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 !!

สนใจหัวข้อไหน ... กดอ่านเลย

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 $v=f\lambda$
เมื่อ $v$ คือ อัตราเร็วเสียง มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที $\left ( m/s\right )$

$s$ คือ ระยะทางที่เสียงเคล่ือนที่ได้ มีหน่วยเป็น เมตร $\left ( m\right )$

$t$ คือ เวลา มีหน่วยเป็น วินาที $\left (s\right )$

$f$ คือ ความถี่เสียง มีหน่วยเป็น เฮิรตซ์ $\left (Hz\right )$

$\lambda$ คือ ความยาวคล่ืน มีหน่วยเป็น เมตร $\left ( m\right )$

ในการเดินทางของคล่ืนเสียง อัตราเร็วของเสียงไม่ได้มีค่าคงที่เสมอไป แต่แปรผันตามปัจจัยสำคัญสองประการ คือ คุณสมบัติของตัวกลางและอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม

ในกรณีที่เสียงเคล่ือนที่ผ่านอากาศ อัตราเร็วเสียงขึ้นกับอุณหภูมิของอากาศ ตามความสัมพันธ์

v\propto \sqrt{T_{k}}

เมื่อ

T_{k}

คือ อุณหภูมิของอากาศในหน่วยเคลวิน

\left (  K\right )

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

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

2. หาตำแหน่งที่เกิดฟ้าแลบ

$s=vt=346\times 5=1,730$ 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

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

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 $\left (m\right )$

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

$\beta =10log\frac{I}{I_{0}}$

โดย $\beta$ คือ ระดับเสียง มีหน่วยเป็น เดซิเบล $(dB)$

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

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

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

วิธีทำ:

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

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

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 $f_{n}=n\frac{v}{4L}$

$f_{n}=n\frac{v}{4L}$

$f_{1}=85Hz$

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

$f_{b}=\left | 440-442\right |$

$f_{b}=2Hz$

ตอบ จะได้ยินเสียงดัง – เบา $2$ ครั้งต่อวินาที

เรื่องนี้มีประโยชน์มาก ๆ เลยเพราะช่างดนตรีใช้การฟังบีตเพื่อตั้งเสียงเครื่องดนตรีให้ตรงมาตรฐาน

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (Doppler Effect) เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อแหล่งกำเนิดคล่ืนมีการเคล่ือนที่สัมพัทธ์กับผู้สังเกต ทำให้ความถี่ของคล่ืนที่ผู้สังเกตได้รับแตกต่างจากความถี่ของคล่ืนที่แหล่งกำเนิดปล่อยออกมา

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

ตัวอย่างของปรากฏการณ์นี้สามารถพบได้ในชีวิตประจำวัน เช่น เสียงไซเรนรถตำรวจหรือรถพยาบาลที่มีเสียงสูงเมื่อเข้ามาใกล้ และเสียงต่ำเมื่อวิ่งออกไป

ติว A-Level ฟิสิกส์ กับ SmartMathPro

พี่ขอแนะนำตัวช่วยอย่าง คอร์สเตรียมสอบมหาลัยฯ ของ SmartMathPro เลยย มีให้เลือกมากมายทั้งสนาม TGAT / TPAT หรือ A-Level และสอนโดยติวเตอร์ที่มีความเชี่ยวชาญในแต่ละวิชาด้วยไม่ว่าจะเป็น พี่ปั้น, อ.ขลุ่ย, พี่หมออู๋,
ครูกอล์ฟ, พี่ลัคกี้, พี่เกม GAT ENG COOL COOL, พี่ฟาร์ม

โดยในแต่ละคอร์สจะสอนปูพื้นฐานแบบละเอียด อิงตาม Test Blueprint ปีล่าสุด (ใครที่พื้นฐานไม่แน่นก็สามารถเรียนได้) พร้อมพาตะลุยโจทย์แบบไต่ระดับ ตั้งแต่โจทย์ซ้อมมือไปจนถึงข้อสอบเก่าหรือโจทย์ที่ใกล้เคียงกับข้อสอบจริง แถมยังแจกเทคนิคในการทำข้อสอบที่จะช่วยให้น้อง ๆ ทำข้อสอบได้เร็วขึ้นและช่วยเพิ่มโอกาสในการอัปคะแนนให้อีกด้วย สำหรับน้อง ๆ คนไหนที่สมัครตอนนี้ รับฟรี Unseen Mock Test ชุดพิเศษ และสิทธิพิเศษต่าง ๆ ประจำเดือน ถ้าใครสนใจ คลิก เข้ามาดูรายละเอียดแต่ละคอร์สได้เลยยย

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

เฉลยตัวอย่างข้อสอบ-เสียง-A-Level-ฟิสิกส์-1

$L=\frac{n\lambda }{4},n=1,3,5,…$

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

$0.445-0.105=\frac{\lambda }{2}$

$\lambda =0.68m$

ความถี่ของส้อมเสียง

$f=\frac{v}{\lambda }$

$f=\frac{340}{0.68}$

$f=500Hz$

เฉลยตัวอย่างแนวข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ (เสียง) ข้อที่ 2

ตอบ 5.6

ความเข้มเสียงที่ระยะใหม่ เมื่อระยะทางลดลงครึ่งหนึ่ง

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

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

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

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

การเปล่ียนแปลงระดับเสียง

$\Delta \beta =10log\frac{I_{2}}{I_{1}}$

$\Delta \beta =10log4$

$\Delta \beta =10\times 0.6$

$\Delta \beta =6dB$

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

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

ส้อมเสียง C ความถี่ 440 เฮิรตซ์

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

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