนฮาร์โมนิกที่อยู่ในนั้นและความเข้มตามลำดับ Timbre เป็นค่านิยมส่วนตัวนั่นคือการรับรู้ถึงวัตถุที่ส่งเสียงโดยบุคคลใดบุคคลหนึ่ง Timbre มักมีลักษณะเฉพาะด้วยคำคุณศัพท์ต่อไปนี้: สูง ยอดเยี่ยม ไพเราะ ไพเราะ และอื่นๆ

Tone เป็นความรู้สึกเสียงที่ช่วยให้จำแนกได้ว่าสูงหรือต่ำ ค่านี้เป็นค่าอัตนัยและไม่สามารถวัดได้ด้วยเครื่องมือใดๆ โทนมีความเกี่ยวข้องกับปริมาณวัตถุประสงค์ - ความถี่ของคลื่นเสียง แต่ไม่มีความสัมพันธ์ที่ชัดเจนระหว่างกัน ตัวอย่างเช่น สำหรับเสียงความถี่เดียวที่มีความเข้มคงที่ โทนเสียงจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น หากความถี่ของเสียงคงที่แต่ความเข้มเพิ่มขึ้น โทนเสียงก็จะลดลง

รูปทรงของแหล่งกำเนิดเสียง

ตามรูปร่างของร่างกายที่สั่นสะเทือนทางกลไกและด้วยเหตุนี้จึงสร้างเสียง คลื่นเสียงมีสามประเภทหลัก:

1. ที่มาของคะแนน มันสร้างคลื่นเสียงที่มีรูปร่างเป็นทรงกลมและสลายตัวอย่างรวดเร็วด้วยระยะห่างจากแหล่งกำเนิด (ประมาณ 6dB หากระยะห่างจากแหล่งกำเนิดเป็นสองเท่า)
2. ที่มาของไลน์. มันสร้างคลื่นทรงกระบอกที่ความเข้มลดลงช้ากว่าแหล่งกำเนิดจุด (สำหรับระยะห่างจากแหล่งกำเนิดแต่ละครั้งเป็นสองเท่า ความเข้มจะลดลง 3 dB)
3. แหล่งสัญญาณแบบแบนหรือสองมิติ มันสร้างคลื่นในทิศทางที่แน่นอนเท่านั้น ตัวอย่างของแหล่งดังกล่าวคือลูกสูบเคลื่อนที่ในกระบอกสูบ

แหล่งกำเนิดเสียงอิเล็กทรอนิกส์

ในการสร้างคลื่นเสียง แหล่งกำเนิดอิเล็กทรอนิกส์ใช้เมมเบรนพิเศษ (ลำโพง) ซึ่งทำการสั่นสะเทือนทางกลอันเนื่องมาจากปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า แหล่งที่มาเหล่านี้รวมถึงสิ่งต่อไปนี้:

• เครื่องเล่นแผ่นต่างๆ (CD, DVD และอื่นๆ);
• เครื่องบันทึกเทป;
• วิทยุ;
• ทีวีและอื่นๆ