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.