ระดับเสียง (Pitch)
การได้ยินของคนเรา นอกจากจะขึ้นอยู่ กับความเข้ม และระดับความเข้มเสียง แล้วยังขึน้ อยู่กับความถี่เสียง ความถีเ่ สียงตำ่าสุดที่คนปกติได้ยินได้ คือ 20 Hz และ ความถี่เสียงสูงสุดที่ทน รับฟังได้ คือ 20000 Hz
เสียงทีม่ ีความถีต่ ำ่ากว่า 20 Hz เรียกว่า คลื่นใต้เสียง( Infrasound ) ซึ่งหูคนปกติ ไม่ได้ยินมีความถีร่ ะหว่าง 0.1 - 20 Hz เกิดจากการสั่นของแหล่งกำาเนิดขนาด ใหญ่ เช่น การสั่นสะเทือนของแผ่นดิน เนื่องจากแผ่นดินไหว การจราจรบนท้อง ถนน เป็นต้น
เสียงทีม่ ีความถีส่ ูงกว่า 20000 Hz เรียกว่า คลื่นเหนือเสียง( Ultrasound ) ในปัจจุบันนี้สามารถผลิตให้มีความถี่ ได้สูงถึง 6x108 Hz โดยการทำาให้ผลึก ของควอตซ์สั่น ซึ่งมีความยาวคลื่นใกล้ เคียงกับความยาวคลื่นของเสียง
สัตว์จะได้ยินเสียงมีช่วงความถีต่ ่างไป จากคน เช่น แมวสามารถรับฟังเสียงได้ ในช่วงกว้าง 60 - 65000 Hz แต่เปล่ง เสียงได้ในช่วงความถี่ 760 - 1500 Hz ซึ่งมนุษย์เปล่งเสียงได้ในช่วงความถี่ 85 ถึง 1100 Hz เท่านั้น
ระดับเสียงสูงหรือตำ่าขึ้นกับความถี่ เสียง เสียงที่มีระดับเสียงตำ่าเป็นเสียงทีม่ ี ความถีน่ ้อยเรียกว่า เสียงทุม้ เสียงที่มีระดับเสียงสูงเป็นเสียงที่มี ความถีม่ าก เรียกว่า เสียงแหลม
ในการจัดแบ่งระดับเสียงอาจจะแบ่งเป็น ระดับเสียงดนตรีทางวิทยาศาสตร์ ใช้เสียง ที่มีความถี่ 256 Hz เป็นมาตรฐาน เรียกว่า เสียง C กลาง(โด กลาง) แต่ทางดนตรีใช้ เสียงลา(A) ความถี่ 440 Hz เป็นมาตรฐาน ระดับเสียงดนตรี ได้แก่ โด(C) เร(D) มี(E) ฟา(F) ซอล(G) ลา(A) ที(B)
ระดับเสียงดนตรีทางวิทยาศาสตร์
C D E F G A B (โด) (เร) (มี) (ฟา) (ซอล) (ลา) (ที)
256 288 320 341 384 427 480
C
ระดับเสียงดนตรีทางวิทยาศาสตร์ D
(โด) (เร)
E
(มี)
F
G
A
B
(ฟา) (ซอล) (ลา) (ที)
261.6 293.7 329.2 349.2 392.0 440.0 493.9
เสียงคู่แปด (Octave) ของเสียงระดับใดๆ หมายถึงเสียงที่ 8 ของเสียงนั้น เช่น เสียง C เป็นเสียงคูแ่ ปดของ C โดยเสียง C จะมีความถี่เป็น 2 เท่า C เสียงสองช่วงคู่แปด คือ เสียงที่ 8 สองช่วง ของเสียงใดๆ เช่น C เป็นสองช่วงเสียง คู่ 8 ของ C และมีความถี่เป็น 4 เท่าของ C
คุณภาพเสียง ความถีต่ ำ่าสุดจากแหล่งกำาเนิดเสียงใดๆ เรียกว่า ความถีม่ ูลฐาน ( Fundamental ) หรือ ฮาร์มอนิกที่ 1 ( First Harmonic ) เสียงที่มีความถีเ่ ป็นจำานวนเต็มเท่าของ เสียงความถี่มูลฐาน เช่น 2 เท่า เรียกว่า ฮาร์มอนิกที่ 2 หรือ Overtone ที่ 1
แหล่งกำาเนิดเสียงจะให้เสียงทีม่ ีความ ถีม่ ูลฐาน และ ฮาร์มอนิกต่างๆ ออกมา พร้อมกัน แต่มีจำานวนฮาร์มอนิก และ ความเข้มเสียงของแต่ละฮาร์มอนิกแตก ต่างกัน จึงทำาให้แหล่งกำาเนิดเสียงแต่ละ แหล่งมีลักษณะเฉพาะตัว เรียกว่ามี คุณ ภาพเสียงต่างกัน
หูกับการได้ยิน
การได้ยิน เกิดจากการถ่ายโอนพลังงาน การสั่นของแหล่งกำาเนิดเสียง ผ่านอากาศ มายังแก้วหู การรับรู้เสียงของคนจะรับได้ ดีหรือไม่ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ คือ -ความถีเ่ สียง โดยหูของคนเราไวต่อการ รับรู้เสียงที่มี ความถี่สูงมากกว่า เสียงที่มี ความถี่ตำ่า เมื่อมีระดับความเข้มเท่ากัน
-อายุของคน โดยเด็กมีความรู้สึกไวต่อ ช่วงความถี่สูงมากกว่าผู้ใหญ่ และความไว การได้ยินเสียงจะลดลงเมื่อมีอายุมากขึ้น -การรับฟังเสียงดังมากเกินไปเป็นเวลา นาน -การใช้ยาบางประเภท เช่น สเตปโตรมัยซิน -การกระเทือนต่อหูจากอุบัติเหตุ
ใบหู
ส่วนประกอบของหู เยื่อแก้วหู กระดูกโกลน
รูหู กระดูกค้อน กระดูกทัง่ คอเคลีย
ส่วนประกอบของหู
หูแบ่งออกเป็น 3 ส่วน ได้แก่ 1. หูชนั้ นอก ประกอบด้วย ใบหูและรูหูอยู่ ลึกถึงกระโหลกศีรษะและไปสิ้นสุดที่แก้วหู 2. หูชนั้ กลาง เริ่มจาก เยื่อแก้วหู ซึ่งเป็น เนื้อเยื่อบางๆ ปิดช่องหู ถัดไปมีลักษณะ เป็นโพรงมีกระดูกอยู่ 3 ชิ้น อยู่เรียงชิดกัน
กระดูกทั้ง 3 ชิ้น เรียงตามลำาดับกัน คือ - กระดูกค้อน - กระดูกทั่ง - กระดูกโกลน โดยมีช่องเล็กๆติดต่อกับหลอดลม เพื่อ ปรับความดันอากาศทั้งสองด้านของแก้วหู ให้เท่ากัน
3. หูส่วนใน มี คลอเคลีย เป็นท่อกลวงขด รูปคล้ายหอยโข่ง ภายในมีเซลล์ขนจำานวน มากทำาหน้าที่รับรู้การสัน่ ของคลื่นเสียง แล้ว ส่งสัญญาณผ่านโสตประสาทไปยังสมอง ซึ่ง ทำาหน้าที่ แปลสัญญานให้รับรู้เกี่ยวกับเสียง ขอบเขตการได้ยินของหูคนเราขึ้นอยู่กับ ระดับความเข้มเสียง และความถีข่ องเสียง
ระดับเริ่มต้นการได้ยิน เรียกว่า ขีดเริ่มของ การได้ยิน ระดับสูงสุดที่ทนฟังได้ เรียกว่า ขีดเริ่มของ ความเจ็บปวด ความถี่ตำ่าๆ เช่น 20-30 Hz เราจะได้ยิน เสียง เมื่อมีระดับความเข้มเสียง 60-70 dB เสียงความถีป่ านกลาง เช่น 1000 Hz จะได้ ยินเสียง เมื่อมีระดับความเข้มเพียง 10 dB
ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ ( Doppler effect ) ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ เป็นปรากฏการณ์ ที่ผู้ฟังได้ยินเสียงจากแหล่งกำาเนิดเปลี่ยนไป จากเดิม เนื่องจากการเคลื่อนที่ของแหล่งกำา เนิดเสียงหรือผู้ฟังหรือทั้งสองมีการเคลื่อนที่ อาจจะมีความถี่สูงขึ้นหรือลดลงแล้วแต่กรณี
หน้าคลื่น Oข
S
O
แหล่งกำาเนิดเสียง S อยู่นิ่ง และส่งเสียงออก มายังผู้ฟังด้านหน้า O และด้านหลัง Oข
ผู้ฟังทีอ่ ยู่ดา้ นหน้าและด้านหลังจะได้ยิน เสียงมีความถี่เท่ากัน เพราะความยาว คลื่นที่ออกไปทุกด้านมีค่าเท่ากัน และ ความเร็วเสียงเท่ากันด้วย ดังนั้นความถี่ เสียงจึงเท่ากันด้วย เมื่อแหล่งกำาเนิดคลื่นเคลื่อนที่พร้อม ทัง้ เปล่งเสียงออกมาด้วยความถีค่ ่าหนึ่ง
แหล่งกำาเนิด S เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว VS ผู้ฟังจะได้ยินเสียงที่มีความถี่เปลี่ยนไป หน้าคลื่น Oข
S
VS
O
จะเห็นว่า ความยาวคลื่นทางด้านหน้า ของแหล่งกำาเนิดเสียงจะถูกอัดให้ลดลง แต่ด้านหลังยาวกว่าปกติ จึงทำาให้ผู้ฟัง ทีอ่ ยู่ด้านหน้าได้ยินเสียงมีความถีส่ ูงขึ้น กว่าปกติ และ ด้านหลังได้ยินเสียงทีม่ ี ความถีต่ ำ่ากว่าปกติ
ให้ v เป็นอัตราเร็วของเสียง fs เป็น ความถี่เสียงของแหล่งกำาเนิด
vs เป็น อัตราเร็วของแหล่งกำาเนิดเสียง fo เป็น ความถี่เสียงที่ผู้ฟังได้ยิน ในกรณีที่แหล่งกำาเนิดเสียงอยู่นิ่ง ความถี่
fo = fs เพราะความยาวคลื่นเสียงไม่เปลี่ยนแปลง
เมื่อแหล่งกำาเนิดเสียงเคลื่อนที่ ความยาว คลื่นเปลี่นแปลงไปจากปกติ โดยมีค่าเท่า กับ ความเร็วสัมพัทธ์ของเสียงเทียบกับ แหล่งกำาเนิด ต่อ ความถี่เสียงของแหล่ง กำาเนิดเสียง เวคเตอร์สมั พัทธ์ เป็นการรวมเวคเตอร์ โดยกลับทิศทางของเวคเตอร์อ้างอิง
ความยาวคลื่นด้านหน้า V
VS -VS
ด้านหน้า
ความเร็วของแหล่งกำาเนิดเสียงเป็น เวคเตอร์อ้างอิง เมื่อกลับทิศทางจะ มีทศิ ทางตรงข้ามกับความเร็วเสียง
ดังนั้น ความเร็วสัมพัทธ์ = V - VS จะได้ ความยาวเคลื่อนด้านหน้าของ แหล่งกำาเนิดเสียง (λ น) เป็น (λ น) =
V - VS
fs
จะเห็นว่ามีความยาวคลื่นน้อยกว่าปกติ
หาความถีเ่ สียงที่ผฟ ู้ ังด้านหน้าได้ยิน (fo) จะได้ V fo =
∴ fo =
น
V fs V - VS
หาความถีเ่ สียงทีผ่ ู้ฟังอยู่ด้านหลัง ของแหล่งกำาเนิดเสียง V ด้านหลัง
VS -VS
เมื่อกลับทิศทางความเร็วของแหล่งกำาเนิด เสียงจะมีทิศเดียวกับความเร็วเสียง
โจทย์ รถยนต์คันหนึ่งแล่นด้วยอัตราเร็ว 90 กิโลเมตรต่อชั่วโมง เมื่อเปิดแตร ด้วยความถีเ่ สียง 300 เฮิรตซ์ จง คำานวณหา (อัตราเร็วเสียงในอากาศ เท่ากับ 340 เมตร/วินาที)
ก. ระยะทางที่รถวิ่งไปได้ใน 1 คาบของ เสียง ข. ความยาวคลื่นเสียงทางด้านหน้าและ ด้านหลังของรถ ค. ความถีเ่ สียงทีผ่ ู้ฟังทีอ่ ยู่ดา้ นหน้าและ ด้านหลังได้ยิน