เสียง ฟิสิกส์ ม.5 สรุปเนื้อหา พร้อมสูตรและตัวอย่างโจทย์

เนื้อหา เสียง ฟิสิกส์ ม.5 มีส่วนไหนบ้างที่ควรเน้นอ่านเพื่อเตรียมสอบ A-Level ? แล้วมีสูตรไหนที่ควรรู้ ? น้อง ๆ คนไหนที่กำลังต้องการทบทวนเนื้อหาชั้น ม.5 หรือเตรียมตัวสอบ A-Level ฟิสิกส์ ต้องอ่านบทความนี้เลยยย

เพราะวันนี้พี่จะพาน้อง ๆ มาทำความเข้าใจในเรื่อง เสียง ตั้งแต่สรุปเนื้อหาสำคัญ ทบทวนสูตรต่าง ๆ ที่จำเป็น พร้อมตัวอย่างข้อสอบมาให้ดูกันด้วย อย่ารอช้า เล่ือนลงไปอ่านกันเลยดีกว่า !!

ธรรมชาติของเสียง

คล่ืนเสียง (sound wave)

คล่ืนเสียง (sound wave) เป็นคล่ืนกลและคล่ืนตามยาว ซึ่งเกิดจากการถ่ายทอดพลังงานจากการสั่นสะเทือนของแหล่งกำเนิดเสียงผ่านโมเลกุลของตัวกลาง (ส่วนใหญ่คืออากาศ) ไปยังผู้รับ

เมื่อคล่ืนเสียงเดินทางมาถึงหูของเรา อวัยวะรับเสียงอันซับซ้อนของเราจะทำหน้าที่รับการสั่นสะเทือนนั้น และแปลงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า ก่อนส่งต่อไปยังสมองเพื่อประมวลผล จนในที่สุดเราก็สามารถรับรู้และเข้าใจเสียงต่าง ๆ ที่ได้ยินได้

อัตราเร็วเสียง

อัตราเร็วเสียง หาได้จาก v=frac{s}{t} หรือ v=flambda
เมื่อ  v คือ อัตราเร็วเสียง มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที left ( m/sright )

s คือ ระยะทางที่เสียงเคล่ือนที่ได้ มีหน่วยเป็น เมตร left ( mright )

t คือ เวลา มีหน่วยเป็น วินาที left (sright )

f คือ ความถี่เสียง มีหน่วยเป็น เฮิรตซ์ left (Hzright )

lambda คือ ความยาวคล่ืน มีหน่วยเป็น เมตร left ( mright )

ในการเดินทางของคล่ืนเสียง อัตราเร็วของเสียงไม่ได้มีค่าคงที่เสมอไป แต่แปรผันตามปัจจัยสำคัญสองประการ คือ คุณสมบัติของตัวกลางและอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม

ในกรณีที่เสียงเคล่ือนที่ผ่านอากาศ อัตราเร็วเสียงขึ้นกับอุณหภูมิของอากาศ ตามความสัมพันธ์          vpropto sqrt{T_{k}} เมื่อ T_{k} คือ อุณหภูมิของอากาศในหน่วยเคลวิน left (  Kright )  เพื่อความสะดวกจึงมีการแปลงสมการให้อยู่ในหน่วยองศาเซลเซียส v=331+0.6t_{c} เมื่อ t_{c}  คือ อุณหภูมิของอากาศในหน่วยองศาเซลเซียส C^{circ} *สมการนี้สามารถใช้คำนวณได้ในช่วงอุณหภูมิ -50 ถึง 50 องศาเซลเซียส*

ตัวอย่างที่ 1
หากมองเห็นฟ้าแลบและได้ยินเสียงฟ้าร้องหลังจากนั้น 5 วินาที จงคำนวณว่า ตำแหน่งที่เกิดฟ้าแลบอยู่ห่างจากจุดที่สังเกตกี่เมตร กำหนดให้อุณหภูมิของอากาศขณะนั้นเป็น 25 องศาเซลเซียส

วิธีทำ:

1. คำนวณอัตราเร็วของเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ 25°C

v=331+0.6t_{c}=331+left ( 0.6times 25 right )=331+15=346 เมตรต่อวินาที

2. หาตำแหน่งที่เกิดฟ้าแลบ 

s=vt=346times 5=1,730 เมตร

ตอบ ตำแหน่งที่เกิดฟ้าแลบอยู่ห่างจากจุดที่สังเกต 1,730 เมตร

พฤติกรรมของเสียง

คล่ืนเสียงแสดงพฤติกรรม 4 อย่าง ได้แก่ การสะท้อน การหักเห การเล้ียวเบนและการแทรกสอด เช่นเดียวกับคล่ืนอื่น ๆ  1.  การสะท้อนของเสียง  เกิดขึ้นเมื่อคล่ืนเสียงเคล่ือนที่ไปพบสิ่งกีดขวางแล้วจะเคล่ือนที่กลับมาในตัวกลางเดิม  ข้อควรรู้เกี่ยวกับการสะท้อนของเสียง

• เสียงที่ไปกระทบกับวัตถุแล้วสะท้อนกลับมาใช้เวลามากกว่า 0.1 วินาที  ซึ่งภายในเวลาดังกล่าว หูของเราสามารถแยกเสียงทั้งสองออกจากกันได้อย่างชัดเจน ทำให้เกิดการได้ยินเสียงครั้งต่อไปได้ เรียกว่า เสียงสะท้อนกลับ (echo)
• เสียงที่ไปกระทบกับวัตถุแล้วสะท้อนกลับมาใช้เวลาน้อยกว่า 0.1 วินาที  หูจะไม่สามารถแยกเสียงทั้งสองครั้งได้ เสียงที่ได้ยิน เรียกว่า การกังวาน (reverberation)

2. การหักเหของเสียง เกิดขึ้นเมื่อคล่ืนเสียงเคล่ือนที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง โดยคล่ืนเสียงที่เคล่ือนผ่านตัวกลางใหม่จะมีอัตราเร็วเปล่ียนไป แต่ความถี่คงเดิม 3. การเล้ียวเบนของเสียง เกิดขึ้นเมื่อคล่ืนเสียงเดินทางอ้อมสิ่งกีดขวาง โดยคล่ืนจะแผ่กระจายออกจากขอบของสิ่งกีดขวางไปยังด้านหลังของสิ่งกีดขวาง 4. การแทรกสอดของเสียง เกิดขึ้นเมื่อคล่ืนเสียงสองขบวนเคล่ือนที่มาซ้อนทับกัน ทำให้เกิดเสียงดัง – ค่อยสลับกันไป

การได้ยินเสียง

ความเข้มเสียง (Sound Intensity)

ความเข้มเสียง (Sound Intensity) หมายถึง พลังงานเสียงที่ตกกระทบต่อพื้นที่ตั้งฉาก 1 ตารางหน่วย ในเวลา 1 วินาที แทนด้วยสัญลักษณ์ I

คำนวณได้จากสมการ

I=frac{P}{A}=frac{P}{4pi r^{2}}

เมื่อ  I คือ ความเข้มเสียง มีหน่วยเป็น วัตต์ต่อตารางเมตร (W/m^{2})

P คือ กำลังเสียง มีหน่วยเป็น วัตต์ (W)
A คือ พื้นที่ที่เสียงเคล่ือนที่ผ่านในทิศตั้งฉาก มีหน่วยเป็น ตารางเมตร (m^{2})

r คือ รัศมีวงกลม มีหน่วยเป็น เมตร left (mright )

ข้อควรรู้

• ความเข้มเสียงต่ำสุดที่หูมนุษย์สามารถได้ยิน (เสียงเบา) คือ I_{0}=10^{-12}W/m^{2}
• ความเข้มเสียงสูงสุดที่หูมนุษย์สามารถทนฟังได้ (เสียงดัง) คือ I_{max}=1W/m^{2}
• ความเข้มเสียงสูงสุดมีค่า 10^{12} เท่าของความเข้มเสียงต่ำสุด

ความแตกต่างระหว่างความเข้มเสียงทั้งสองนั้นกว้างมาก เพื่อเป็นการลดช่วงที่กว้างนี้ลง จึงพิจารณาการได้ยินจาก “ระดับเสียง” แทน

ระดับเสียง

ระดับเสียง (Sound Level) เป็นปริมาณที่บอกความดังของเสียง แทนด้วยสัญลักษณ์ beta คำนวณได้จากสมการ

beta =10logfrac{I}{I_{0}}

โดย  beta คือ ระดับเสียง มีหน่วยเป็น เดซิเบล (dB)

I  คือ ความเข้มเสียงที่พิจารณา มีหน่วยเป็น วัตต์ต่อตารางเมตร (W/m^{2})

I_{0} คือ ความเข้มเสียงอ้างอิง มีค่าเท่ากับ 1times 10^{-12}  วัตต์ต่อตารางเมตร

ตัวอย่างที่ 2
วิทยุเครื่องหนึ่งกำลังส่งเสียงเพลงภายในห้อง หากผู้ฟังยืนอยู่ห่างจากวิทยุเป็นระยะทาง 1 เมตร จงคำนวณระดับเสียง
ณ ตำแหน่งดังกล่าว โดยกำหนดให้กำลังเสียงของวิทยุเท่ากับ 4pi times 10^{-3} วัตต์

วิธีทำ:

1. คำนวณความเข้มเสียง (I) 
I=frac{P}{A}=frac{4pi times 10^{-3}}{4pi (1)^{2}}=1times 10^{-3}W/m^{2}

2. คำนวณระดับเสียง (beta) 
beta =10logfrac{I}{I_{0}}=10logfrac{1times 10^{-3}}{1times 10^{-12}}=10log10^{9}=9times 10log10=9times 10=90dB

ตอบ ระดับเสียงที่ตำแหน่งห่างจากวิทยุ 1 เมตร เท่ากับ 90 เดซิเบล (dB)

ปรากฏการณ์เกี่ยวกับเสียง

คล่ืนนิ่งของเสียง

คล่ืนนิ่งเกิดจากการแทรกสอดของคล่ืนเสียง 2 ขบวน ที่มีความยาวคล่ืน เท่ากัน แต่มีทิศทางตรงข้าม สำหรับกรณีคล่ืนเสียงสามารถเกิดคล่ืนนิ่งได้ สามารถศึกษาได้โดยใช้เสียงจากลำโพงเคล่ือนที่ไปกระทบกับโต๊ะ ทำให้เกิดคล่ืนสะท้อนกลับมาแทรกสอดกับคล่ืนตกกระทบเป็นคล่ืนนิ่ง  เมื่อฟังเสียง ณ ตำแหน่งต่าง ๆ โดยใช้ท่อรับฟัง จะได้ยินเสียงดัง – ค่อยสลับกันไประหว่างโต๊ะจนถึงลำโพง
โดย จุดบัพ (Node)  เป็นตำแหน่งเสียงค่อยและจุดปฏิบัพ (Antinode) เป็นตำแหน่งเสียงดัง

การสั่นพ้องของอากาศในท่อ

เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงส่งเข้าไปในท่อ จะทำให้เกิดการแทรกสอดเป็นคล่ืนนิ่ง แต่ถ้าความถี่กระตุ้นตรงกับความถี่ธรรมชาติ ของโมเลกุลอากาศในท่อ จะทำให้อากาศในท่อสั่นอย่างรุนแรง (แอมพลิจูดสูง) และเกิดเสียงดังมากจากการสั่นพ้อง
โดยการศึกษาเรื่องคล่ืนนิ่งของเสียง นิยมใช้ท่อปลายปิดและท่อปลายเปิด จะได้ความสัมพันธ์ ดังนี้

โดย f_{n} คือ ความถี่การสั่นพ้องซึ่งมีค่าเป็น n เท่าของความถี่มูลฐาน (Hz)

v คือ อัตราเร็วเสียงในอากาศ (m/s)
L คือ ความยาวของลำอากาศในท่อ(m)

ข้อควรรู้

• สำหรับการสั่นพ้องของเสียงในหลอดเรโซแนนซ์ซึ่งปรับความยาวได้ การสั่นพ้องจะเกิดขึ้นทุกระยะ frac{lambda }{2}

คำศัพท์ของความถี่

ความถี่มูลฐาน (Fundamental Frequency) คือ ความถี่ต่ำสุดของคล่ืนนิ่ง

โอเวอร์โทน (Overtone) คือ ความถี่ถัดจากความถี่มูลฐาน

ฮาร์มอนิก (Harmonic) คือ ตัวเลขที่บอกว่าความถี่นั้นเป็นกี่เท่าของความถี่มูลฐาน (ตัว n ในสูตร)

ตัวอย่างที่ 3 ท่อปลายปิดหนึ่งด้านมีความยาว 1 เมตร ถ้าความเร็วของเสียงในอากาศมีค่าเท่ากับ
340 เมตรต่อวินาที ความถี่มูลฐานมีค่าเท่าใด

วิธีทำ:

ความถี่มูลฐาน คือ f_{1} จะได้ว่า f_{n}=nfrac{v}{4L}

f_{n}=nfrac{v}{4L} f_{1}=85Hz

ตอบ ความถี่มูลฐานเท่ากับ 85Hz

บีต

บีต (beat) เกิดขึ้นเมื่อมีเสียง 2 เสียงที่แอมพลิจูดเท่ากัน มีความถี่ใกล้ ๆ กันมาเจอกัน เหมือนคล่ืนสองลูกมาซ้อนทับกัน ผลที่ได้คือจะเกิดเสียงดัง – เบาสลับกันเป็นจังหวะ ซึ่งหาได้จาก

f_{b}=left | f_{1}-f_{2}right |

**หูของเราสามารถแยกความถี่บีตได้มากที่สุด 7Hz ถ้ามากกว่านี้จะแยกไม่ออก

โดย  f_{b} คือ ความถี่บีต (Hz)

f_{1}คือ ความถี่เสียงจากแหล่งที่ 1 (Hz)

f_{2} คือ ความถี่เสียงจากแหล่งที่ 2 (Hz)

ตัวอย่างที่ 4

ถ้าเสียงแรกมีความถี่ 440Hz อีกเสียงมีความถี่ 442Hz แล้วความถี่บีตมีค่าเท่าใด
f_{b}=left | f_{1}-f_{2}right |

f_{b}=left | 440-442right | f_{b}=2Hz

ตอบ จะได้ยินเสียงดัง – เบา 2 ครั้งต่อวินาที

เรื่องนี้มีประโยชน์มาก ๆ เลยเพราะช่างดนตรีใช้การฟังบีตเพื่อตั้งเสียงเครื่องดนตรีให้ตรงมาตรฐาน

ปรากฎการณ์ดอปเพลอร์

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (Doppler Effect) เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อแหล่งกำเนิดคล่ืนมีการเคล่ือนที่สัมพัทธ์กับผู้สังเกต ทำให้ความถี่ของคล่ืนที่ผู้สังเกตได้รับแตกต่างจากความถี่ของคล่ืนที่แหล่งกำเนิดปล่อยออกมา

• เมื่อแหล่งกำเนิดคล่ืนเคล่ือนที่เข้าหาผู้สังเกต ความถี่ของคล่ืนที่ผู้สังเกตได้รับจะเพิ่มขึ้น  (แหล่งกำเนิดคล่ืนเรียกว่า “เข้ามา” หาผู้สังเกต)
• เมื่อแหล่งกำเนิดคล่ืนเคล่ือนที่ออกห่างจากผู้สังเกต ความถี่ของคล่ืนที่ผู้สังเกตได้รับจะลดลง  (แหล่งกำเนิดคล่ืนเรียกว่า “ออกไป” จากผู้สังเกต)

ตัวอย่างของปรากฏการณ์นี้สามารถพบได้ในชีวิตประจำวัน เช่น เสียงไซเรนรถตำรวจหรือรถพยาบาลที่มีเสียงสูงเมื่อเข้ามาใกล้ และเสียงต่ำเมื่อวิ่งออกไป

ตัวอย่างข้อสอบ A-Level เรื่องเสียง ฟิสิกส์

บทเรียนเรื่อง “เสียง” เป็นบทเรียนที่ออกสอบในข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ทุกปี อย่างน้อย 1 – 2 ข้อต่อปี โดยก่อนที่เราจะเริ่มดูตัวอย่างข้อสอบ พี่ขอย้ำถึงหัวข้อที่มักออกสอบบ่อยในเรื่องเสียงกันก่อน เพื่อให้น้อง ๆ ได้เตรียมตัวได้ตรงจุดที่สุด ซึ่งจากการวิเคราะห์ข้อสอบในหลายปีที่ผ่านมา หัวข้อที่ออกสอบบ่อยมาก ๆ ในบทเรียนนี้ ได้แก่

• การสั่นพ้อง (Resonance) : มักมาในรูปของโจทย์เกี่ยวกับคล่ืนนิ่งในท่อปลายเปิด – ปลายปิด หรือในเครื่องดนตรี เช่น การหาความยาวคล่ืนจากการสั่นพ้อง
• ความเข้มเสียงและระดับเสียง : มักมาในรูปของโจทย์เกี่ยวกับการคำนวณระดับเสียงเดซิเบล (dB) และการเปรียบเทียบความเข้มเสียง
• เรื่องอื่น ๆ ที่เกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางเสียง เช่น ความถี่บีต (Beat Frequency) และการสะท้อนของเสียง

เฉลยตัวอย่างแนวข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ (เสียง) ข้อที่ 1

ตอบ 3. 500 Hz
ความสัมพันธ์ระหว่างสองตำแหน่งของน้ำ ตำแหน่งที่เกิดการสั่นพ้องมีจำนวนฮาร์มอนิกต่างกันอยู่ 2 ฮาร์มอนิก

L=frac{nlambda }{4},n=1,3,5,…

L_{3}-L_{1}=frac{lambda }{2}

0.445-0.105=frac{lambda }{2}

lambda =0.68m

ความถี่ของส้อมเสียง

f=frac{v}{lambda }

f=frac{340}{0.68}

f=500Hz

เฉลยตัวอย่างแนวข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ (เสียง) ข้อที่ 2

ตอบ 5.6

ความเข้มเสียงที่ระยะใหม่ เมื่อระยะทางลดลงครึ่งหนึ่ง

frac{I_{2}}{I_{1}}=frac{frac{P}{4pi r_{2}^{2}}}{frac{P}{4pi r_{1}^{2}}}

frac{I_{2}}{I_{1}}=left ( frac{r_{1}}{r_{2}} right )^{2}

frac{I_{2}}{I_{1}}=left ( frac{r_{1}}{frac{r_{1}}{2}} right )^{2}

frac{I_{2}}{I_{1}}=4

การเปล่ียนแปลงระดับเสียง

Delta beta =10logfrac{I_{2}}{I_{1}}

Delta beta =10log4

Delta beta =10times 0.6

Delta beta =6dB

เฉลยตัวอย่างแนวข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ (เสียง) ข้อที่ 3

ตอบ 3. ส้อมเสียง C และ 10 ครั้ง

ส้อมเสียงที่ทำให้ความถี่บีตเท่ากับ 5 เฮิรตซ์ ต้องเป็นส้อมเสียงที่มีความถี่ต่างจากแหล่งกำเนิดเสียง 5 เฮิรตซ์ ได้แก่
ส้อมเสียง B ความถี่ 430 เฮิรตซ์

f_{b}=left | 435-430right |=5Hz

ส้อมเสียง C ความถี่ 440 เฮิรตซ์

f_{b}=left | 435-440right |=5Hz

ดังนั้น ภายใน 2 วินาที เสียงบีตดังกล่าวจะมีเสียงดังเป็นจังหวะ 5 x 2 = 10 ครั้ง

จากตัวเลือก จึงต้องเลือกคำตอบเป็น ส้อมเสียง C และ 10 ครั้ง

เฉลยตัวอย่างแนวข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ (เสียง) ข้อที่ 4

ตอบ 1360.00 เมตร

เวลาเดินทางของเสียงในน้ำและอากาศต่างกัน 3 วินาที

t_{air}-t_{water}=3

frac{d}{340}-frac{d}{1360}=3

frac{4d}{1360}-frac{d}{1360}=3

frac{3d}{1360}=3

d=1360

เป็นอย่างไรกันบ้างกับ “สรุปเนื้อหาเรื่อง เสียง ฟิสิกส์ ม.5” และแนวข้อสอบ A-Level ที่พี่นำมาฝากในวันนี้ หวังว่าจะช่วยให้น้อง ๆ ที่กำลังเตรียมตัวสอบทุกคนได้น้าา

แต่นอกจาก A-Level ฟิสิกส์แล้ว ในการยื่นเพื่อสมัคร น้อง ๆ อาจจะต้องใช้คะแนน A-Level อีกหลายวิชา และแต่ละวิชาก็ต้องอาศัยการเตรียมตัวค่อนข้างนาน สำหรับใครที่กลัวเตรียมตัวไม่ทันอยากจะประหยัดเวลาในการเตรียมสอบ

พี่ขอแนะนำคอร์สเรียนพิเศษสนาม A-Level ของ SmartMathPro ที่มีทั้ง A-Level คณิต 1, 2 / A-Level ภาษาอังกฤษ
/ A-Level ฟิสิกส์ / A-Level ภาษาไทย / A-Level สังคม เลยน้าา โดยสำหรับใครที่ไม่มีพื้นฐานก็สามารถเรียนได้
เพราะพี่สอนตั้งแต่ปูพื้นฐาน ไปจนถึงพาทำโจทย์ตั้งแต่ระดับง่ายไปจนถึงความยากใกล้เคียงกับข้อสอบจริงเลย แถมมีเทคนิคในการทำข้อสอบอีกเพียบที่จะช่วยให้น้อง ๆ ทำข้อสอบได้เร็วขึ้น > <

และสำหรับใครที่ยังไม่เริ่ม เริ่มติวตอนนี้ก็ยังทันน้าา แอบกระซิบว่าถ้าสมัครคอร์สตั้งแต่ตอนนี้พี่มี Unseen Mock Test ชุดพิเศษ 1 ชุด แถมฟรีไปให้ลองทำพร้อมสิทธิพิเศษประจำเดือนอีกมากมายด้วย ถ้าน้อง ๆ คนไหนสนใจคอร์สเตรียมสอบ A-Level สามารถ คลิก เข้ามาดูรายละเอียดได้เลยย