คลื่นเสียง คือ คลื่นกลตามยาวที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ หรือ “แหล่งกำเนิดเสียง” ซึ่งต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ คลื่นเสียงมีองค์ประกอบที่สำคัญ 4 ประการ คือ
- แหล่งกำเนิดเสียง (Source) คือ แหล่งที่ทำให้เกิดคลื่น
- ความยาวคลื่น (Wavelength) คือ ระยะห่างระหว่างจุดยอดคลื่นที่อยู่ติดกัน
- ความถี่ (Frequency) คือ จำนวนคลื่นที่ผ่านจุดใดจุดหนึ่งในช่วงเวลาหนึ่ง
- ความเร็วคลื่น (Wave speed) คือ ความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่น
คลื่นเสียงสามารถเคลื่อนที่ในอากาศ น้ำ โลหะ และตัวกลางอื่นๆ ได้ โดยความเร็วคลื่นเสียงในอากาศจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของอากาศ โดยทั่วไป ความเร็วคลื่นเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส มีค่าประมาณ 340 เมตรต่อวินาที
สมบัติของคลื่นเสียง
คลื่นเสียงมีสมบัติสำคัญ 4 ประการ คือ
การสะท้อน (Reflection) คือ ปรากฏการณ์ที่คลื่นเสียงสะท้อนกลับเมื่อกระทบกับผิวเรียบ เช่น เมื่อเราพูดกระซิบที่ผนัง เสียงของเราก็จะสะท้อนกลับเข้ามาหาเรา
การหักเห (Refraction) คือ ปรากฏการณ์ที่คลื่นเสียงเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่เมื่อผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง เช่น เมื่อเราเป่าขลุ่ยในอากาศ เสียงของขลุ่ยจะหักเหเมื่อผ่านจากอากาศเข้าไปในน้ำ
การแทรกสอด (Interference) คือ ปรากฏการณ์ที่คลื่นเสียงมาซ้อนทับกันทำให้เกิดผลลัพธ์ที่แตกต่างกัน เช่น เมื่อเราเป่าขลุ่ยสองอันพร้อมกัน เสียงของขลุ่ยทั้งสองอันอาจเสริมกันหรือหักล้างกัน
การเลี้ยวเบน (Diffraction) คือ ปรากฏการณ์ที่คลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่านช่องแคบหรือขอบแหลม แล้วเกิดการกระจายไปรอบๆ ช่องแคบหรือขอบแหลม เช่น เมื่อเราพูดกระซิบใกล้ๆ ลำโพง เสียงของเราก็จะเกิดการเลี้ยวเบนไปรอบๆ ลำโพง
ความดังของเสียง
ความดังของเสียง (Loudness) คือ ความรู้สึกที่รับรู้ถึงความดังของเสียง หน่วยวัดความดังของเสียงคือ เดซิเบล (dB) ความดังของเสียงที่มนุษย์สามารถได้ยินได้อยู่ในช่วง 0-120 dB โดยเสียงที่มีความดัง 0 dB นั้นคือเสียงที่แทบไม่ได้ยิน ส่วนเสียงที่มีความดัง 120 dB นั้นคือเสียงที่ดังมากจนอาจทำให้หูหนวกได้
ระดับความเข้มเสียง (Sound level) คือ ปริมาณทางกายภาพที่วัดความดังของเสียง หน่วยวัดระดับความเข้มเสียงคือ เดซิเบล (dB) ระดับความเข้มเสียงของเสียงที่มนุษย์สามารถได้ยินได้อยู่ในช่วง 0-120 dB โดยเสียงที่มีความดัง 0 dB นั้นคือเสียงที่มีความเข้ม 10-12 วัตต์ต่อเมตรกำลังสอง ส่วนเสียงที่มีความดัง 120 dB นั้นคือเสียงที่มีความเข้ม 1 วัตต์ต่อเมตรกำลังสอง
การได้ยินเสียง
การได้ยินเสียงเป็นกระบวนการที่อาศัยหูในการรับเสียง หูของมนุษย์มี 3 ส่วนหลักๆ คือ
- หูชั้นนอก ทำหน้าที่รับเสียงและส่งเสียงไปยังหูชั้นกลาง
- หูชั้นกลาง ทำหน้าที่ขยายแรงของเสียงและส่งเสียงไปยังหูชั้นใน
- หูชั้นใน ทำหน้าที่แปลงเสียงเป็นสัญญาณประสาทส่งไปยังสมอง
เมื่อเราได้ยินเสียง เสียงจะเดินทางผ่านอากาศหรือตัวกลางอื่นๆ มากระทบกับหูชั้นนอก หูชั้นนอกจะรับเสียงและส่งเสียงไปยังหูชั้นกลาง กระดูกหูในหูชั้นกลางจะขยายแรงของเสียงและส่งเสียงไปยังหูชั้นใน เยื่อแก้วหูในหูชั้นในจะสั่นสะเทือนไปตามเสียง แรงสั่นสะเทือนนี้จะถูกแปลงเป็นสัญญาณประสาทโดยเซลล์ประสาทในหูชั้นใน และส่งไปยังสมอง สมองจะแปลสัญญาณประสาทนี้ให้เป็นเสียงที่เราได้ยิน
ประโยชน์ของคลื่นเสียง
คลื่นเสียงมีประโยชน์มากมายในชีวิตประจำวันของเรา เช่น
- ใช้ในการสื่อสาร เช่น เสียงพูด เสียงดนตรี เสียงโทรศัพท์
- ใช้ในการบันทึกเสียง เช่น เทปบันทึกเสียง ซีดี เพลง
- ใช้ในการทางการแพทย์ เช่น การอัลตราซาวนด์ การถ่ายภาพด้วยเสียง
- ใช้ในการบันเทิง เช่น ดนตรี ภาพยนตร์
ความรู้เกี่ยวกับคลื่นเสียงมีความสำคัญต่อการศึกษาและชีวิตประจำวันของเรา เราสามารถใช้ความรู้เกี่ยวกับคลื่นเสียงเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นรอบตัวเรา และเพื่อประยุกต์ใช้คลื่นเสียงให้เกิดประโยชน์