เสียง: ความหมาย ประเภท ลักษณะ & ความถี่

เสียงอยู่รอบตัวเรา เราใช้ความรู้สึกของเสียงเพื่อนำทางสภาพแวดล้อมของเรา เพื่อสื่อสารและเพลิดเพลินกับเสียงเพลง แต่เสียงคืออะไร? มันถูกสร้างขึ้นมาอย่างไรและมันถ่ายทอดจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งอย่างไร?

เสียงเป็นประเภทของคลื่นกลหรือการสั่นของสสาร คลื่นเป็นการรบกวนที่เดินทางจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งในตัวกลาง สิ่งสำคัญในที่นี้คือ จุดในตัวกลางจะแกว่งไปมาในขณะที่สิ่งรบกวนเคลื่อนที่ไปเอง

ตัวอย่างเช่น พิจารณาคลื่นที่ทำโดยฝูงชนที่เกมบอล แฟน ๆ ในที่นั่งทำหน้าที่เป็นสื่อกลางของคลื่น พวกเขาลุกขึ้นยืน ยกแขนขึ้นแล้วนั่งลงทีละคน โดยจะสั่นอยู่กับที่ อย่างไรก็ตาม ความปั่นป่วนไปทั่วสนาม

การแกว่งของตัวกลางมักเกิดในลักษณะใดลักษณะหนึ่งจากสองลักษณะ: คลื่นตามขวางจะสั่นที่มุมฉากกับทิศทางของ เดินทาง (เช่นเดียวกับผู้ชมที่สนามกีฬาหรือคลื่นบนเชือก) และคลื่นตามยาวแกว่งไปแกว่งมาขนานกับทิศทางของ การท่องเที่ยว.

คลื่นเสียงเป็นคลื่นตามยาว เมื่อคลื่นเสียงแพร่กระจายผ่านตัวกลาง เช่น อากาศ คลื่นเสียงจะกระทำโดยทำให้โมเลกุลของอากาศสั่นสะเทือน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงใน ความกดอากาศทำให้เกิดการกดทับ (บริเวณที่มีความกดอากาศสูง) และการเกิดหายาก (บริเวณที่มีความกดอากาศต่ำ) ในอากาศเป็นคลื่น เดินทาง

ลองนึกถึงสปริงของเล่นอย่าง Slinky ที่ยื่นออกไปบนโต๊ะโดยมีคนจับปลายทั้งสองข้าง หากมีคนดึง Slinky เข้าหาตัวเอง มันจะส่งคลื่นตามยาวลงมาที่ Slinky คุณจะเห็นบริเวณของขดลวด Slinky ที่มีระยะห่างกันมากขึ้น (การบีบอัด) และระยะห่างที่หลวมมากขึ้น (rarefactions) จุดใดๆ ที่ระบุใน Slinky จะแกว่งไปมาในขณะที่สิ่งรบกวนเคลื่อนจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง

อีกครั้ง นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นกับคลื่นเสียงในอากาศหรือสื่ออื่นๆ สำหรับเรื่องนั้น

เช่นเดียวกับคลื่นอื่นๆ คลื่นเสียงถูกสร้างขึ้นจากการรบกวนหรือการสั่นสะเทือนในขั้นต้น ตัวอย่างเช่น ส้อมเสียงที่ชนกันจะสั่นที่ความถี่เฉพาะ เมื่อมันเคลื่อนที่ มันจะชนเข้ากับโมเลกุลของอากาศรอบๆ และบีบอัดพวกมันเป็นระยะ

บริเวณที่ถูกบีบอัดจะส่งพลังงานนี้ไปยังโมเลกุลของอากาศที่อยู่ใกล้เคียงเช่นกัน และการรบกวนจะเคลื่อนที่ผ่านอากาศจนกว่าจะถึง หูของคุณจะถ่ายเทพลังงานไปยังแก้วหูซึ่งจะสั่นที่ความถี่เดียวกัน – และสมองของคุณจะตีความว่า เสียง.

เมื่อคุณพูด คุณจะสั่นกล่องเสียงของคุณ (ท่อกลวงเล็กๆ ที่ด้านบนของหลอดลม) ซึ่งจะทำให้อากาศรอบๆ สั่น ซึ่งจะกระจายพลังงานเสียงไปยังผู้ฟัง โดยการหดตัวและขยายเนื้อเยื่อในกล่องเสียงของคุณ ตลอดจนจัดการกับข้อต่อในปากของคุณ (ริมฝีปาก ลิ้น และโครงสร้างปากอื่นๆ ของคุณ) คุณสามารถสร้างเสียงต่างๆ ได้

วัตถุทั้งหมดสามารถเป็นแหล่งกำเนิดเสียงที่สร้างเสียงในลักษณะเดียวกันได้ โดยการสั่นและถ่ายโอนการสั่นเหล่านั้นไปยังสื่อที่อยู่ติดกัน เช่น อากาศ

ในอากาศแห้ง เสียงเดินทางด้วยความเร็ว

ที่ไหนตู่_คคืออุณหภูมิในเซลเซียส ในวันที่ 20 องศาเซลเซียส (68 องศาฟาเรนไฮต์) มาตรฐาน เสียงเดินทางประมาณ 343.4 m/s นั่นคือประมาณ 768 ไมล์ต่อชั่วโมง!

ความเร็วของเสียงแตกต่างกันในสื่อต่างๆ ตัวอย่างเช่น อัตราที่คลื่นเสียงเดินทางในน้ำอาจมากกว่า 1,437 m/s; ในเนื้อไม้ 3,850 m/s; และอะลูมิเนียม เกิน 6,320 ม./วินาที!

ตามกฎทั่วไป เสียงเดินทางเร็วขึ้นในวัสดุที่โมเลกุลอยู่ใกล้กันมากขึ้น มันเดินทางได้เร็วที่สุดในของแข็ง เร็วเป็นอันดับสองในของเหลว และช้าที่สุดในก๊าซ

คุณสามารถทำการทดลองง่ายๆ เพื่อวัดความเร็วของเสียง ในการทำเช่นนี้ คุณจะต้องมีแหล่งกำเนิดเสียง (ซึ่งอาจเป็นส้อมเสียง เสียงปรบมือ หรือเสียงของคุณเอง) และเสียงสะท้อน พื้นผิวที่ทราบระยะทางห่างจากแหล่งกำเนิด (เช่นกำแพงหน้าผาทึบข้างหน้าคุณหลายเมตรหรือปลายปิดที่เรียบง่าย หลอด).

ให้คุณมีอุปกรณ์ (และ/หรือปฏิกิริยาตอบสนองเร็วพอ) ที่สามารถวัดการเหลื่อมเวลาระหว่างเวลาที่เปล่งเสียงและเมื่อ มันกลับไปยังตำแหน่งต้นทางผ่านเสียงสะท้อนจากพื้นผิวสะท้อน คุณจะมีข้อมูลเพียงพอที่จะกำหนด ความเร็ว.

เพียงใช้ระยะห่างจากแหล่งกำเนิดถึงพื้นผิวสะท้อนแสงเป็นสองเท่า (เนื่องจากเสียงเดินทางจาก แหล่งกำเนิดไปยังพื้นผิวแล้วกลับมาอีกครั้ง) และหารด้วยเวลาระหว่างการปล่อยเสียงและ เสียงสะท้อน

ตัวอย่างเช่น สมมติว่าคุณตะโกนเข้าไปในหุบเขาลึก 200 เมตรและรับเสียงสะท้อนกลับใน 1.14 วินาที ความเร็วของเสียงจะเป็น 2 × 200 / 1.14 = 351 m/s

คุณอาจคุ้นเคยกับปรากฏการณ์ของเครื่องบินบางลำที่ทำลายกำแพงเสียง นี่หมายความว่าเครื่องบินบินได้เร็วกว่าความเร็วของเสียง ในขณะที่ความเร็วเกินนี้ จะสร้างโซนิคบูม

เครื่องบินเดินทางที่มัค 1กำลังเดินทางด้วยความเร็วเสียง Mach 2 มีความเร็วเป็นสองเท่าของเสียงเป็นต้น เครื่องบินที่เร็วที่สุดในโลกคือ North American X-15 ซึ่งทำความเร็วได้ถึง 6.7 Mach ในวันที่ 3 ตุลาคม 1967

บนบก ความเร็วของเสียงถูกทำลายเมื่อวันที่ 15 ตุลาคม 1997 โดย Andy Green ซึ่งเดินทางด้วยรถเจ็ต ThrustSSC ในทะเลทราย Black Rock ในเนวาดา 763.035 ไมล์ต่อชั่วโมงต่อชั่วโมง

ความถี่ของคลื่นคือจำนวนการแกว่งที่เกิดขึ้นที่จุดที่กำหนดในตัวกลางต่อวินาที มีหน่วยวัดเป็นหน่วยเฮิรตซ์ (Hz) โดยที่ 1 Hz = 1/s ความยาวคลื่นของคลื่นเสียงคือระยะห่างระหว่างบริเวณที่บีบอัดสูงสุดสองบริเวณติดต่อกัน โดยทั่วไปจะมีหน่วยวัดเป็นหน่วยเมตร (m)

ความเร็วของคลื่นเสียง,วีเกี่ยวข้องโดยตรงกับความถี่ฉความยาวคลื่นแลมบ์ดาผ่านวี = λf​.

ความเร็วของเสียงในตัวกลางนั้นไม่ได้ขึ้นอยู่กับความถี่หรือความยาวคลื่น แต่เป็นค่าคงที่ของตัวกลางนั้น ๆ ความถี่ของคลื่นเสียงจะตรงกับความถี่ของแหล่งกำเนิดเสียงเสมอ จึงไม่ขึ้นกับตัวกลางหรือความเร็วของคลื่น

ดังนั้น ในสื่อที่ต่างกัน 2 ตัว ความถี่จะเท่ากัน ในขณะที่ความเร็วจะเฉพาะกับตัวกลาง และความยาวคลื่นจะแปรผันตามไปด้วย (ความถี่สูงสอดคล้องกับความยาวคลื่นขนาดเล็ก และในทางกลับกัน)

ช่วงความถี่ที่ปกติแล้วหูของมนุษย์จะตรวจจับได้ตั้งแต่ 64 Hz ถึง 23 kHz แม้ว่าผู้คนมักจะสูญเสียความสามารถในการได้ยินความถี่ที่สูงขึ้นเมื่ออายุมากขึ้น ในทางตรงกันข้าม สุนัขสามารถได้ยินได้ถึง 45 กิโลเฮิรตซ์ (นั่นคือสาเหตุที่พวกมันตอบสนองต่อเสียงนกหวีดของสุนัข) ที่มนุษย์ไม่ได้ยิน) แมวสามารถได้ยินได้ถึง 64 kHz และปลาโลมาสามารถได้ยินได้ถึง 150 กิโลเฮิรตซ์!

คุณไม่ต้องสงสัยเลยที่จะเจอคำพูดนี้จากภาพยนตร์ปี 1979มนุษย์ต่างดาวและเป็นความจริง: เสียงไม่ได้เดินทางในสุญญากาศ เพราะต้องการสื่อ ต้องมีวัสดุบางอย่างระหว่างแหล่งกำเนิดเสียงและคุณเพื่อให้เสียงแพร่กระจาย

ฉากการต่อสู้ในอวกาศทั้งหมดที่คุณเห็นในภาพยนตร์ที่มีการระเบิดอย่างดัง? เท็จโดยสิ้นเชิง! จะไม่มีเสียงเพราะไม่มีตัวกลางให้เดินทางผ่าน

ความเข้มของเสียงผม, คือกำลังเสียงต่อหน่วยพื้นที่ หน่วย SI สำหรับความเข้มของเสียงคือ วัตต์/m² ที่ไหนผม₀​ = 10^-12 W/m² ถือเป็นเกณฑ์การได้ยินของมนุษย์ ความเข้มของเสียงคือสิ่งที่เราคิดว่าเป็น "ความดัง" ของเสียง

วิธีทั่วไปในการนำเสนอความดังของเสียงที่รับรู้คือการใช้มาตราส่วนเดซิเบล (dB) โดยที่ความเข้มของเสียงมีหน่วยเป็นเดซิเบล:

มาตราส่วนนี้มีประโยชน์เพราะมนุษย์ไม่รับรู้ถึงความดังเป็นเส้นตรง กล่าวคือ เสียงที่มีความเข้มเป็นสองเท่าอาจดูเหมือนดังขึ้นมากกว่าสองเท่าเมื่อเริ่มเงียบ และน้อยกว่าสองเท่าหากเริ่มเสียงดังอยู่แล้ว มาตราส่วนเดซิเบลให้ตัวเลขที่สอดคล้องกับการรับรู้ของเรามากขึ้น

เสียงของอัตราการหายใจเบา ๆ ที่ประมาณ 10 เดซิเบล ในขณะที่การสนทนาในร้านอาหารอยู่ที่ประมาณ 60 เดซิเบล สะพานลอยเจ็ทที่ 1,000 ฟุตนั้นประมาณ 100 เดซิเบล เสียงฟ้าร้องที่เจ็บปวดตามแนวเขตคือ 120 dB และกลองหูของคุณจะแตกที่ 150 dB

พลังงานในคลื่นเสียงสัมพันธ์โดยตรงกับความเข้ม หน่วยของความเข้ม W/m²เหมือนกับ J/(sm²) หรือพลังงานเป็นจูลต่อวินาทีต่อตารางเมตร

จำไว้ว่าความเร็วของเสียงขึ้นอยู่กับตัวกลางเท่านั้น ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความถี่ของคลื่น นี่เป็นสิ่งที่ดีเพราะไม่เช่นนั้นการฟังคอนเสิร์ตจะเป็นประสบการณ์ที่แย่มาก โน้ตดนตรีต่างๆ จะส่งถึงคุณอย่างไม่เป็นระเบียบ

ความถี่เสียงที่แตกต่างกันสอดคล้องกับระดับเสียงหรือโน้ตดนตรีที่แตกต่างกัน เมื่อนักร้องร้องเพลง พวกเขาจะสร้างความถี่ที่แตกต่างกันโดยการเปลี่ยนขนาดและรูปร่างของกล่องเสียง เครื่องดนตรีได้รับการออกแบบมาเพื่อสร้างเสียงโทนบริสุทธิ์โดยทั่วไปโดยการสร้างคลื่นนิ่ง ไม่ว่าจะอยู่ในท่อหรือไปป์ หรือตามแนวสาย

พิจารณาเครื่องสายเช่นกีตาร์ ความถี่ที่เชือกที่ดึงออกมาสั่นขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของมวล (มวลต่อหน่วยความยาวเท่าใด) ความตึงของเชือก (ความตึงของเชือก) และความยาว ถ้าดูกีต้าร์จะเห็นว่าสายแต่ละเส้นมีความหนาต่างกัน ปุ่มปรับเสียงที่ปลายด้ามจับช่วยให้คุณปรับความตึงของสายได้ และเฟร็ตก็ให้คุณ ที่สำหรับวางนิ้วของคุณเพื่อเปลี่ยนความยาวของสายขณะที่คุณเล่น ช่วยให้คุณสร้างความแตกต่างได้มากมาย หมายเหตุ

ในทางตรงกันข้าม ลมไม้ประกอบด้วยท่อกลวงที่สามารถสร้างคลื่นนิ่งในคอลัมน์ของอากาศได้ (เช่นเดียวกับในกล่องเสียงของคุณ) รูเสียงต่างๆ บนเครื่องดนตรีดังกล่าวทำให้คุณสามารถเปลี่ยนประเภทของคลื่นนิ่งที่สามารถสร้างได้ และด้วยเหตุนี้จึงเปลี่ยนโน้ตที่สามารถเล่นได้

สำหรับเครื่องดนตรีอย่างทรอมโบน คุณยังสามารถปรับความยาวของท่อได้ด้วยการเลื่อนสไลด์ไปมา เพื่อให้สามารถตั้งคลื่นความถี่ต่างๆ ได้ และด้วยเหตุนี้จึงสามารถเล่นโน้ตต่างๆ ได้

เครื่องเพอร์คัชชัน เช่น กลอง ต้องอาศัยการสั่นของเมมเบรน (เช่น หัวดรัม) เหมือนกับการดึงสายกีตาร์ เมื่อคุณตีหัวกลองที่ตำแหน่งต่างๆ คลื่นนิ่งจะก่อตัวบนเมมเบรน ทำให้เกิดเสียง ความถี่และคุณภาพของเสียงขึ้นอยู่กับขนาดของเมมเบรน ความหนาและความตึงของเสียง