เสียง
เสียงคือคลื่นกลตามยาวที่ต้องมีตัวกลางในการเคลื่อนที่ (เดินทางในสุญญากาศไม่ได้) บทนี้ครอบคลุมอัตราเร็วเสียง ความเข้มเสียง ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ และบีตส์ ซึ่งเป็นโจทย์ที่ออกสอบบ่อยมาก
เสียงคือคลื่นกลตามยาว
เสียงเกิดจากการสั่นของแหล่งกำเนิดที่ทำให้โมเลกุลของตัวกลาง (อากาศ ของเหลว หรือของแข็ง) อัดตัวและขยายตัวสลับกันตามแนวการเคลื่อนที่ของคลื่น จึงต้องมีตัวกลางเสมอ
อัตราเร็วเสียงในอากาศประมาณได้จาก v ≈ 331 + 0.6T โดย T คืออุณหภูมิอากาศเป็นองศาเซลเซียส — อัตราเร็วเสียงเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น
ความเข้มเสียงและระดับความเข้มเสียง
ความเข้มเสียง (I) คือกำลังเสียงต่อพื้นที่ตั้งฉาก I = P/A มีหน่วยเป็น W/m²
เพราะหูมนุษย์รับรู้ความเข้มเสียงเป็นสเกลลอการิทึม จึงใช้ระดับความเข้มเสียง β = 10 log(I/I0) หน่วยเดซิเบล (dB) โดย I0 = 10⁻¹² W/m² คือความเข้มเสียงต่ำสุดที่หูเริ่มได้ยิน
ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์
เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงและ/หรือผู้ฟังมีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์กัน ความถี่เสียงที่ผู้ฟังได้ยินจะแตกต่างจากความถี่จริงของแหล่งกำเนิด
ถ้าแหล่งกำเนิดหรือผู้ฟังเคลื่อนที่เข้าหากัน ความถี่ที่ได้ยินจะสูงขึ้น (เสียงแหลมขึ้น) ถ้าเคลื่อนที่ออกจากกัน ความถี่ที่ได้ยินจะต่ำลง (เสียงทุ้มขึ้น) — ใช้อธิบายเสียงไซเรนรถพยาบาลที่เปลี่ยนโทนขณะวิ่งผ่าน
บีตส์และการสั่นพ้อง
เมื่อฟังเสียงจากสองแหล่งกำเนิดที่มีความถี่ใกล้เคียงกันพร้อมกัน จะได้ยินเสียงดัง-เบาสลับเป็นจังหวะ เรียกว่าบีตส์ (beats) โดยความถี่บีตส์เท่ากับผลต่างของความถี่ทั้งสอง fbeat = |f1 − f2|
การสั่นพ้อง (resonance) เกิดขึ้นเมื่อความถี่ธรรมชาติของระบบ (เช่น เส้นเชือกหรือลำอากาศในหลอด) ตรงกับความถี่ที่ถูกกระตุ้นจากภายนอก ทำให้แอมพลิจูดการสั่นเพิ่มขึ้นมากอย่างเห็นได้ชัด — ใช้อธิบายเสียงในหลอดเปิด/ปิดของเครื่องดนตรี
- อัตราเร็วเสียงในอากาศ
- v ≈ 331 + 0.6T
- ความเข้มเสียง
- I = P/A
- ระดับความเข้มเสียง
- β = 10 log(I/I0)
- ความถี่บีตส์
- fbeat = |f1 − f2|