วิทยาศาสตร์ ฟิสิกส์ คลื่น เสียง การเกิดคลื่นและเสียง

การเคลื่อนที่แบบคลื่น 
 

         คนเราส่วนมากมีประสบการณ์เกี่ยวกับคลื่นมาตั้งแต่อยู่ในวัยเด็ก เช่น เมื่อเราโยนก้อนหินลงไปในสระน้ำ ก้อนหินลงไปรบกวนน้ำทำให้เกิดเป็นระลอกคลื่นเคลื่อนที่ออกไป และในที่สุดก็ถึงขอบสระ ถ้าสังเกตให้ดีจะเห็นใบไม้ที่ลอยอยู่ใกล้ๆ จุดที่น้ำถูกรบกวนจะกระเพื่อมขึ้นลงผ่านตำแหน่งเดิม แต่ไม่มีการกระจัดออกไปหรือเคลื่อนเข้ามาหาตำแหน่งที่ถูกรบกวนเลย มีแต่เพียงคลื่นเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งโดยที่น้ำไม่ได้ถูกนำพาไปด้วย

          คลื่นน้ำเป็นเพียงตัวอย่างเดียวของปรากฏการณ์ทางกายภาพที่มีลักษณะทางคลื่น ในโลกเรานี้มีคลื่นเต็มไปหมด ได้แก่ คลื่นเสียง คลื่นกล เช่น คลื่นในเส้นเชือก คลื่นแผ่นดินไหว คลื่นกระแทกที่เกิดจากเครื่องบินไอพ่นซึ่งมีความเร็วเหนือเสียง และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น แสงที่เรามองเห็น คลื่นวิทยุ สัญญาณโทรทัศน์ และรังสีเอกซ์ เป็นต้น

          สำหรับคลื่นน้ำ สิ่งที่เรามองเห็นก็คือ การจัดพื้นผิวของน้ำใหม่ ถ้าไม่มีน้ำก็จะไม่มีคลื่นเราสะบัดเส้นเชือกให้มีคลื่นวิ่งไป ถ้าไม่มีเส้นเชือกก็จะไม่มีคลื่น คลื่นเสียงเดินทางผ่านอากาศก็เพราะว่ามีการแปรผันความดันที่จุดหนึ่งเดินไปยังอีกจุดหนึ่ง เราเรียกว่า เป็นคลื่นในรูปแบบของการรบกวนที่เกิดต่อตัวกลางและเคลื่อนที่ไปจึงพิจารณาได้ว่า คลื่นก็คือการเคลื่อนที่ของการรบกวน ซึ่งก็เป็นสถานะของตัวกลางนั่นเอง ไม่ใช่การเคลื่อนที่ของอนุภาค

เงื่อนไขในการเกิดคลื่น 
 

          เงื่อนไขที่สำคัญของการเกิดคลื่น ได้แก่ข้อที่หนึ่ง  คลื่นเกิดขึ้นเมื่อมีการรบกวนกระทำต่อบริเวณใดบริเวณหนึ่ง การรบกวนดังกล่าวคือการกระตุ้นด้วยแรงต่อวัตถุหรือมวลซึ่งทำให้เกิดมีการขจัดผ่านตำแหน่งหยุดนิ่งไปมา ข้อที่สอง การรบกวนเดินไปด้วยอัตราเร็วที่ขึ้นอยู่กับลักษณะของตัวกลาง จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในระยะเวลาอันจำกัด ข้อที่สาม คลื่นต้องอาศัยตัวกลางในการเผยแผ่ออกไปตัวกลางอาจเป็นของแข็งหรือของไหลก็ได้

          ก่อนเกิดคลื่น สภาพของตัวกลางอาจอยู่นิ่งๆ หรืออยู่ในสภาพไม่สมดุล เช่น การกระจายของคลื่นน้ำเมื่อโยนก้อนหินลงในสระที่ราบเรียบ ก็เป็นการรบกวนที่เกิดเป็นคลื่น ตรงกันข้ามกับคลื่นในมหาสมุทร ซึ่งสภาพก่อนเกิดคลื่น  พื้นน้ำมีการกระเพื่อมอยู่แล้ว หรือการกระจายคลื่นเสียงในอากาศก็เป็นตัวอย่างคล้ายคลื่นในมหาสมุทร กล่าวคืออนุภาคอากาศเคลื่อนที่สับสนอยู่แล้ว บางครั้งยังมีลมพัดหรือมีอุณหภูมิเข้ามาเกี่ยวข้องอีกด้วย ซึ่งทั้งนี้ก็เป็นสถานะก่อนเกิดคลื่นเสียง  ในการยิงปืน  ก๊าซที่ดันออกมาจากปากกระบอกปืนทำความรบกวนต่ออากาศ เกิดคลื่นเสียงกระจายออกไปซ้อนกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคอากาศซึ่งมีอยู่แล้วในทิศทางต่างๆ กัน

          ในตัวอย่างการโยนก้อนหินลงไปในลำธารน้ำไหล ระลอกน้ำที่เกิดขึ้นเดินทางไปได้ทั้งทวนน้ำและตามน้ำ เช่นเดียวกับการยิงปืนในที่ที่มีลมแรง คลื่นเสียงก็ยังทวนลมและตามลมได้ การเคลื่อนที่ของตัวกลางไม่ใช่สิ่งจำเป็นสำหรับการเกิดคลื่น แต่อาจมีผลต่ออัตราเร็วของการกระจายคลื่น

          อัตราเร็วที่คลื่นกระจายออกไป เช่น การรบกวนที่เกิดกับอนุภาคของอากาศ ขึ้นอยู่กับลักษณะทางกายภาพของตัวกลางที่คลื่นผ่านอัตราเร็วของคลื่นเสียงในอากาศมีค่าน้อยกว่าอัตราเร็วของคลื่นเสียงในน้ำ ส่วนอัตราเร็วของคลื่นเสียงในแท่งเหล็กมีค่ามากกว่าในตัวกลางทั้งสองข้างต้น ขดลวดสปริง และแผ่นยางยืดที่อยู่เฉยๆ ถือว่ายังไม่เกิดคลื่นเพราะไม่มีการเคลื่อนไหวใดๆ ต้องใช้แรงกระทำให้เกิดการสั่น ณจุดใดจุดหนึ่ง จึงจะเกิดคลื่นเดินออกไป คลื่นส่วนมากต้องการตัวกลางยืดหยุ่นสำหรับการเคลื่อนที่ สมบัติทางกายภาพที่สนับสนุนการเคลื่อนที่แบบคลื่น ได้แก่ ความยืดหยุ่นและความเฉื่อย
 

เงื่อนไขในการเกิดคลื่น 
 

          เงื่อนไขที่สำคัญของการเกิดคลื่น ได้แก่ข้อที่หนึ่ง  คลื่นเกิดขึ้นเมื่อมีการรบกวนกระทำต่อบริเวณใดบริเวณหนึ่ง การรบกวนดังกล่าวคือการกระตุ้นด้วยแรงต่อวัตถุหรือมวลซึ่งทำให้เกิดมีการขจัดผ่านตำแหน่งหยุดนิ่งไปมา ข้อที่สอง การรบกวนเดินไปด้วยอัตราเร็วที่ขึ้นอยู่กับลักษณะของตัวกลาง จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในระยะเวลาอันจำกัด ข้อที่สาม คลื่นต้องอาศัยตัวกลางในการเผยแผ่ออกไปตัวกลางอาจเป็นของแข็งหรือของไหลก็ได้

          ก่อนเกิดคลื่น สภาพของตัวกลางอาจอยู่นิ่งๆ หรืออยู่ในสภาพไม่สมดุล เช่น การกระจายของคลื่นน้ำเมื่อโยนก้อนหินลงในสระที่ราบเรียบ ก็เป็นการรบกวนที่เกิดเป็นคลื่น ตรงกันข้ามกับคลื่นในมหาสมุทร ซึ่งสภาพก่อนเกิดคลื่น  พื้นน้ำมีการกระเพื่อมอยู่แล้ว หรือการกระจายคลื่นเสียงในอากาศก็เป็นตัวอย่างคล้ายคลื่นในมหาสมุทร กล่าวคืออนุภาคอากาศเคลื่อนที่สับสนอยู่แล้ว บางครั้งยังมีลมพัดหรือมีอุณหภูมิเข้ามาเกี่ยวข้องอีกด้วย ซึ่งทั้งนี้ก็เป็นสถานะก่อนเกิดคลื่นเสียง  ในการยิงปืน  ก๊าซที่ดันออกมาจากปากกระบอกปืนทำความรบกวนต่ออากาศ เกิดคลื่นเสียงกระจายออกไปซ้อนกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคอากาศซึ่งมีอยู่แล้วในทิศทางต่างๆ กัน

          ในตัวอย่างการโยนก้อนหินลงไปในลำธารน้ำไหล ระลอกน้ำที่เกิดขึ้นเดินทางไปได้ทั้งทวนน้ำและตามน้ำ เช่นเดียวกับการยิงปืนในที่ที่มีลมแรง คลื่นเสียงก็ยังทวนลมและตามลมได้ การเคลื่อนที่ของตัวกลางไม่ใช่สิ่งจำเป็นสำหรับการเกิดคลื่น แต่อาจมีผลต่ออัตราเร็วของการกระจายคลื่น

          อัตราเร็วที่คลื่นกระจายออกไป เช่น การรบกวนที่เกิดกับอนุภาคของอากาศ ขึ้นอยู่กับลักษณะทางกายภาพของตัวกลางที่คลื่นผ่านอัตราเร็วของคลื่นเสียงในอากาศมีค่าน้อยกว่าอัตราเร็วของคลื่นเสียงในน้ำ ส่วนอัตราเร็วของคลื่นเสียงในแท่งเหล็กมีค่ามากกว่าในตัวกลางทั้งสองข้างต้น ขดลวดสปริง และแผ่นยางยืดที่อยู่เฉยๆ ถือว่ายังไม่เกิดคลื่นเพราะไม่มีการเคลื่อนไหวใดๆ ต้องใช้แรงกระทำให้เกิดการสั่น ณจุดใดจุดหนึ่ง จึงจะเกิดคลื่นเดินออกไป คลื่นส่วนมากต้องการตัวกลางยืดหยุ่นสำหรับการเคลื่อนที่ สมบัติทางกายภาพที่สนับสนุนการเคลื่อนที่แบบคลื่น ได้แก่ ความยืดหยุ่นและความเฉื่อย

          ความยืดหยุ่นเป็นสมบัติของตัวกลางที่จะสร้างแรงคืนตัวให้กับอนุภาคที่ถูกขจัดออกไปกลับคืนสู่ตำแหน่งสมดุลของมัน ส่วนความเฉื่อยนั้นสัมพันธ์กับมวลของตัวกลางในสองลักษณะที่สำคัญ ข้อแรกคือ อนุภาคของตัวกลางซึ่งมีมวลจะต่อต้านการเปลี่ยนสภาพ (ปกติ) และทิศทางการเคลื่อนที่ของมันเพราะมีแรงกระทำ ข้อที่สอง คือ ความสามารถที่อนุภาคส่งถ่ายโมเมนตัมและพลังงานให้กับอนุภาคมวลตัวอื่น

          ความเฉื่อยและความยืดหยุ่นมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร จึงเกิดเป็นคลื่นส่งกระจายออกมาเริ่มด้วยเมื่อมีการรบกวนเกิดขึ้น และส่งโมเมนตัมให้กับอนุภาคซึ่งมีมวล  จากนั้นการเคลื่อนที่จากตำแหน่งสมดุลก็จะเกิดขึ้นด้วยอัตราเร็วค่าหนึ่งซึ่งแล้วแต่ว่าจะเป็นตัวกลางชนิดใด เนื่องจากอนุภาคมีความเฉื่อยมันจึงยังคงเคลื่อนที่ต่อไปในทิศเดิม  ด้วยความเร็วเดิมจนกระทั่งไปกระทบอนุภาคอีกตัวหนึ่งซึ่งถ้าคิดว่าการชนเป็นแบบยืดหยุ่น โมเมนตัมของอนุภาคตัวแรกจะถูกถ่ายทอดให้กับอนุภาคตัวที่สองทำให้อนุภาคแรกหยุดอนุภาคที่สองจะวิ่งต่อไปในทิศเดิมเหมือนอนุภาคแรก ด้วยอัตราเร็วเท่าเดิมตามธรรมชาติของความยืดหยุ่น (ทั้งนี้โดยสมมติว่ามวลของอนุภาคทั้งสองมีค่าเท่ากัน) อนุภาคแรกกระทำตัวคล้ายกับเป็นระบบของมวลและสปริงที่ถูกกระทบให้เริ่มมีการกระจัด ดังนั้นหลังจากอนุภาคแรกหยุดนิ่งอาการสปริงของตัวกลางจะออกแรงทำให้มันถอยกลับผ่านตำแหน่งสมดุล ส่วนอนุภาคที่สองเคลื่อนที่ต่อไปจนชนอนุภาคที่สามและสี่ไปเรื่อยๆ หลังจากชนแล้วอนุภาคตัวที่ชนจะสั่นไปมาผ่านตำแหน่งสมดุล เหมือนอนุภาคแรก และเกิดเป็นแบบลูกโซ่ต่อกันไป การกระจายคลื่นเกิดขึ้นโดยไม่มีการย้ายที่ของอนุภาคใดๆ ไปมากนัก เป็นแต่เพียงการสั่นไปมาผ่านตำแหน่งสมดุลของมันเท่านั้น

          .คลื่นเสียงในอากาศเป็นคลื่นตามยาวกล่าวคือ อนุภาคของอากาศที่กระจายคลื่นจะสั่นในทิศทางที่คลื่นเคลื่อนไป ต่างไปจากคลื่นแสงคลื่นความร้อน คลื่นวิทยุ หรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ ที่กระจายออกสู่อากาศตรงที่คลื่นเหล่านี้เป็นคลื่นตามขวาง เพราะสนามไฟฟ้าและสนาม-แม่เหล็กในคลื่นสั่นในทิศตั้งฉากกับทิศของคลื่นเอง

          ในภาพการเคลื่อนที่ของลูกสูบ เมื่อเราผลักดันลูกสูบในท่อไปข้างหน้า จะเกิดส่วนอัดซึ่งจะอัดแนวชั้นของอากาศที่อยู่ข้างหน้าติดต่อกันไป เมื่อดึงลูกสูบกลับ อากาศหน้าลูกสูบขยายตัวลดความดันและความหนาแน่นต่ำกว่าค่าสมดุล (แทนด้วยบริเวณสีจาง) ค่าสมดุลในบรรยากาศทั่วๆ ไป คือ ความดันบรรยากาศซึ่งเทียบได้กับ ๑.๐๑๓ x ๑๐^๕ ปาสกาล (หรือนิวตันต่อตารางเมตร) คลื่นตามยาวเผยแผ่ไปในหลอดบรรจุอากาศ แหล่งกำเนิดคลื่น ได้แก่ลูกสูบที่ขยับไปมา ซึ่งวางตัวอยู่ทางซ้ายบริเวณความดันสูงและต่ำแทนด้วยสีทึบและจางตามลำดับคลื่นตามยาวคือ คลื่นที่การสั่นของตัวกลางขนานกับทิศของคลื่น

          เมื่อคลื่นเสียงถูกส่งผ่านตัวกลาง ความดันที่จุดใดๆ จะมีการเปลี่ยนแปลงคือสูงกว่าความดันปกติ (ความดันบรรยากาศ) ตรงบริเวณที่เป็นส่วนอัด และต่ำกว่าความดันปกติตรงบริเวณส่วนขยาย การเปลี่ยนแปลงความดันทั้งสูงขึ้นและต่ำลงนี้เรียกว่า ความดันเสียงเขียนได้เป็นกราฟแสดงการแปรค่าแบบไซน์

           อัตราเร็วของคลื่นเสียงในก๊าซต่างชนิดกันมีค่าต่างกัน แต่สำหรับก๊าซชนิดใดชนิดหนึ่งแล้วอัตราเร็วของเสียงจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกรณฑ์ที่สองของอุณหภูมิสัมบูรณ์ของก๊าซชนิดนั้น คือ

          c = 331.4  273เมตร/วินาที
          เมื่อ c คือ อัตราเร็วของเสียงในอากาศ
                 T คือ อุณหภูมิสัมบูรณ์ของก๊าซในหน่วยเคลวิน (K)
          หรือเขียนเป็นสมการแบบง่ายๆ ได้ดังนี้
          c = 331 + 0.6 t
          เมื่อ t คือ อุณหภูมิของอากาศในหน่วยองศาเซลเซียส (°C) 
 

เสียงและมนุษย์ 
 

          เสียงเป็นส่วนประกอบร่วมในชีวิตประจำวันของเราแต่เราไม่ค่อยจะเข้าใจหน้าที่ของมันมากนัก เสียงดนตรีทำให้เรารู้สึกสนุกสนานเสียงนกร้องทำให้เราเพลิดเพลิน เสียงใช้เป็น เครื่องสื่อสารคำพูดระหว่างครอบครัวและเพื่อนฝูง เสียงปลุกและเตือนเรา เช่น เสียงกริ่งโทรศัพท์ เสียงเคาะประตู หรือเสียงรถดับเพลิง เสียงเป็นเครื่องประเมินคุณภาพ เช่น เสียงเคาะของเครื่องรถยนต์ เสียงดังเอี๊ยดอ๊าดของล้อ หรือเสียงหัวใจดังฟู่ๆ เป็นต้น

          ในสังคมสมัยใหม่มีอยู่บ่อยครั้งที่เสียงทำความเดือดร้อนรำคาญให้เรา เสียงหลายอย่างที่เป็นเสียงที่เราไม่ต้องการ ทำให้เกิดความไม่พอใจ ซึ่งเราเรียกว่า เสียงรบกวน   การที่เสียงรบกวนจะทำความเดือดร้อนรำคาญให้เรามากหรือน้อยนั้นมิได้ขึ้นอยู่กับคุณภาพของเสียงเพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับทัศนคติของเราที่มีต่อเสียงอีกด้วย คนขี่รถจักรยานยนต์ที่ชอบดัดแปลงท่อไอเสียอาจชอบเสียงดังสนั่นจากรถของเรา แต่ผู้คนที่รถวิ่งผ่านจะไม่ชอบและรู้สึกแสบแก้วหู เสียงที่ทำความเดือดร้อนรำคาญไม่จำเป็นต้องเป็น เสียงดังเสมอไป เสียงน้ำหยดจากก๊อก เสียงพื้นลั่น เสียงจากรอยขีดข่วนบนแผ่นเสียง อาจรบกวนให้รำคาญได้เหมือนเสียงดังๆ ทั้งหลาย
          ยิ่งไปกว่านั้น เสียงยังสามารถทำให้เกิดความเสียหายและการทำลายได้อีกด้วย เช่นเสียงของคลื่นกระแทก หรือโซนิกบูมจากเครื่องบินทำให้บานกระจกหน้าต่างสั่น แต่ที่สำคัญที่สุดนั้นได้แก่ การที่เสียงทำความเสียหายต่อเครื่องมือซึ่งมีความละเอียดอ่อนที่ใช้รับฟัง อันได้แก่หูของคนเรานั่นเอง
          เสียงคืออะไร
          ลองนึกภาพเมื่อเรายืนอยู่หน้าลำโพง เครื่องรับวิทยุ เครื่องรับโทรทัศน์ หรือเครื่องบันทึกเสียง ขณะที่ไดอะแฟรมของลำโพงสั่นสัมผัสกับอากาศเราจะรู้สึกอย่างไร เรารู้สึกว่าได้ยินเสียง เสียงเกิดขึ้นมาได้เพราะมีอะไรบางอย่างถูกส่งเข้าไปในหู เป็นสิ่งที่ส่งผ่านมาตามอากาศและแหล่งกำเนิดของสิ่งนี้ก็คือ การสั่นของแผ่นไดอะแฟรมของเครื่องรับวิทยุ และเครื่องอื่นๆ ที่กล่าวถึงข้างต้น

          เมื่อส้อมเสียงถูกเคาะให้สั่นในอากาศเนื่องจากขาส้อมเสียงมีทั้งมวลและความยืดหยุ่นจะออกแรงอัดอากาศทำให้ชั้นอากาศที่อยู่ชิดเกิดความเร่งตามกฎข้อที่สองของนิวตัน แต่เนื่องจากอากาศมีความยืดหยุ่นแบบสปริงคล้ายส้อมเสียงขณะที่ขาของส้อมเสียงดีดตัวกลับ โมเลกุลอากาศที่สัมผัสอยู่กับขาส้อมเสียงมีแรงคืนตัวดีดตัวกลับ ผ่านตำแหน่งสมดุลปกติ (ขณะที่ยังไม่สั่น) จากการสั่นติดต่อกันของขาส้อมเสียงทำให้ผิวเหนือชั้นอากาศที่อยู่ชิดขาส้อมเสียงถูกรบกวนต่อเนื่องคือสั่นตามไปด้วย การรบกวนนี้ถูกส่งออกผ่านชั้นบางๆ ของอากาศ แรงอัด ทำให้อนุภาคอากาศเกิดการกระจัดที่ขณะใดขณะหนึ่ง ณ จุดต่างๆ ตามทางที่การรบกวนผ่านไปจะเกิดมีบริเวณที่อนุภาครวมตัวกันหนาแน่นกว่าปกติ ซึ่งเรียกว่า ส่วนอัด ในขณะเดียวกันจะเกิดบริเวณที่อนุภาคอากาศย้ายที่ออกไปเรียกว่าส่วนขยาย

          เพื่อให้เห็นภาพชัดลองนำขดลวดสปริงวางนอนตามแนวยาวบนพื้นแล้วจับปลายขดลวดดันไปข้างหน้าและกระตุกกลับสลับกันไปมาเร็วๆจะเห็นบริเวณส่วนอัด และบริเวณส่วนขยายเดินออกไปตามความยาวของขดลวด

          ในบริเวณส่วนอัดและส่วนขยายมีพลังงานแฝงอยู่ ๒ ชนิดด้วยกันคือ พลังงานจลน์ จากการเคลื่อนไหวของโมเลกุลอากาศ และพลังงานศักย์ เพราะโมเลกุลอากาศถูกผลักห่างจากตำแหน่งสมดุล ประกอบกับอากาศก็มีความยืดหยุ่นด้วย ดังนั้นเมื่อบริเวณส่วนอัดส่วนขยายถูกส่งถ่ายทอดออกไปในอากาศ ก็ถือว่ามีพลังงานส่งผ่านตัวกลางออกไปในรูปของคลื่น กล่าวคือตัวกลางไม่ได้เดินตามคลื่นไปด้วย เพียงแต่รับพลังงานในรูปการเคลื่อนไหวแบบการสั่น และชักนำให้จุดข้างเคียงสั่นตามต่อไปเรื่อยๆ 
 
ที่มา https://guru.thaibizcenter.com/articledetail.asp?kid=3762