ความเร็วของคลื่นเสียง
เนื่องจากยังได้พบเห็นความเข้าใจผิดๆ เกี่ยวกับเรื่องความเร็วของคลื่นเสียงอยู่บ่อยๆ จึงได้นำเรื่อง "ความเร็วของคลื่นเสียง" มารวมไว้ในชุดบทความ "ศาสตร์แห่งเส้นเสียง" เพื่อปูพื้นฐานความเข้าใจที่ถูกต้องสำหรับผู้สนใจเกี่ยวกับเครื่องเสียงและอคุสติค
เริ่มจากต้องทำความเข้าใจกันก่อนว่า "คลื่นเสียง – Sound Wave" ก็คือการสั่นไหวเชิงความดัน (Pressure Disturbance) ซึ่งจะเคลื่อนที่ไปในตัวกลาง (Medium) ด้วยลักษณะกิริยาการส่งผ่านพลังงานจากการสั่นไหวระหว่างอนุภาค (Particle) ที่อยู่ติดชิดกันของตัวกลางนั้น
ดังนี้คำว่า "ความเร็วของคลื่นเสียง – Speed of sound wave" ก็จะหมายถึงความเร็วของการส่งผ่านการสั่นไหวที่ว่านี้ โดยจำนวนรอบการสั่นไหวของอนุภาคตัวกลางในหนึ่งหน่วยเวลาก็คือ "ความถี่ – Frequency" ของระรอกคลื่นนั่นเอง
ความเร็วของคลื่นคือระยะที่ "จุดหนึ่งจุดใดบนช่วงคลื่น" เคลื่อนไปในห้วงเวลาหนึ่ง
ความเร็ว (V) = ระยะทาง (S) / เวลา (T)แต่ความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางที่ระรอกคลื่นนั้นเคลื่อนที่ผ่านไป โดยคุณสมบัติหลักๆ ของตัวกลางที่มีผลต่อความเร็วของคลื่นก็คือ "ความเฉื่อย – Inertia" และ "ความยืดหยุ่น – Elastic"
ในกรณีของตัวกลางที่เป็นก๊าซ (Gases) ก็จะมีความหนาแน่น (Density) ซึ่งเป็นคุณสมบัติหลักทางความเฉื่อยที่มีผลต่อความเร็วในการส่งผ่านคลื่นเสียง หากปัจจัยอื่นๆ เหมือนกันแล้ว คลื่นเสียงจะเดินทางผ่านก๊าซที่มีความหนาแน่นน้อยได้เร็วกว่าตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า
ส่วนกรณีของตัวกลางที่เป็นของแข็งนั้น ตัวกลางที่มีความเหนียวแน่นสูงเช่นเหล็กจะมีความสามารถในการส่งผ่านคลื่นเสียงได้เร็วกว่าตัวกลางที่มีความหยุ่นอ่อนเช่นยาง
ทั้งนี้ปัจจัยจากความยืดหยุ่นจะมีผลต่อความเร็วของเสียงมากกว่าปัจจัยจากความเฉื่อย ด้วยเหตุนี้ความเร็วของเสียง (V) ที่เดินทางผ่านของแข็ง (Solids) จะมากกว่าของเหลว (Liquids) และในของเหลวจะมากกว่าก๊าซ (Gases)
V solids > V liquids >V gasesด้วยเหตุนี้ความเร็วของเสียงที่เดินทางในอากาศ (Air) จึงขึ้นกับคุณสมบัติของมวลอากาศ ซึ่งคุณสมบัติหลักที่มีผลต่อความเร็วเสียงก็คืออุณหภูมิและความดันของอากาศ
ความดันของอากาศจะส่งผลต่อความหนาแน่นของมวลอากาศ (คุณสมบัติทางความเฉื่อย) ในขณะที่อุณหภูมิจะส่งผลต่อความรุ่นแรงของปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคของอากาศ (คุณสมบัติทางความยืดหยุ่น) ซึ่งหมายความว่าหากคิดเฉพาะผลจากอุณหภูมิของอากาศต่อความเร็วของเสียงแล้ว อากาศที่มีระดับอุณหภูมิที่สูงกว่าจะยอมให้เสียงเดินทางผ่านไปได้เร็วกว่า ตามสมการ
V = 331 + 0.6Tโดย T คือค่าอุณหภูมิของอากาศในหน่วยองศาเซลเซียส และ V คือความเร็วในหน่วยเมตร/วินาที เช่นอากาศที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส (ในห้องปรับอากาศทั่วๆ ไปเช่นห้องฟังเพลง) เสียงจะเดินทางได้ด้วยความเร็วประมาณ 346 เมตร/วินาที หรือประมาณ 1,245 กิโลเมตรต่อชั่วโมง
จากบทความเรื่อง "เสียงทุ้ม-เสียงแหลม" นั้น ความถี่ 1 Hz จะหมายถึงการสั่นไหว (Vibration) ของอนุภาคตัวกลางจำนวน 1 รอบใน 1 วินาที (Second) หรือ
1 Hz = 1 Vibration / 1 Secondซึ่งการสั่นไหว 1 รอบนี้ คลื่นจะเคลื่อนที่ไปได้เท่ากับ 1 ความยาวคลื่น (L) พอดี และหากใน 1 วินาทีมีการสั่นไหว 2 รอบก็จะได้ความถี่เท่ากับ 2 Hz โดยคลื่นจะเคลื่อนที่ไปได้ 2 ความยาวคลื่น...ในระยะทางโดยรวม (S) เท่าเดิม (ด้วยความเร็วเท่าเดิม) เป็นอย่างนี้เรื่อยไป ดังนั้น
1 Hz = 1 Vibration / 1 Second โดย S = 1 x L1
2 Hz = 2 Vibration / 1 Second โดย S = 2 x L2
n Hz = n Vibration / 1 Second โดย S = n x Ln
เมื่อ S = n x L หากหารด้วยเวลา 1 วินาที จะได้ว่า
S/1 Second = n/1 Second x L
ซึ่ง S/1 Second ก็คือความเร็ว V และ n/1 ก็คือความถี่ F นั่นเอง ดังนั้น
V = F x L
แปลความหมายได้ว่า
ความเร็วของคลื่น = ความถี่ x ความยาวคลื่น
ในกรณีของคลื่นเสียงนั้น ตามปกติแล้วจะใช้สมการนี้เพื่อหาค่าความยาวคลื่นของความถี่ที่ต้องการ โดยจะเริ่มจากการหาค่าความเร็วของเสียง (ซึ่งเป็นค่าคงที่) จากสมการ V = 331 + 0.6T ให้ได้เสียก่อน เช่นหากจะคำนวณต่อจากตัวอย่างข้างบน คลื่นเสียงที่ความถี่เท่ากับ 60 Hz จะมีความยาวคลื่นเท่ากับ 346/60 = 5.76 เมตร (ที่อุณหภูมิอากาศเท่ากับ 25 องศาเซลเซียส)
ทั้งนี้สมการ V = F x L นี้จะเป็นเพียงความสัมพันธ์เชิงคณิตศาสตร์ของคลื่นเท่านั้น มิได้หมายความว่าความเร็วของคลื่น เช่นคลื่นเสียงนั้นจะแปรเปลี่ยนไปตามค่าความถี่ หรือ ค่าความยาวคลื่นแต่อย่างใด
แต่ก็ยังพบเห็นมีผู้เข้าใจผิดๆ ในเรื่องนี้กันอยู่เนืองๆ และยังมีการส่งต่อความเข้าใจผิดๆ ผ่านการบอกเล่าหรือการตอบปัญหาเกี่ยวกับอคุสติคในบางแห่งบางที่ ทำนองว่า เสียงแหลมความถี่สูงมีความเร็วมากกว่าเสียงทุ้มความถี่ต่ำ ทั้งที่จริงๆ แล้วจะมีความเร็วไม่ต่างกัน ซึ่งได้สร้างความเข้าใจผิดๆ ออกไปในวงกว้าง เนื่องจากนักเล่นโดยทั่วไปมักจะยึดถือคำตอบจากตัวบุคคลที่คิดว่าน่าเชื่อถือได้ จึงต้องถือให้เป็นปัญหาของผู้ที่ตอบซึ่งควรต้องหมั่นศึกษาในเรื่องที่เป็นหลักวิทยาศาสตร์หรือธรรมชาติมากกว่าการตอบไปตามแต่ที่ตนเองจะคิด, รู้สึกหรือคาดเดาไปเอง
ที่มา
www.sound-map.com
