การหักเหของคลื่นเสียง

physics03 วันพฤหัสบดี, 09 มิถุนายน 2554 00:48

xxxxxหากมีคนถามคุณว่า "เคยเจอการหักเหของเสียงมั้ยค่ะ?" คุณจะตอบว่าอย่างไรครับ? ลองหลับตาแล้วนึกย้อนชีวิตที่ผ่านมาสักครู่ใหญ่ๆ ..... นึกออกรึยังครับ

xxxxxจริงแล้ว เราแทบทุกคนคงเคยมีประสบการณ์กับการหักเหของเสียง นั่นคือ ขณะที่เกิดฝนฟ้าคะนอง แล้วเกิดแสงวาบจากฟ้าแลบ เราหลับตาปี๋ เตรียมรับเสียงฟ้าร้องที่จะตามมา 5 4 3 2 1 ...เงียบ... แล้วก็พบว่าไม่มีเสียงฟ้าร้องไม่ตามมา แล้วเสียงนั้นหายไปไหนครับ ปรากฏการณ์นี้เองคือตัวอย่างของการหักเหของคลื่นเสียง คำถามต่อมาก็คือ แล้วมันเกิดขึ้นได้อย่างไร

xxxxxการหักเหของเสียงนั้นจะเกิดขึ้นเมื่อเสียงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างชนิดกันซึ่งทำให้อัตราเร็วของเสียงเปลี่ยนแปลง และอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปก็ทำให้อัตราเร็วของเสียงเปลี่ยนแปลงไปด้วย ซึ่งเป็นสมบัติการหักเหของคลื่น ในการหักเหของคลื่นเสียงทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียงเปลี่ยนไปด้วย ยกเว้นเมื่อคลื่นเสียงตกตั้งฉากกับผิวรอยต่อของตัวกลางทิศทางจะไม่เปลี่ยน นอกจากนี้ลมยังมีผลต่ออัตราเร็วของเสียงในอากาศแสดงว่าลมทำให้เสียงเกิดการหักเหได้

xxxxxการหักเหของคลื่นเสียงเมื่อเดินทางผ่านตัวกลางต่างชนิดกัน หรืออุณหภูมิต่างกัน จะเป็นไปตามกฎการหักเหของสเนลล์ (Snell's law) คือ

ดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดเมื่อ θ1 คือ มุมตกกระทบ

ดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดเมื่อ θ2 คือ มุมหักเห

ดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดเมื่อλ1 , λ2 คือ ความยาวคลื่นเสียงในบริเวณที่ 1 และ 2 ตามลำดับ

ดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดเมื่อv1 , v2 คือ อัตราเร็วคลื่นเสียงในบริเวณที่ 1 และ 2 ตามลำดับ

ดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดเมื่อT1 , T2 คือ อุณหภูมิของอากาศในบริเวณที่ 1 และ 2 ตามลำดับ

xxxxxการหักเหของเสียงเมื่อคลื่นเสียงเดินทางในอากาศจากบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำไปสู่บริเวณที่มีอุณหภูมิสูง คลื่นเสียงจะเบนออกจากเส้นปกติ (θ1 < θ2) และเมื่อเสียงเดินทางจากในอากาศจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปสู่บริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ คลื่นเสียงจะเบนเข้าหาเส้นปกติ (θ1 > θ2)

xxxxxตอนกลางวันอากาศเหนือพื้นดินจะมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศบริเวณด้านบน เสียงจะหักเหขึ้นสู่อากาศ ดังรูป

 

รูปแสดงการหักเหของเสียงตอนกลางวัน

ดดดดดส่วนตอนกลางคืนนั้น อากาศเหนือพื้นดินจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าอากาศบริเวณด้านบน เสียงจะหักเหลงสู่พื้นดิน ดังรูป

รูปแสดงการหักเหของเสียงตอนกลางคืน

ดดดดดสำหรับกรณีที่เกิดฟ้าแลบแต่เราไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้องนั้น เป็นเพราะว่าในขณะเกิดฟ้าแลบ ถ้าอากาศเบื้องบนมีอุณหภูมิต่ำกว่าอากาศด้านล่าง ทำให้ทิศทางของเสียงจากฟ้าร้องนั้นเบนออกจากเส้นแนวฉาก และเมื่อมุมตกกระทบโตกว่ามุมวิกฤต(ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ในเรื่องการสะท้อนกลับหมดของคลื่น) จะทำให้คลื่นเสียงเกิดการสะท้อนกลับหมดไปยังอากาศเบื้องบน เราจึงไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง

รูปแสดงการหักเหของเสียงทำให้ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง

ตัวอย่าง เสียงเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีอุณหภูมิ 27 °C ไปสู่บริเวณที่มีอุณหภูมิเท่าใด จึงทำให้ความยาวคลื่น เป็น 2/3 เท่าของความยาวคลื่นเดิม

วิธีทำ xxxxxจากโจทย์ T2 = 27 °C หรือ 300 K

xxxxxxxxxxจาก

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mtable columnalign=¨left¨ rowspacing=¨0¨»«mtr»«mtd»«mfrac»«msub»«mi»§#955;«/mi»«mn»1«/mn»«/msub»«msub»«mi»§#955;«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«/mfrac»«mo»=«/mo»«msqrt»«mfrac»«msub»«mi»T«/mi»«mn»1«/mn»«/msub»«msub»«mi»T«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«/mfrac»«/msqrt»«/mtd»«/mtr»«mtr»«mtd»«mfrac»«mn»2«/mn»«mn»3«/mn»«/mfrac»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msqrt»«mfrac»«mn»300«/mn»«msub»«mi»T«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«/mfrac»«/msqrt»«/mtd»«/mtr»«mtr»«mtd»«mfrac»«mn»4«/mn»«mn»9«/mn»«/mfrac»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mfrac»«mn»300«/mn»«msub»«mi»T«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«/mfrac»«/mtd»«/mtr»«mtr»«mtd»«msub»«mi»T«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mfrac»«mrow»«mn»300«/mn»«mo»§#215;«/mo»«mn»9«/mn»«/mrow»«mn»4«/mn»«/mfrac»«/mtd»«/mtr»«mtr»«mtd»«msub»«mi»T«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mn»675«/mn»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mi»K«/mi»«mo»§nbsp;«/mo»«/mtd»«/mtr»«mtr»«mtd»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mn»402«/mn»«mo»§nbsp;«/mo»«mmultiscripts»«mi»C«/mi»«none/»«none/»«mprescripts/»«none/»«mi»o«/mi»«/mmultiscripts»«mo»§nbsp;«/mo»«/mtd»«/mtr»«/mtable»«/math»

ปปปปปนั่นคือ บริเวณนั้นมีอุณหภูมิ 402 องศาเซลเซียส

link วิทยาศาสตร์

รวม link ที่น่าสนใจทั้งในและต่างประเทศ เพื่อค้นคว้าหาข้อมูลที่ต้องการทางด้านวิทยาศาสตร์

ดูลิงค์ทั้งหมด

link คณิตศาสตร์

รวม link ที่น่าสนใจทั้งในและต่างประเทศ เพื่อค้นคว้าหาข้อมูลที่ต้องการทางด้านคณิตศาสตร์

ดูลิงค์ทั้งหมด
UNESCO Bangkok

ICT in Education newsletter

SEAMEO Congress

Programme with Presentations

Black Ribbon