10/12/55

1

เอกสารประกอบการสอน407-11-15 หลกฟสกส (Principles of Physics)กลมเรยน CSS15541Nปการศกษา 2/2555

บทท 8 คลนและคลนเสยง

อาจารยผสอน: ดร. พนดา หลอวงศตระกล

ตดตอทาง email: dang_phy@hotmail.com

หองทางาน: อาคาร 17 ชน 3

โทร: 081-645-3095

เอกสารอางอง

• R.A.Serway,Jewett, Physics for scientist and engineers, 6th Ed., Brook/Cole, Singapore, 2004.

• เวปไซตตางๆ เชน

http://www.rmutphysics.com/

http://kruweerajit1.blogspot.com/

http://thegeniusphysics.blogspot.com/

http://science.sut.ac.th/physics/

10/12/55

2

ชนดของคลน

เราแบงคลนออกเปน 2 ชนด ตามลกษณะการเคลอนทของอนภาคตวกลางขณะคลนเคลอนทผานอนภาคตวกลางขณ คลนเคลอนทผาน

1.คลนตามยาว

2.คลนตามขวาง

หรอพจารณาลกษณะของการทาใหเกดคลน แบงได 2 ลกษณะ

1.คลนดล เกดจากการสนของแหลงกาเนดในชวงเวลาสนๆ

2.คลนตอเนอง แหลงกาเนดมการสนอยางตอเนองhttp://etorgerson.wordpress.com/2011/04/12/mechanical‐waves‐day‐2/

ชนดของคลน

1. คลนตามยาว (Longitudinal Wave) คอ คลนททาใหอนภาคของ ส ใ ตวกลางสนในทศทางเดยวกนกบทศทางการเคลอนของคลน เชน คลน

เสยง, คลนในสปรง เปนตน

10/12/55

3

ชนดของคลน

2. คลนตามขวาง (Transverse Wave) คอ คลนททาใหอนภาคของตวกลางสนในทศทางตงฉากกบทศทางการเคลอนของคลน เชน คลนนา, คลนในเสนเชอก เปนตน เปนตน

สวนประกอบคลน

ความยาวคลน (): ความยาวของคลน 1 คลน เปนระยะทางทวดระหวางจดสองจดทสนทสดบนคลนทเฟสตรงกน ในระบบ SI มหนวยเปนเมตร (m)อมปลจด(A): การกระจดสงสดของการสนของอนภาคจากระดบปกต ในระบบ SI มหนวยเปนเมตร (m)มมเฟส (): มมทใชกาหนดตาแหนงบนคลนขณะทเคลอนท ในระบบ SI มหนวยเปนเรเดยน (Radian ; rad)

10/12/55

4

สวนประกอบคลนความถ (f ): จานวนคลนทเคลอนทผานจดใด ๆ ในหนงหนวยเวลา ในระบบ SI มหนวย

เปน วนาท-1(s-1) หรอ เฮรทซ (Hz)

คาบการเคลอนท (T): เวลาทคลน 1 คลน เคลอนทผานจดใด ๆ ในระบบ SI มหนวยเปนวนาท (s)

อตราเรวของคลน (v) ระยะทางทคลนเคลอนทไดในหนงหนวยเวลาและเนองจากขณะทคลนเคลอนทไปดวย อตราเรวคาหนง เฟสของคลนกเคลอนทไปดวยอตราเรว เทากน ดงนนในบางครงจงเรยกวา อตราเรวเฟส ( Phase Speed) ของคลน ในระบบ SI มหนวยเปนเมตรตอวนาท (ms-1)

ความสมพนธระหวาง ความถ (f), คาบ(T), ความยาวคลน (), อตราเรวเรว (v)

• ความสมพนธของคาบ (T) และความถคลน (f)ความสมพนธของคาบ (T) และความถคลน (f)

• ความสมพนธของความถ (f) ความยาวคลน () และ อตราเรวเรว (v)

f

1T

• ความสมพนธของความถ (f), ความยาวคลน () และ อตราเรวเรว (v)

fv

10/12/55

5

ต.ย. คลนตอเนองขบวนหนงมความถ 90 Hz ขณะเวลาหนงมลกษณะดงรป ถาแกน x และแกน y แทนระยะทางในหนวยเซนตเมตร จงหาอมปลจด ความยาวคลน คาบ อตราเรวคลน ตามลาดบ

เฟสของคลน

เฟสของคลนเปนการบอกตาแหนงตางๆ บนคลน โดยบอกเปนมมในหนวยองศาหรอเรเดยน

โดยตาแหนงของคลนทเคลอนทครบ 1 รอบ สมพนธกบการเคลอนทเปนวงกลมครบ 1 รอบเชนกน

10/12/55

6

สมบตของคลน

แบงสมบตของคลนกล เปน 4 ประการ ไดแก

• การสะทอน

• การหกเห

• การเลยวเบน

• การแทรกสอด

สมบตของคลนการสะทอน เกดจากการทคลนเคลอนทกระทบตวกลางใหมแลวมการ

เคลอนทกลบมายงตวกลางเดม

กฎการสะทอน รงสตกกระทบ เสนปกต รงสสะทอน ตองอยในระนาบเดยวกน โดย มมตกกระทบ (i) = มมสะทอน (r)

10/12/55

7

สมบตของคลน การหกเหของคลน เกดเมอคลนมการเคลอนทผานเขาไปยงตวกลางใหม

โดยทาให ความเรว ความยาวคลน และทศทางการเคลอนทเปลยนไปจาก ดม ตความถยงคง ทา ดมจากเดม แตความถยงคงเทาเดม

คลนเดนทางจากตวกลางโปรงไปยงตวกลางททบกวา คลนเดนทางจากตวกลางทบไปยงตวกลางทโปรงกวา

การหกเหของคลนเปนไปตาม “กฎของสเนลล”

พจารณาคลนเคลอนทจากตวกลางท 1

สมบตของคลน

ไปตวกลางท 2 จะไดความสมพนธตาม

กฎของสเนลล ดงน

1

2

2

1

2

1

2

1

n

n

v

v

sin

sin

โดย ดชนหกเหของตวกลางใดๆ (n) คอ

อตราสวนระหวางความเรวของแสงในสญญากาศ (c)

ตอความเรวของแสงในตวกลางใดๆ (v)

v

cn (โดย c = 3 x 108 m/s)

10/12/55

8

สมบตของคลน

มมวกฤต (c) : มมตกกระทบททาใหเกดมมหกเหมคาเปน 90 องศา

นนคอ

จะได

1

2

2

1

2

1oc

n

n

v

v

90sin

sin

1

1

21

2

11

2

11c

n

nsin

v

vsinsin

ต.ย. คลนผวนามความถ 12 Hz เคลอนทจากบรเวณนาลกสบรเวณนาตน ดวยความเรว 0.18 m/s โดยหนาคลนตกกระทบทามม 45 องศา กบเสนรอยตอนาลกกบนาตนก. เมอคลนเคลอนทผานเสนรอยตอนาลกกบนาตน มมหกเหเปนเทาใด กาหนดความยาวคลนในนา ตนเทากบ 1 ซ.ม.ข. ความถของคลนในนาตนเทากบทเฮรตซ

10/12/55

9

สมบตของคลนการแทรกสอดของคลน เกดจากการซอนทบของคลนตอเนองมากกวา 1

ขบวนเคลอนทมาพบกน

รวของการแทรกสอด เกดจากการรวมกนของคลน ม 2 ลกษณะ คอ1.ตาแหนงทเกดการรวมแบบเสรมกน จะมคาแอมพลจดมาก เรยกตาแหนงนวา ปฏบพ(Antinode : A)2.ตาแหนงทเกดการรวมแบบหกลางกนจะมคาแอมพลจดนอยเกอบเปนศนย เรยกตาแหนงนวา บพ(node : N)

แสดงการแทรกสอดของแหลงกาเนดอาพนธ (การรวมตวทเกดจากคลนทมความถเทากน)

http://kruweerajit1.blogspot.com/p/tre.html

สมบตของคลนการแทรกสอดของคลนนาทเกดจากแหลงกาเนดอาพนธ 2 แหลง คอ S1 และ S2

http://kruweerajit1.blogspot.com/p/tre.html

10/12/55

10

สมบตของคลนการเลยวเบนของคลน (diffraction) เกดเมอคลนจากแหลงกาเนดเดนทางไปพบสงกดขวางทมลกษณะเปนขอบหรอชอง คลนสวนทกระทบสงกดขวางจะสะทอนกลบมา คลนบางสวนทผานไปไดทขอบหรอชองเปด จะสามารถแผจากขอบของสงกดขวางเขาไปทางดานหลงของสงกดขวางนน คลายกบคลนเคลอนทออมผานสงกดขวาง

คณสมบตของคลน เชนความยาวคลน ความถ และความเรวยงคงมขนาดเทาเดม

http://kruweerajit1.blogspot.com/p/tre.html

หลกของฮอยเกนส : ทกๆจดบนหนาคลนถอเปนตนกาเนดคลนใหมได

คลนเสยง

ธรรมชาตของเสยงพลงงานเสยงจากตนกาเนดเสยง เมอแผมาถงผฟงโดยอาศยการถายโอนพลงงานการสน จากตวกาเนดเสยงผานอากาศมายงหผฟงแตถาไมมอากาศเปนตวกลางรบถายโอนพลงงาน เราจะ ไมไดยนเสยงเลย แสดงวา เสยงจากแหลงกาเนดเสยงตองอาศยตวกลางในการถายโอนพลงงาน การสนของแหลงกาเนดเสยงนนไปยงทตาง ๆ

สนขจงจอกหคางคาว (Bat-eared fox) มหทมความไวตอเสยงเพยงเลกนอยได

10/12/55

11

คลนเสยงลกษณะการเคลอนทของโมเลกลอากาศจะอยในรปของคลนตามยาว

ลกษณะของคลนเสยง ประกอบดวย 2 สวนคอ สวนอด และสวนขยาย

อด ขยาย

http://www.mediacollege.com/audio/01/sound‐waves.html

http://thegeniusphysics.blogspot.com/p/3.html

การเคลอนทของเสยงผานตวกลางการเคลอนทของเสยงผานตวกลางหนงไปยงอกตวกลางหนง ความถจะมคาคงท โดยความเรวของคลนเสยงจะขนอยกบชนดของตวกลางและอณหภม

ตารางแสดงอตราเรวเสยงในตวกลางตางๆ ทอณหภมตางๆๆ ๆ

อตราเรวเสยงในอากาศทอณหภมใดๆ เปนไปตามความสมพนธ ดงน

v อตราเรวเสยงในอากาศทอณหภม t ใดๆ

t6.0331vt

vt อตราเรวเสยงในอากาศทอณหภม t ใดๆ (m/s)

t อณหภมของอากาศ (องศาเซลเซยส, oC)

10/12/55

12

ต.ย. คนงานซอมรางรถไฟเคาะรางรถไฟ ปรากฏวาผทอยหางออกไประยะหนง ไดยนเสยงเมอเวลาผานไป 2 วนาท ถาผฟงแนบหกบทางรถไฟ เขาจะไดยนเสยงกอนหรอหลงกวานเทาใด และเขายนหางจากคนงานรถไฟเปนระยะทางเทาใดกาหนดให อณหภมขณะนนเทากบ 15 oC และอตราเรวของเสยงในเหลก 5130 m/s

สมบตของเสยง

การสะทอนของเสยง เปนสมบตทสาคญขอเสยง เมอเสยงเคลอนทกระทบ ใ ไ สงกดขวางจะเกดการสะทอนกลบมา ทาใหไดยนเสยงอกครงหนง

ปกตเสยงทผานไปยงสมองจะตดประสาทหประมาณ 1/10 วนาท ดงนนเสยงทสะทอนกลบมาสหชากวาเสยงทตะโกนออกไปเกน 1/10 วนาท หจะสามารถแยกเสยงตะโกนและเสยงสะทอนกลบมาได เรยกวา “การหจะสามารถแยกเสยงตะโกนและเสยงสะทอนกลบมาได เรยกวา การเกด echo”

10/12/55

13

ต.ย. เรอลาหนงจอดอยในหมเกาะทมหนาผาสง เมอเปดหวดคนในเรอไดยนเสยงภายหลงเปดหวด 1 นาท ถามวาเรอหางจากหนาผากเมตร (ถาอตราเรวเสยงเทากบ 335 m/s)

สมบตของเสยง

การหกเหของเสยง เมอคลนเสยงเคลอนทจากตวกลางหนงไปยงอกตวกลางหนงจะเกดการหกเห เชนปรากฏการณการเหนฟาแลบแตไมไดยนเสยงฟา

รอง ทงนเนองจากชนบรรยากาศมอณหภมไมเทากน อตราเรวของเสยงในทสงๆ (อณหภมตา) จะมอตราเรวทนอยกวาบรเวณใกลผวโลก (อณหภมสง) ทาใหเกดการหกเหของเสยงฟารองขนไปในอากาศตอนบน ถาเสยงเกดการหกเหกลบขนไปหมด จงทาให เราเหนฟาแลบแตไมไดยนเสยงฟารองนนเอง

การเลยวเบนของเสยง เสยงอาจเกดการเลยวเบนหากตกกระทบชองหรอสงกดขวางบางสวน เชน การไดยนเสยงทมมตก

10/12/55

14

คลนนงเปนปรากฏการณแทรกสอดทเกดจากการซอนทบระหวางคลนสองขบวน

ซงเคลอนทสวนทางกางกน โดยคลนทงสอง ความถ ความยาวคลน และอมปลจดของคลนเทากน

การไดยน

กาลงเสยง (P) คอปรมาณพลงงานเสยงทสงออกมาจากแหลงกาเนดใน หนงหนวยเวลา หนวย จลตอวนาท (J/s) หรอ วตต (W)

การทคนเราไดยนเสยงดงหรอคอยขนกบการถายโอนพลงงานเสยงนนนเอง

ความเขมเสยง (I) คอ กาลงเสยงทแหลงกาเนดเสยงแผออกไปตอหนงหนวยพนทของหนาคลนทรงกลม

P

หของมนษยสามารถตอบสนองตอความเขมเสยงตาสดได 10-12 W/m2

หของมนษยสามารถทนตอความเขมเสยงสงสดได 1 W/m2

2R4

PI

หนวย W/m2

10/12/55

15

ต.ย. เครองยนตเครองหนงมกาลงเสยง 100 วตต ความเขมเสยงทระยะหาง 10 เมตรมคาเปนเทาใด

การไดยน

ระดบความเขมเสยง (L): การบอกความดงของเสยงนยมบอกในรปของระดบความเขมเสยง ในหนวย เดซเบล (dB)ระดบความเขมเสยง ในหนวย เดซเบล (dB)

ระดบความเขมเสยงคอยสดทมนษยสามารถไดยน คอ 0 dB

ระดบความเขมเสยงมากสดทมนษยสามารถทนฟงไดและเปนอนตราย คอ 120 dB

ความสมพนธระหวางความเขมเสยง (I) และระดบความเขมเสยง (L)

oI

Ilog10L

Io ความเขมเสยงตาสดทมนษยสามารถไดยน = 10-12 W/m2

10/12/55

16

ต.ย. เสยงทมความเขม 10-5 W/m2 จะมระดบความเขมเสยงเทาใด

ชวงความถของแหลงกาเนดและชวงความถเสยงทมนษย-สตวไดยน

10/12/55

17

ระดบเสยง

เสยงอาจจะแบงระดบเสยงตามความถ

เสยงทมความถนอย ---> เสยงทม

เสยงทมความถสง ---> เสยงแหลม

การแบงระดบเสยงดนตรทางวทยาศาสตร

คณภาพเสยง ลกษณะของคลนเสยงทแตกตางกนสาหรบแตละแหลงกาเนดทตางกนซงจะใหเสยงทมลกษณะเฉพาะตวทตางกน มความถมลฐานและฮารมอนกตาง ๆ ออกมาพรอมกนเสมอ แตจานวนฮารมอนกและความเขมเสยงจะแตกตางกนไป คณภาพพรอมกนเสมอ แตจานวนฮารมอนกและความเขมเสยงจะแตกตางกนไป คณภาพเสยง ชวยใหเราสามารถแยกประเภทของแหลงกาเนดเสยงได

10/12/55

18

มลภาวะของเสยง บรเวณใดทมระดบความเขมเสยงททาใหหและสภาวะจตใจของผฟงผดปกต ถอวาเสยงในบรเวณนนเปน “มลภาวะของเสยง”

กระทรวงมหาดไทยไดกาหนดมาตรฐานความเขมเสยงของสถานประกอบการไวดงน

หกบการไดยนห แบงออกเปน 3 สวน คอ หชนนอก หชนกลาง และหชนใน ดงรป

คลนเสยงเปนสงเรา เมอคลนเสยงผานเขาสชองห ไ สวนนอก (External auditory canal) ไปสห

สวนกลาง (middle ear) ซงมเยอแกวห (lympanic membrane) คลนเสยงทาใหอากาศสนสะเทอนสงผลใหเยอแกวหสน กระทบกบกระดกหรปคอน กระดกรปทงและกระดกรปโกลน ทาใหเกดการสนสะเทอนไปยงของเหลว Perilymph และของเหลว Endolymph ในหPerilymph และของเหลว Endolymph ในหสวนใน ซงคลนของเหลวนจะไปกระตนเซลลรบเสยงสงตอไปยงประสาทรบเสยง (auditorynerve) สงไปยงศนยกลางรบเสยงในสมอง ซงแปลความรสกเปนเสยงตางๆ

10/12/55

19

ปรากฏการณของเสยงปรากฏการณบตส (Beat)

• เปนปรากฏการณจากการแทรกสอดของคลนเสยง 2 ขบวนทมฏความถตางกนเลกนอยและเคลอนทอยในแนวเดยวกนเกดการรวมคลนเปนคลนเดยวกน ทาใหแอมพลจดเปลยนไป เปนผลทาใหเกดเสยงดงคอยสลบกนไปดวยความถคาหนง

• ความถของบตส หมายถงเสยงดงเสยงคอยทเกดขนสลบกนในหนง ช ส 10 หนวยเวลา เชน ความถของบตสเทากบ 10 รอบตอวนาท

หมายความวาใน 1 วนาทเสยงดง 10 ครงและเสยงคอย 10 ครง

ความถบตส (fB) = f = f1 – f2

ปรากฏการณบตส (Beat)

คลนขบวนท 1f1= 296 Hz

คลนขบวนท 2f1= 310 Hz

ผลรวมของคลน 2 ขบวน

ความถบตส (fB) = f = f1 – f2 = 296 – 310= 4 Hz

10/12/55

20

การกาทอน (Resonance)เปนปรากฏการณทมแรงไปกระทาใหวตถสนหรอแกวง โดยความถของแรงกระทา(ความถกระตน)ไปเทากบความถธรรมชาตของวตถ จะทาใหวตถ นนสนดวยแอมปลจดทมากทสด เรยกปรากฏการณนวา การสนพอง หรอ

การกาทอน (resonance)

วดโอคลป - สะพานทาโคมาแนโรว ในอเมรกา พงทลายลงเนองจากลมทพดมากระทบกบสะพาน มความถเทากบความถธรรมชาตของการสนของสะพาน จงทาใหสะพานแกวงแรงขน จนพงในทสด

http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/88/wave.html

ปรากฏการณดอปเพลอร (The Doppler Effect)เปนปรากฏการณทเกดจากการรบคลนของผฟงหรอผสงเกต อนเนองมาจากการเคลอนทสมพทธกนของแหลงกาเนดคลนหรอการ

เคลอนทของผฟง “ความเรวสมพทธระหวางผฟงกบแหลงกาเนดไมเทากบศนย”

ลกษณะของคลนเสยงเมอแหลงกาเนดหยดนง ลกษณะของคลนเสยงเมอแหลงกาเนดเคลอนท

10/12/55

21

ปรากฏการณดอปเพลอร (The Doppler Effect)

ความยาวคลนมากความถตา

ความยาวคลนนอยความถสง

คลนกระแทก (Shock wave)เกดขนเมอแหลงกาเนดคลนเคลอนทเรวกวาอตราเรวคลนในตวกลางนน

เชน คลนกระแทกของคลนทผวนาขณะทเรอกาลงวง

หรอคลนเสยงกเกดขนเมอเครองบนบนเรวกวาอตราเรวของเสยง ในอากาศ

โดยแนวหนาคลนทถกอดมลกษณะเปนรปตว V (V-shape)

เครองบน F-18 บนทะลกาแพงเสยง ( A Sonic Boom )

10/12/55

22

จบบทท 8 อยาลมหดทาแบบฝกหดนะคะ

ดร. พนดา หลอวงศตระกลDang_phy@hotmail.com