การสะท้อนของเสียง (Reflection)

           เมื่อคลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่านไปยังบริเวณรอยต่อของตัวกลาง หรือชนกับผิวสะท้อนจะมีคลื่นเสียงส่วนหนึ่งที่ย้อนกลับมาในตัวกลางเดิม โดยจะเป็นไปตามกฎการสะท้อน

         1) รังสีตกกระทบ , รังสีสะท้อน  และเส้นปกติต้องอยู่ในระนาบเดียวกัน

         2) มุมตกกระทบ  = มุมสะท้อน

          ในการสะท้อนของคลื่นเสียงที่เดินทางจาก ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อย คลื่นสะท้อนจะมีเฟสตรงกันกับคลื่นตกกระทบ แต่ถ้าหากเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นมาก คลื่นสะท้อนจะมีเฟสตรงข้ามกับคลื่นตกกระทบ

         ขนาดของวัตถุ มีผลกระทบต่อการสะท้อนเช่นกัน โดยวัตถุที่จะทำการสะท้อนได้ดี จะต้องมีขนาด มากกว่าหรือเท่ากับ ความยาวคลื่น ( d ≥ λ  )

 การเกิดเสียงก้อง

        การสะท้อนกลับไปกลับมาของเสียง จะทำให้ผู้ฟังได้ยินเสียงเดิมมากกว่า 1 ครั้ง และหูมนุษย์ปกติจะเริ่มรู้สึกได้ยินเสียงเดิมซ้ำ หากได้ยินเสียงแต่ละครั้งห่างกันตั้งแต่ 0.1 วินาทีขึ้นไป และการที่เรารู้สึกว่าได้ยินเสียงเดิมซ้ำกันตั้งแต่ 2 ครั้งขึ้นไปนี้ จะเรียกว่า เกิดเสียงสะท้อนกลับ หรือเกิดเสียงก้อง (echo)

การกระจัดและความดันของตัวกลาง

       เสียงเป็นคลื่นความดัน (Pressure Wave) จะต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ดังนั้นจึงสามารถเคลื่อนที่ผ่านอากาศ ของแข็งหรือของเหลว แต่ไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านสุญญากาศได้

       คลื่นเสียงเป็นคลื่นตามยาวเกิดจากการสั่นของวัตถุ ความถี่ของเสียงจะมีค่าเท่ากับความถี่ของแหล่งกำเนิด และในขณะที่มี การสั่น โมเลกุลของตัวกลางจะมีการถ่ายทอดพลังงานทำให้เกิดความดันอากาศที่เปลี่ยนแปลงไปตามตำแหน่ง ทำให้เกิดเป็นช่วงอัด และ ช่วงขยาย

      โดยที่ช่วงอัดคือบริเวณที่อนุภาคของตัวกลางอัดเข้าหากัน บริเวณนี้มีจะมีความดันสูงสุดโดยเทียบกับความดันที่ตำแหน่ง สมดุลของอนุภาค โดยการกระจัดของอนุภาคน้อยที่สุด ส่วนช่วงขยายคือบริเวณที่อนุภาคตัวกลางแยกห่างจากกัน บริเวณนี้มีความดัน ต่ำสุดโดยเทียบกับความดันที่ตำแหน่งสมดุลของอนุภาค การกระจัดของอนุภาคมากที่สุด

       ตามรูปด้านบน จะสังเกตได้ว่ากราฟทั้ง 2 จะมีเฟสต่างกัน 90° โดยมีสิ่งที่น่าสนใจ 2 ประการคือ

  1.   ณ ตำแหน่งความดันสูง ( P_max ) และตำแหน่งความต่ำสุด ( P_min ) จะมี การกระจัด เท่ากับ 0

  2.   ถ้าโมเลกุลเปลี่ยนตำแหน่งไปทางขวา การกระจักจะมีค่าเป็นบวก และถ้าเปลี่ยนตำแหน่งไปทางซ้าย การกระจัดจะติดลบ

อัตราเร็วเสียงในตัวกลาง

          เนื่องจากเสียงเป็นคลื่นตามยาว อัตราเร็ว(v)ของเสียงจะขึ้นกับระยะห่างระหว่างโมเลกุลของตัวกลางและความสามารถในการเคลื่อนที่ของตัวกลาง ดังนั้น ในสสารทั้ง 3 สถานะ อัตราเร็วของเสียงในตัวกลางที่เป็นของแข็งจะมีมากกว่าในของเหลว  และแก๊สตามลำดับ

V_{ของแข็ง}   > V_{ของเหลว}   > V_แก๊ส

         ความหนาแน่น ของตัวกลางมีส่วนเกี่ยวข้องกับอัตราเร็วเสียง โดยวัตถุที่มีความหนาแน่นมาก อัตราเร็วของเสียงก็จะมาก วัตถุที่มีความหนาแน่นน้อย อัตราเร็วเสียงก็จะน้อยลง

        อุณหภูมิ ในขณะที่วัตถุอุณหภูมิสูงขึ้น อนุภาคจะมีพลังงานเยอะ ทำให้เสียงที่ผ่านมีอัตราเร็วมากขึ้นด้วย

วัตถุ	อัตราเร็วของเสียง (เมตร/วินาที)
อากาศที่ 0 °C	331.36
ไฮโดรเจนที่ 0 °C	1286.00
น้ำที่ 25 °C	1498.00
น้ำทะเลที่ 25 °C	1531.00
แก้วที่ 25 °C	4540.00
เหล็กที่ 25 °C	5200.00

หมายเหตุ

เนื่องจากเสียงเป็นคลื่น ดังนั้น ยังคงมีคุณสมบัติเหมือนกับคลื่นทั่วๆไป คือ

1. ความถี่ของคลื่นเสียง ( f ) ขึ้นอยู่กับ “แหล่งกำเนิด”

2. อัตราเร็วของคลื่นเสียง ( v ) ขึ้นอยู่กับ “ตัวกลาง”

3. ความยาวคลื่น (λ)ขึ้นอยู่กับความถี่ และความเร็ว ตามสมการ

V = f λ

                                           

อัตราเร็วเสียง ในอากาศ

    อัตราเร็วเสียงในอากาศขึ้นอยู่กับโมเลกุลของอากาศที่เป็นตัวกลาง ถ้าโมเลกุลของอากาศมีพลังงานมากขึ้น การถ่ายเทพลังงานก็ยิ่งเร็วขึ้น โดยสาเหตุที่ทำให้โมเลกุลของอากาศมีพลลังงานมากขึ้น ก็คือ อุณหภูมิ นั้นเอง โดย“ อัตราเร็วเสียงในอากาศจะแปรผันตรงกับรากที่สองของอุณหภูมิสัมบูรณ์ ”

             V α √T           โดยที่       V = ความเร็วเสียงในอากาศ

                                                          T = อุณหภูมิเคลวิน (K)

               
             V  =k√T        

จะได้    V1  =k√T1     และ V2  =k√T2   

ดังนั้น    V1/V2  =  (√T 1 )/(√T 2)

        

ต่อมานักสิทยาศาสตร์ทดลองจนได้ความเร็วเสียงอากาศที่อุณหภูมิ 0 °C 

ได้ออกมา  มีค่าประมาณ 331 เมตร/วินาที

	V0 °C     =  331

 

                                         

   แทนลงในสมการ      V1/V2    =  (√T 1 )/(√T 2)

จะได้        V/331     =   √T/273

               

 V =  20 √T          แทน  T  =  273 + t

                        T  = เคลวิน (K)

V =  331 + 0.6t

 t   = องศาเซลเซียส (°C  )

โจทย์  คลื่นเสียง (sound wave)

1.  เรือประมงลำหนึ่งส่งสัญญาณโซนาร์ด้วยความถี่ 10 กิโลเฮิรตซ์ลงในน้ำทะเลเพื่อสำรวจฝูงปลา  เรือประมงลำนี้สามารถสำรวจฝูงปลาที่มีขนาดของตัวปลาเท่าใด (กำหนดให้ความเร็วเสียงในน้ำทะเล  = 1,530 เมตรต่อวินาที)




2.  ความเร็วของเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียส จะช้าหรือเร็วกว่าความเร็วเสียงที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียสอยู่เท่าใด  (กำหนดให้ความเร็วเสียงที่ 0 องศาเซลเซียสเป็น 331 เมตรต่อวินาที)





3.  ในการหาความสูงของหน้าผาแห่งหนึ่งโดยปล่อยก้อนหินลงไปกระทบพื้นล่าง  จับเวลาจากการเริ่มปล่อยก้อนหินจนกระทั่งได้ยินเสียงหินกระทบพื้นเป็นเวลา 4 วินาที  จงหาความสูงของหน้าผานี้เมื่ออุณหภูมิขณะนั้นเป็น 30 องศาเซลเซียส




4. คนงานซ่อมรางรถไฟซึ่งกำลังซ่อมอยู่ ณ ที่แห่งหนึ่ง ผู้ฟังจะได้ยินเสียงเคาะราง 2 ครั้ง  เวลาต่างกัน 3 วินาที  ถ้าอัตราเร็วเสียงในอากาศเท่ากับ 331 เมตรต่อวินาที  ในเหล็กเท่ากับ 5,103 เมตรต่อวินาที  จงหาว่าคนงานที่ซ่อมทางอยู่ห่างจากผู้ฟังประมาณเท่าใด




5. ท่อประปาทำด้วยโลหะมีความหนาและขนาดสม่ำเสมอยาวมาก ภายในท่อมีน้ำอยู่เต็ม ช่างประปาคนหนึ่งเคาะท่อด้วยคีมเหล็กอย่างแรง 2 ครั้ง ในช่วงเวลาห่างกัน 0.6 วินาที  ถ้าคลื่นเสียงที่เกิดขึ้นจะเดินทางในโลหะด้วยความเร็ว 4,000  เมตรต่อวินาที  และในน้ำ 1,400 เมตรต่อวินาที  จงหาตำแหน่งบนท่อน้ำที่จะเกิดเสียงดังมากกว่าปกติโดยวัดจากจุดเคาะ

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.