เสียง: ประวัติลักษณะวิธีการผลิตประเภท - กายภาพ

เสียงถูกกำหนดให้เป็นความยุ่งเหยิงที่จะขยายพันธุ์ในระดับปานกลางเช่นอากาศที่สลับมันผลิตการกดและการขยายในนั้น การเปลี่ยนแปลงของความกดอากาศและความหนาแน่นเหล่านี้ไปถึงหูและสมองตีความว่าเป็นความรู้สึกทางหู

เสียงได้มาพร้อมกับชีวิตตั้งแต่เริ่มก่อตั้งโดยเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องมือที่สัตว์ต้องสื่อสารกันและกับสิ่งแวดล้อมของพวกมัน บางคนอ้างว่าพืชฟังได้เช่นกัน แต่ไม่ว่าในกรณีใดพวกมันสามารถรับรู้การสั่นสะเทือนของสิ่งแวดล้อมได้แม้ว่าพวกมันจะไม่มีอุปกรณ์รับฟังเหมือนสัตว์ชั้นสูงก็ตาม

รูปที่ 1. การแตกของกำแพงเสียง

นอกเหนือจากการใช้เสียงเพื่อสื่อสารผ่านเสียงพูดแล้วผู้คนยังใช้เป็นการแสดงออกทางศิลปะผ่านดนตรีอีกด้วย วัฒนธรรมทั้งหมดทั้งโบราณและล่าสุดมีการแสดงออกทางดนตรีทุกประเภทโดยพวกเขาบอกเล่าเรื่องราวประเพณีความเชื่อทางศาสนาและความรู้สึกของพวกเขา

ประวัติศาสตร์

เนื่องจากความสำคัญมนุษยชาติจึงสนใจศึกษาธรรมชาติของมันและสร้างเสียงซึ่งเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่อุทิศให้กับคุณสมบัติและพฤติกรรมของคลื่นเสียง

เป็นที่ทราบกันดีว่า Pythagoras นักคณิตศาสตร์ชื่อดัง (569-475 ปีก่อนคริสตกาล) ใช้เวลานานในการศึกษาความแตกต่างของความสูง (ความถี่) ระหว่างเสียง ในทางกลับกันอริสโตเติลผู้ซึ่งคาดเดาทุกแง่มุมของธรรมชาติได้ยืนยันอย่างถูกต้องว่าเสียงประกอบด้วยการขยายและการบีบอัดในอากาศ

ต่อมาวิทรูเวียสวิศวกรชื่อดังชาวโรมัน (80-15 ปีก่อนคริสตกาล) ได้เขียนบทความเกี่ยวกับเสียงและการประยุกต์ใช้ในการสร้างโรงภาพยนตร์ ไอแซกนิวตันเอง (1642-1727) ศึกษาการแพร่กระจายของเสียงในสื่อทึบและกำหนดสูตรสำหรับความเร็วในการแพร่กระจาย

เมื่อเวลาผ่านไปเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ในการคำนวณทำให้สามารถแสดงความซับซ้อนทั้งหมดของพฤติกรรมของคลื่นได้อย่างเพียงพอ

ลักษณะเสียง (คุณสมบัติ)

ในรูปแบบที่ง่ายที่สุดคลื่นเสียงสามารถอธิบายได้ว่าเป็นคลื่นรูปซายน์ซึ่งแพร่กระจายในเวลาและอวกาศเช่นเดียวกับที่แสดงในรูปที่ 2 สังเกตได้ว่าคลื่นนั้นมีลักษณะเป็นระยะนั่นคือมี วิธีที่เกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่า

เป็นคลื่นตามยาวทิศทางของการแพร่กระจายและทิศทางที่อนุภาคของตัวกลางสั่นเคลื่อนที่เหมือนกัน

พารามิเตอร์คลื่นเสียง

รูปที่ 2 เสียงเป็นคลื่นตามยาวการรบกวนแพร่กระจายไปในทิศทางเดียวกับที่โมเลกุลสัมผัสกับการกระจัดของพวกมัน ที่มา: Wikimedia Commons

พารามิเตอร์ของคลื่นเสียงคือ:

ช่วงเวลา T:คือเวลาที่ใช้ในการทำซ้ำเฟสของคลื่น ในระบบสากลจะวัดเป็นวินาที

วัฏจักร : เป็นส่วนหนึ่งของคลื่นที่มีอยู่ภายในช่วงเวลาและครอบคลุมจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งที่มีความสูงเท่ากันและความลาดชันเดียวกัน อาจเป็นจากหุบเขาหนึ่งไปอีกหุบเขาหนึ่งจากสันเขาหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งหรือจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งที่ตรงตามข้อกำหนดที่อธิบายไว้

ความยาวคลื่นλ : เป็นระยะห่างระหว่างยอดคลื่นหนึ่งกับอีกคลื่นระหว่างหุบเขาหนึ่งกับอีกจุดหนึ่งหรือโดยทั่วไประหว่างจุดหนึ่งกับจุดถัดไปที่มีความสูงและความลาดชันเท่ากัน ความยาววัดเป็นเมตรแม้ว่าหน่วยอื่น ๆ จะเหมาะสมกว่าขึ้นอยู่กับประเภทของคลื่น

ความถี่ f : กำหนดเป็นจำนวนรอบต่อหน่วยเวลา หน่วยของมันคือเฮิรตซ์ (Hz)

แอมพลิจูด A:สอดคล้องกับความสูงสูงสุดของคลื่นเทียบกับแกนนอน

เสียงถูกผลิตและแพร่กระจายอย่างไร?

เกิดเสียงเมื่อวัตถุที่แช่อยู่ในตัวกลางของวัสดุถูกสั่นสะเทือนดังแสดงที่ด้านล่างของรูปที่ 2 เยื่อตึงของลำโพงทางด้านซ้ายจะสั่นและส่งสัญญาณรบกวนผ่านอากาศจนกระทั่ง ถึงผู้ฟัง

เมื่อการรบกวนแพร่กระจายพลังงานจะถูกส่งไปยังโมเลกุลในสิ่งแวดล้อมซึ่งมีปฏิกิริยาต่อกันผ่านการขยายและการบีบอัด คุณต้องมีสื่อวัสดุสำหรับการแพร่กระจายของเสียงเสมอไม่ว่าจะเป็นของแข็งของเหลวหรือก๊าซ

เมื่อความวุ่นวายในอากาศมาถึงหูความดันอากาศที่แปรปรวนจะทำให้แก้วหูสั่นสะเทือน สิ่งนี้ก่อให้เกิดแรงกระตุ้นทางไฟฟ้าที่ส่งไปยังสมองผ่านประสาทหูและเมื่อมีการแปลงแรงกระตุ้นเป็นเสียง

ความเร็วของเสียง

ความเร็วของคลื่นกลในตัวกลางที่กำหนดเป็นไปตามความสัมพันธ์นี้:

ตัวอย่างเช่นเมื่อแพร่กระจายในก๊าซเช่นอากาศความเร็วของเสียงสามารถคำนวณได้ดังนี้:

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นความเร็วของเสียงก็เช่นกันเนื่องจากโมเลกุลในตัวกลางเต็มใจที่จะสั่นสะเทือนและส่งผ่านการสั่นสะเทือนผ่านการเคลื่อนไหวของมัน ความกดดันในทางกลับกันไม่มีผลต่อมูลค่าของมัน

ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นและความถี่

เราได้เห็นแล้วว่าเวลาที่คลื่นใช้ในการทำให้ครบวงจรคือช่วงเวลาในขณะที่ระยะทางที่เดินทางในช่วงเวลานั้นเท่ากับหนึ่งความยาวคลื่น ดังนั้นความเร็ว v ของเสียงจึงถูกกำหนดเป็น:

ในทางกลับกันความถี่และช่วงเวลามีความสัมพันธ์กันโดยหนึ่งเป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามเช่นนี้:

ซึ่งนำไปสู่:

ช่วงความถี่ที่ได้ยินในมนุษย์อยู่ระหว่าง 20 ถึง 20,000 เฮิรตซ์ดังนั้นความยาวคลื่นของเสียงจึงอยู่ระหว่าง 1.7 ซม. ถึง 17 ม. เมื่อแทนที่ค่าในสมการข้างต้น

ความยาวคลื่นเหล่านี้เป็นขนาดของวัตถุทั่วไปซึ่งมีอิทธิพลต่อการแพร่กระจายของเสียงเนื่องจากเป็นคลื่นจึงมีการสะท้อนการหักเหและการเลี้ยวเบนเมื่อพบสิ่งกีดขวาง

การเลี้ยวเบนหมายความว่าเสียงจะได้รับผลกระทบเมื่อพบสิ่งกีดขวางและช่องเปิดที่มีขนาดใกล้เคียงหรือเล็กกว่าตามความยาวคลื่น

เสียงเบสสามารถแพร่กระจายได้ดีที่สุดในระยะทางไกลซึ่งเป็นสาเหตุที่ช้างใช้อินฟราซาวนด์ (เสียงความถี่ต่ำมากไม่ได้ยินกับหูของมนุษย์) เพื่อสื่อสารไปทั่วดินแดนที่กว้างใหญ่

นอกจากนี้เมื่อมีเสียงเพลงในห้องใกล้เคียงเสียงเบสจะได้ยินดีกว่าเสียงแหลมเนื่องจากความยาวคลื่นของมันมีค่าเท่ากับขนาดของประตูและหน้าต่าง ในทางกลับกันเมื่อออกจากห้องเสียงแหลมสูงจะหายไปอย่างง่ายดายจึงหยุดได้ยิน

วัดเสียงได้อย่างไร?

เสียงประกอบด้วยชุดของการบีบอัดและปฏิกิริยาที่หายากของอากาศในลักษณะที่แพร่กระจายไปเสียงจะทำให้ความดันเพิ่มขึ้นและลดลง ในระบบสากลวัดความดันเป็นปาสกาลซึ่งเรียกโดยย่อว่า Pa

สิ่งที่เกิดขึ้นคือการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้น้อยมากเมื่อเทียบกับความดันบรรยากาศซึ่งมีค่าประมาณ 101,000 Pa

แม้แต่เสียงที่ดังที่สุดก็ยังสร้างความผันผวนได้เพียง 20-30 Pa (ระดับความเจ็บปวด) ซึ่งเป็นจำนวนที่ค่อนข้างน้อยเมื่อเปรียบเทียบ แต่ถ้าคุณสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นได้แสดงว่าคุณมีวิธีการวัดเสียง

ความดันเสียงคือความแตกต่างระหว่างความดันบรรยากาศกับเสียงและความดันบรรยากาศที่ไม่มีเสียง ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วเสียงที่ดังที่สุดจะสร้างแรงกดดันด้านเสียงที่ 20 Pa ในขณะที่เสียงที่อ่อนแอที่สุดทำให้เกิดประมาณ 0.00002 Pa (เกณฑ์เสียง)

เนื่องจากช่วงของความกดดันของเสียงครอบคลุมอำนาจหลาย 10 จึงควรใช้มาตราส่วนลอการิทึมเพื่อระบุ

ในทางกลับกันการทดลองพบว่าผู้คนรับรู้การเปลี่ยนแปลงของเสียงที่มีความเข้มต่ำได้ชัดเจนกว่าการเปลี่ยนแปลงของขนาดเดียวกัน แต่เป็นเสียงที่รุนแรง

ตัวอย่างเช่นถ้าความดันเสียงเพิ่มขึ้น 1, 2, 4, 8, 16 … หูจะรับรู้ความเข้มเพิ่มขึ้น 1, 2, 3, 4 … ด้วยเหตุนี้จึงสะดวกในการกำหนดปริมาณใหม่ที่เรียกว่าระดับความดันเสียง (Sound Pressure Level) L _Pซึ่งกำหนดเป็น:

โดยที่ P _oคือความดันอ้างอิงที่ใช้เป็นเกณฑ์การได้ยินและ P ₁คือความดันเฉลี่ยที่มีประสิทธิผลหรือความดัน RMS RMS หรือความดันเฉลี่ยนี้เป็นสิ่งที่หูรับรู้ว่าเป็นพลังงานเฉลี่ยของสัญญาณเสียง

เดซิเบล

ผลลัพธ์ของนิพจน์ข้างต้นสำหรับ L _Pเมื่อประเมินสำหรับค่าต่างๆของ P ₁จะได้รับเป็นเดซิเบลซึ่งเป็นปริมาณที่ไม่มีมิติ การแสดงระดับความดันเสียงเช่นนี้สะดวกมากเนื่องจากลอการิทึมแปลงตัวเลขขนาดใหญ่ให้เป็นตัวเลขที่เล็กลงและจัดการได้ง่ายขึ้น

อย่างไรก็ตามในหลาย ๆ กรณีนิยมใช้ความเข้มของเสียงในการกำหนดเดซิเบลมากกว่าความดันเสียง

ความเข้มของเสียงคือพลังงานที่ไหลเป็นเวลาหนึ่งวินาที (กำลัง) ผ่านพื้นผิวหน่วยที่ตั้งฉากกับทิศทางที่คลื่นกำลังแพร่กระจาย เช่นเดียวกับความดันเสียงเป็นปริมาณสเกลาร์และแสดงเป็น I หน่วยของ I คือ W / m ²นั่นคือกำลังต่อหน่วยพื้นที่

แสดงได้ว่าความเข้มของเสียงเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความดันเสียง:

ในนิพจน์นี้ρคือความหนาแน่นของตัวกลางและ c คือความเร็วของเสียง จากนั้นระดับความเข้มเสียง L _Iถูกกำหนดเป็น:

ซึ่งแสดงเป็นเดซิเบลและบางครั้งแสดงด้วยตัวอักษรกรีกβ ค่าอ้างอิงฉัน_o 1 x 10 ^-12 W / m 2ดังนั้น 0 dB หมายถึงขีด จำกัด ล่างของการได้ยินของมนุษย์ในขณะที่เกณฑ์ความเจ็บปวดคือ 120 dB

เนื่องจากเป็นมาตราส่วนลอการิทึมจึงต้องเน้นว่าความแตกต่างเล็กน้อยในจำนวนเดซิเบลทำให้เกิดความแตกต่างอย่างมากในแง่ของความเข้มของเสียง

เครื่องวัดระดับเสียง

เครื่องวัดระดับเสียงหรือเดซิเบลมิเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดความดันเสียงโดยระบุการวัดเป็นเดซิเบล ได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบสนองในลักษณะเดียวกับที่หูของมนุษย์ต้องการ

รูปที่ 3. เครื่องวัดระดับเสียงหรือเดซิเบลมิเตอร์ใช้ในการวัดระดับความดันเสียง ที่มา: Wikimedia Commons

ประกอบด้วยไมโครโฟนเพื่อรวบรวมสัญญาณวงจรเพิ่มเติมที่มีแอมพลิฟายเออร์และฟิลเตอร์ซึ่งมีหน้าที่ในการเปลี่ยนสัญญาณนี้ให้เป็นกระแสไฟฟ้าอย่างเพียงพอและในที่สุดก็เป็นสเกลหรือหน้าจอเพื่อแสดงผลลัพธ์ของการอ่าน

มีการใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อกำหนดผลกระทบที่เกิดขึ้นกับผู้คนและสิ่งแวดล้อม ตัวอย่างเช่นเสียงในโรงงานอุตสาหกรรมสนามบินเสียงการจราจรและอื่น ๆ อีกมากมาย

ประเภทเสียง (อินฟราซาวนด์อัลตร้าซาวด์โมโนสเตอริโอโพลีโฟนิกโฮโมโฟนิกเบสเสียงแหลม)

เสียงมีลักษณะตามความถี่ ตามที่หูของมนุษย์สามารถจับได้เสียงทั้งหมดถูกแบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ เสียงที่เราสามารถได้ยินหรือสเปกตรัมที่ได้ยินเสียงที่มีความถี่ต่ำกว่าขีด จำกัด ล่างของสเปกตรัมเสียงหรืออินฟราซาวด์และเสียงที่อยู่เหนือสเปกตรัมเสียง ขีด จำกัด บนเรียกว่าอัลตราซาวนด์

ไม่ว่าในกรณีใดเนื่องจากคลื่นเสียงสามารถซ้อนทับกันเชิงเส้นเสียงในชีวิตประจำวันซึ่งบางครั้งเราตีความว่าเป็นเอกลักษณ์แท้จริงแล้วประกอบด้วยเสียงที่แตกต่างกันโดยมีความถี่ที่แตกต่างกัน แต่ใกล้เคียงกัน

รูปที่ 4. สเปกตรัมเสียงและช่วงความถี่ ที่มา: Wikimedia Commons

สเปกตรัมเสียง

หูของมนุษย์ได้รับการออกแบบมาเพื่อรับคลื่นความถี่ที่หลากหลาย: ระหว่าง 20 ถึง 20,000 เฮิรตซ์ แต่ไม่ใช่ว่าทุกความถี่ในช่วงนี้จะรับรู้ด้วยความเข้มเดียวกัน

หูมีความไวมากขึ้นในย่านความถี่ระหว่าง 500 ถึง 6,000 เฮิรตซ์อย่างไรก็ตามยังมีปัจจัยอื่น ๆ ที่ส่งผลต่อความสามารถในการรับรู้เสียงเช่นอายุ

อินฟราซาวด์

เป็นเสียงที่มีความถี่น้อยกว่า 20 เฮิร์ตซ์ แต่การที่มนุษย์ไม่ได้ยินไม่ได้หมายความว่าสัตว์อื่นไม่สามารถทำได้ ตัวอย่างเช่นช้างใช้มันในการสื่อสารเนื่องจากอินฟราซาวด์สามารถเดินทางได้ในระยะทางไกล

สัตว์อื่น ๆ เช่นเสือใช้พวกมันเพื่อทำให้เหยื่อของพวกมันตกตะลึง Infrasound ยังใช้ในการตรวจจับวัตถุขนาดใหญ่

อัลตราซาวด์

มีความถี่มากกว่า 20,000 เฮิรตซ์และใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา การใช้อัลตร้าซาวด์ที่โดดเด่นที่สุดอย่างหนึ่งคือเป็นเครื่องมือทางการแพทย์ทั้งการวินิจฉัยและการรักษา ภาพที่ได้จากอัลตร้าซาวด์ไม่รุกรานและไม่ใช้รังสีไอออไนซ์

อัลตร้าซาวด์ยังใช้เพื่อค้นหาข้อบกพร่องในโครงสร้างกำหนดระยะทางตรวจจับสิ่งกีดขวางระหว่างการนำทางและอื่น ๆ สัตว์ยังใช้ประโยชน์จากอัลตร้าซาวด์และในความเป็นจริงนั่นคือวิธีการค้นพบการดำรงอยู่ของมัน

ค้างคาวส่งเสียงพัลส์จากนั้นแปลเสียงสะท้อนที่พวกมันสร้างขึ้นเพื่อประมาณระยะทางและค้นหาเหยื่อ ในส่วนของพวกเขาสุนัขยังสามารถได้ยินเสียงอัลตราซาวนด์และนั่นคือสาเหตุที่พวกมันตอบสนองต่อเสียงนกหวีดของสุนัขที่เจ้าของไม่ได้ยิน

เสียงโมโนโฟนิกและเสียงสเตอริโอ

รูปที่ 4. ในสตูดิโอบันทึกเสียงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะปรับแต่งเสียงให้เหมาะสม ที่มา: Pixabay

เสียงโมโนโฟนิกเป็นสัญญาณที่บันทึกด้วยไมโครโฟนตัวเดียวหรือช่องสัญญาณเสียง เมื่อฟังด้วยหูฟังหรือแตรเสียงหูทั้งสองข้างจะได้ยินสิ่งเดียวกันทุกประการ ในทางตรงกันข้ามเสียงสเตอริโอจะบันทึกสัญญาณด้วยไมโครโฟนอิสระสองตัว

ไมโครโฟนอยู่ในตำแหน่งที่ต่างกันเพื่อให้สามารถรับแรงกดดันด้านเสียงที่แตกต่างกันของสิ่งที่คุณต้องการบันทึก

จากนั้นหูแต่ละข้างจะรับสัญญาณหนึ่งในชุดเหล่านี้และเมื่อสมองรวบรวมและแปลความหมายผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นจริงมากกว่าเมื่อฟังเสียงโมโนโฟนิก ดังนั้นจึงเป็นวิธีที่ดีที่สุดสำหรับดนตรีและภาพยนตร์แม้ว่าจะยังคงใช้เสียงโมโนโฟนิกหรือโมโนโฟนิกในวิทยุโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการสัมภาษณ์และการสนทนา

homophony และ polyphony

การพูดทางดนตรี homophony ประกอบด้วยทำนองเดียวกันที่เล่นโดยเสียงหรือเครื่องดนตรีตั้งแต่สองเสียงขึ้นไป ในทางกลับกันในพฤกษ์มีสองเสียงขึ้นไปหรือเครื่องดนตรีที่มีความสำคัญเท่ากันซึ่งเป็นไปตามท่วงทำนองและแม้แต่จังหวะที่ต่างกัน ชุดที่เกิดจากเสียงเหล่านี้มีความกลมกลืนกันเช่นดนตรีของ Bach

เสียงทุ้มและเสียงแหลม

หูของมนุษย์แยกแยะความถี่เสียงว่าสูงต่ำหรือปานกลาง นี่คือสิ่งที่เรียกว่าระดับเสียง

ความถี่สูงสุดระหว่าง 1600 ถึง 20,000 เฮิรตซ์ถือเป็นเสียงเฉียบพลันย่านความถี่ระหว่าง 400 ถึง 1600 เฮิรตซ์จะสอดคล้องกับเสียงที่มีโทนเสียงกลางและสุดท้ายความถี่ในช่วง 20 ถึง 400 เฮิรตซ์เป็นเสียงเบส

เสียงทุ้มแตกต่างจากเสียงแหลมตรงที่ในอดีตจะรับรู้ว่าลึกมืดและเฟื่องฟูในขณะที่เสียงหลังนั้นเบาชัดเจนสนุกสนานและเสียดแทง นอกจากนี้หูยังตีความว่าพวกเขามีความเข้มมากขึ้นซึ่งแตกต่างจากเสียงเบสซึ่งให้ความรู้สึกที่มีความเข้มน้อยกว่า

อ้างอิง

Figueroa, D. 2548. คลื่นและฟิสิกส์ควอนตัม. ซีรี่ส์: ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม แก้ไขโดย D. Figueroa
Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. วันที่ 6. Ed Prentice Hall
Rocamora, A. หมายเหตุเกี่ยวกับอะคูสติกดนตรี. กู้คืนจาก: eumus.edu.uy.
Serway, R. , Jewett, J. (2008). ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม. เล่ม 1. 7th. Ed. Cengage Learning.
วิกิพีเดีย อะคูสติก สืบค้นจาก: es.wikipedia.org.

เสียง: ประวัติลักษณะวิธีการผลิตประเภท - กายภาพ - 2026