เสียง

องค์ความรู้

• เสียงเกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ — วัตถุที่สั่นจะดันโมเลกุลของตัวกลางรอบตัวให้สั่นต่อกันไปเป็นทอด ๆ จนถึงหูเรา
  • ตัวอย่างที่เห็นการสั่นได้ชัด — สายกีตาร์ที่ถูกดีด · หน้าของกลองที่ถูกตี · ลำโพงที่สั่น · สายเสียงในลำคอที่สั่นเมื่อเราพูด
  • เมื่อการสั่นหยุด เสียงก็หยุด — ถ้าจับสายกีตาร์ให้หยุดสั่น เสียงก็จะหายไปทันที (เป็นหลักฐานยืนยันว่าเสียงเกิดจากการสั่นจริง)
• เสียงต้องอาศัยตัวกลางในการเดินทาง — ตัวกลางที่เป็นของแข็ง ของเหลว และแก๊ส (อากาศ) ส่งเสียงได้ทั้งหมด
  • ในสุญญากาศไม่มีเสียง เพราะไม่มีตัวกลางให้สั่นต่อกันไป — จึงไม่มีเสียงจากอวกาศ และของที่อยู่ในกล่องที่สูบอากาศออกหมดก็ไม่ได้ยินเสียงจากภายใน
• อัตราเร็วของเสียงในตัวกลางต่างกัน — ของแข็ง > ของเหลว > แก๊ส (อากาศ) เพราะโมเลกุลของของแข็งอยู่ชิดกันที่สุดจึงส่งการสั่นต่อได้เร็วที่สุด
  • ใน อากาศ ประมาณ 340 เมตรต่อวินาที ที่อุณหภูมิห้อง (อากาศร้อนเสียงเดินทางเร็วกว่าอากาศเย็นเล็กน้อย)
  • ใน น้ำ ประมาณ 1{,}480 เมตรต่อวินาที · ใน เหล็ก ประมาณ 5{,}000 เมตรต่อวินาที
  • ค่าข้างต้นเป็นค่าประมาณที่ใช้เทียบ «ของแข็งเร็วกว่าของเหลวเร็วกว่าแก๊ส» ไม่ใช่ค่าที่ต้องท่องเป็นตัวเลข
• นำมาใช้ในชีวิตประจำวัน — วางหูกับโต๊ะแล้วเคาะที่ปลายอีกด้าน จะได้ยินเสียงชัดกว่าฟังผ่านอากาศ เพราะของแข็งส่งเสียงได้ดี · เห็นฟ้าแลบก่อนได้ยินเสียงฟ้าร้องเสมอ เพราะแสงเดินทางเร็วกว่าเสียงมาก · นับวินาทีจากที่เห็นฟ้าแลบถึงได้ยินเสียงฟ้าร้อง คูณด้วย 340 เมตร จะได้ ระยะทางประมาณจากเราถึงจุดที่เกิดฟ้าแลบ

ตัวอย่างและวิธีคิด

• ถ้าเราอยู่ในที่ที่ไม่มีอากาศเลย จะได้ยินเสียงตะโกนไหม — ไม่ได้ยิน เพราะไม่มีตัวกลางที่ส่งเสียง
• แนบหูกับรางรถไฟแล้วได้ยินเสียงรถไฟมาแต่ไกล ก่อนที่คนอื่นจะได้ยินผ่านอากาศ เพราะเหตุใด — รางเหล็กเป็นของแข็ง โมเลกุลอยู่ชิดกันจึงส่งการสั่นได้เร็วกว่าอากาศที่อยู่รอบตัวเรา
• อธิบายว่าทำไมเมื่อจับสายกีตาร์ที่กำลังสั่นอยู่ เสียงจึงหายไป — การจับทำให้การสั่นหยุดลง เมื่อไม่มีการสั่นก็ไม่เกิดเสียง
• ยืนอยู่ห่างจากที่เกิดฟ้าผ่า เห็นฟ้าแลบแล้วนับได้ 3 วินาทีจึงได้ยินเสียงฟ้าร้อง จุดที่เกิดฟ้าผ่าอยู่ห่างประมาณเท่าใด — ประมาณ $3 \times 340 = 1{,}020$ เมตร

ภาพและไดอะแกรม

flowchart LR
    A[วัตถุสั่นสะเทือน<br/>สายกีตาร์ กลอง สายเสียง] --> B[ตัวกลางสั่นต่อกันเป็นทอด ๆ<br/>ของแข็ง ดีกว่าของเหลว ดีกว่าแก๊ส]
    B --> C[เข้าสู่หูและถูกแปลเป็นเสียง]
    A -->|ไม่มีตัวกลาง| D[สุญญากาศ ไม่มีเสียง]

คำบรรยายภาพ: ผังการเกิดเสียงและการเดินทางของเสียง เริ่มจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ แล้วทำให้ตัวกลางรอบตัวสั่นต่อกันเป็นทอด ๆ โดยของแข็งส่งเสียงได้ดีกว่าของเหลวและดีกว่าแก๊สตามลำดับ การสั่นนี้จึงมาถึงหูและถูกแปลเป็นเสียงที่เราได้ยิน แต่ถ้าไม่มีตัวกลางเช่นในสุญญากาศ จะไม่มีเสียงเลย

องค์ความรู้

• คลื่น คือการส่งผ่านพลังงานจากการสั่นของตัวกลางจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง โดยตัวกลางไม่ได้เคลื่อนที่ไปกับคลื่น — เห็นได้จากการโยนจุกไม้หรือใบไม้ลงน้ำ แล้วคลื่นเคลื่อนผ่านไป ใบไม้กลับขึ้นลงอยู่ที่เดิม
• เสียงเดินทางเป็นคลื่น จากแหล่งกำเนิดแผ่กระจายออกไปทุกทิศทางเป็นรูปทรงกลม ยิ่งอยู่ไกลจากแหล่งกำเนิดเสียง ความดังยิ่งลดลงเพราะพลังงานกระจายไปทั่วบริเวณที่กว้างขึ้น
• ส่วนประกอบของคลื่นเสียงที่ต้องรู้จัก

ส่วนประกอบ	ความหมาย	เกี่ยวข้องกับ
ความถี่	จำนวนรอบของการสั่นใน 1 วินาที มีหน่วยเป็น เฮิรตซ์ (Hz)	ระดับเสียงสูง–ต่ำ — ความถี่สูง เสียงสูง (แหลม) · ความถี่ต่ำ เสียงต่ำ (ทุ้ม)
แอมพลิจูด	ขนาดของการสั่นหรือความสูงของคลื่น	ความดัง–ค่อย — แอมพลิจูดมาก เสียงดัง

• ช่วงเสียงที่หูคนได้ยิน อยู่ที่ประมาณ 20 ถึง 20{,}000 เฮิรตซ์
  • เสียงที่ความถี่สูงกว่า 20{,}000 เฮิรตซ์ เรียกว่า อัลตราซาวด์ หูคนได้ยินไม่ได้ แต่สัตว์บางชนิดได้ยิน เช่น ค้างคาวและโลมา มนุษย์นำมาใช้ในเครื่องตรวจอวัยวะภายในและเครื่องหาวัตถุใต้น้ำ
  • เสียงที่ความถี่ต่ำกว่า 20 เฮิรตซ์ เรียกว่า อินฟราซาวด์ หูคนก็ได้ยินไม่ได้เช่นกัน แต่ช้างและสัตว์ขนาดใหญ่ได้ยินได้
• การสะท้อนของเสียง เกิดเมื่อคลื่นเสียงไปกระทบผิวแข็งทึบ เช่น หน้าผา กำแพงสูง หรือก้นทะเล แล้วสะท้อนกลับมา เสียงสะท้อน (echo) จึงได้ยินเสียงซ้ำ
  • ใช้ใน โซนาร์และเครื่องหยั่งความลึก คือส่งเสียงลงไป วัดเวลาที่เสียงสะท้อนกลับมา แล้วคำนวณระยะทาง
  • ในห้องที่มีแต่ผนังเรียบจะเกิดเสียงก้อง เพราะเสียงสะท้อนรบกวนเสียงเดิม — ห้องเก็บเสียงหรือห้องอัดเสียง จึงบุผนังด้วยวัสดุอ่อนนุ่ม เช่น พรม โฟม ผ้าม่าน เพื่อ ดูดกลืนเสียง

ตัวอย่างและวิธีคิด

• ดีดสายกีตาร์ที่รัดให้สั้นลงกับสายที่ยาวกว่า สายใดให้เสียงสูงกว่า — สายที่สั้นกว่าสั่นได้เร็วขึ้น ความถี่สูงกว่า จึงได้เสียงที่สูงกว่า (แหลมกว่า)
• กลองที่ตีแรงขึ้นกับตีเบา ๆ ให้เสียงต่างกันอย่างไร — ความถี่เสียงของกลองเท่าเดิม แต่ แอมพลิจูด ต่างกัน ตีแรงจะได้เสียง ดังกว่า
• ทำไมในโรงละครหรือหอประชุมจึงบุผนังและปูพรม — เพื่อ ดูดกลืนเสียง ลดการสะท้อนของเสียงและลดเสียงก้อง ทำให้ได้ยินเสียงพูดชัดเจนขึ้น
• เรือส่งคลื่นเสียงลงสู่ท้องทะเลเพื่อหาความลึก ใช้หลักการใด — ใช้การสะท้อนของคลื่นเสียง (โซนาร์) วัดเวลาที่เสียงเดินทางไปถึงก้นทะเลและสะท้อนกลับ

ภาพและไดอะแกรม

mindmap
  root((คลื่นเสียง))
    ต้องมีตัวกลาง
      ของแข็ง ส่งเร็วที่สุด
      ของเหลว
      แก๊ส อากาศประมาณ 340 เมตรต่อวินาที
    ความถี่ หน่วยเฮิรตซ์
      สูง เสียงสูง
      ต่ำ เสียงต่ำ
      หูคนได้ยิน 20 ถึง 20000 เฮิรตซ์
      เกิน 20000 เฮิรตซ์ อัลตราซาวด์
    แอมพลิจูด
      มาก เสียงดัง
      น้อย เสียงค่อย
    การสะท้อนของเสียง
      เสียงสะท้อน echo
      โซนาร์หยั่งความลึก
      ดูดกลืนเสียง ลดเสียงก้อง

คำบรรยายภาพ: แผนภาพความคิดสรุปเรื่องคลื่นเสียง แบ่งเป็นสี่กลุ่ม กลุ่มแรกคลื่นเสียงต้องมีตัวกลางและส่งได้เร็วที่สุดในของแข็ง กลุ่มที่สองความถี่มีหน่วยเฮิรตซ์กำหนดระดับเสียงสูงต่ำ กลุ่มที่สามแอมพลิจูดกำหนดความดังค่อย และกลุ่มที่สี่การสะท้อนของเสียงใช้ทำโซนาร์หาความลึกและใช้หลักการดูดกลืนเสียงเพื่อลดเสียงก้อง

องค์ความรู้

• ความเข้มเสียง หรือความดัง–ค่อยของเสียง วัดได้เป็นตัวเลขที่มีหน่วยเป็น เดซิเบล (เขียนย่อว่า dB)
• 0 เดซิเบล คือระดับเสียงเบาที่สุดที่หูคนปกติยังได้ยิน · ตัวเลขยิ่งมาก เสียงยิ่งดัง
• ตัวอย่างระดับความเข้มเสียงโดยประมาณที่พบในชีวิตประจำวัน

สถานการณ์	ระดับความเข้มเสียง (เดซิเบล)
เสียงเบาที่สุดที่หูคนได้ยิน	0
เสียงกระซิบ · เสียงใบไม้ไหว	ประมาณ 20–30
เสียงพูดคุยกันตามปกติ	ประมาณ 60
เสียงจราจร · เครื่องดูดฝุ่น	ประมาณ 70–80
ระดับที่เริ่มเป็นอันตราย ถ้าฟังติดต่อกันนาน ๆ	ประมาณ 85 ขึ้นไป
เสียงเครื่องบินไอพ่น · คอนเสิร์ตที่เปิดเสียงดังมาก	ประมาณ 110–120
ระดับที่ทำให้รู้สึกเจ็บหู	มากกว่า 120

• เสียงดังมากทำอันตรายได้อย่างไร — เสียงที่ดังเกินระดับและ ฟังติดต่อกันนาน ๆ จะทำลายเซลล์รับเสียงในหูชั้นใน ทำให้ การได้ยินลดลงอย่างถาวร จึงห้ามใช้หูฟังเปิดเพลงเสียงดังเป็นเวลานาน
• เดซิเบลไม่ใช่เรื่องของ «เสียงสูง–เสียงต่ำ» — เสียงกลองเป็นเสียงทุ้ม (ความถี่ต่ำ) แต่ก็ดังได้ถึง 100 เดซิเบล ขณะที่เสียงนกหวีดเป็นเสียงแหลม (ความถี่สูง) แต่ก็เบาได้ จึงต้องแยก «ความดัง (เดซิเบล)» ออกจาก «ระดับเสียงสูง–ต่ำ (เฮิรตซ์)»
• มลพิษทางเสียงและวิธีลดเสียงรบกวน — เสียงดังเกินไปรบกวนการเรียน การพักผ่อน และสุขภาพจิต วิธีลด ได้แก่ ลดความดังที่แหล่งกำเนิด (ปรับเครื่องเสียงให้เบาลง ใส่ท่อไอเสียรถ) · กั้นเสียงด้วยกำแพงกันเสียง ปลูกต้นไม้ หรือปิดประตูหน้าต่าง · สวมที่อุดหูหรือที่ครอบหูเมื่ออยู่ในที่เสียงดัง · จัดวางเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีเสียงดังให้ห่างจากที่นอน

ตัวอย่างและวิธีคิด

• หูฟังที่เปิดเพลงจนได้ยินระดับประมาณ 100 เดซิเบล เป็นอันตรายหรือไม่ — เป็น เพราะดังเกินระดับที่ปลอดภัย ถ้าฟังนาน ๆ จะทำลายการได้ยินอย่างถาวร
• เสียงที่เบาที่สุดที่เราพอได้ยินกี่เดซิเบล — 0 เดซิเบล
• เปรียบเทียบ «เสียงกลองที่ตีแรง» กับ «เสียงนกหวีด» อย่างใดดังกว่า และอย่างใดมีระดับเสียงสูงกว่า — เสียงกลองดังกว่า (เดซิเบลสูงกว่า) · เสียงนกหวีดมีระดับเสียงสูงกว่า (ความถี่สูงกว่า)
• เพื่อนบ้านเปิดเพลงเสียงดังตอนกลางคืน ควรแก้ปัญหาอย่างไร — ลดความดังที่ต้นเหตุคือคุยกับเจ้าของเสียงให้เบาลง หรือปิดประตูหน้าต่างและปิดม่านเพื่อกั้นเสียง ไม่ใช้วิธีตะโกนตอบกลับซึ่งเพิ่มมลพิษทางเสียงอีกชั้น

องค์ความรู้

• หูเป็นอวัยวะรับเสียง แบ่งเป็น 3 ส่วน
  • หูชั้นนอก — ใบหู ทำหน้าที่รับเสียงให้เข้าสู่ช่องหู (รูปของใบหูช่วยบอกทิศทางของเสียง) · ช่องหู นำเสียงเข้าข้างใน · เยื่อแก้วหู เป็นเยื่อบางที่ เริ่มสั่นสะเทือน เมื่อเสียงมากระทบ
  • หูชั้นกลาง — มี กระดูกเล็ก 3 ชิ้น ได้แก่ กระดูกค้อน กระดูกทั่ง และกระดูกโกลน ทำหน้าที่ ขยายการสั่น จากเยื่อแก้วหูให้แรงขึ้นก่อนส่งต่อไปยังหูชั้นใน
  • หูชั้นใน — ของเหลวและ อวัยวะรับเสียง (คอเคลีย) เปลี่ยนการสั่นให้เป็นสัญญาณ แล้ว ประสาทหู นำสัญญาณไปยังสมอง · ส่วน ท่อครึ่งวงกลม ไม่ได้ทำหน้าที่รับเสียง แต่ทำหน้าที่ ควบคุมการทรงตัว
• ลำดับการได้ยินที่ข้อสอบชอบถาม — เสียง → ใบหู → ช่องหู → เยื่อแก้วหู → กระดูกทั้ง 3 ชิ้น → หูชั้นใน (อวัยวะรับเสียง) → ประสาทหู → สมอง (จึงได้ยินและแปลความว่าเป็นเสียงอะไร)
• การดูแลรักษาหู
  • ไม่แคะหูลึกหรือใช้ของแหลมแหย่ช่องหู เพราะอาจทำเยื่อแก้วหูทะลุ
  • ไม่ฟังเพลงเสียงดังกว่าที่ควรและไม่ใส่หูฟังนานเกินไป
  • หลีกเลี่ยงเสียงดังเฉียบพลัน เช่น เสียงระเบิด เสียงเครื่องจักร และควรสวมที่อุดหูเมื่อเลี่ยงไม่ได้
  • ถ้าหูอักเสบ มีน้ำไหลออกจากหู หรือได้ยินลดลง ควรพบแพทย์ทันที ไม่ปล่อยไว้นาน
• รู้ไว้เพิ่มเติม — ผู้สูงอายุมักได้ยิน เสียงที่ความถี่สูง ลดลงก่อน จึงได้ยินเสียงพูดคุยหรืองานเลี้ยงไม่ชัด และเมื่ออายุมากขึ้นเซลล์รับเสียงเสื่อมตามธรรมชาติ

ตัวอย่างและวิธีคิด

• เรียงลำดับการเดินทางของเสียงจากเพื่อนที่ยืนเรียกจนเรารู้ว่าถูกเรียก — เสียงจากเพื่อน → ใบหู → ช่องหู → เยื่อแก้วหู → กระดูกค้อน ทั่ง โกลน → หูชั้นใน → ประสาทหู → สมอง
• เพราะเหตุใดของแหลมที่แหย่เข้าช่องหูจึงอันตราย — อาจทำ เยื่อแก้วหู ฉีกขาด เกิดการได้ยินลดลงหรือหูหนวกได้
• ยิงปืนในสนามยิงปืน นักกีฬาต้องสวมที่ครอบหู เพราะเหตุใด — เสียงปืนดังเกินระดับที่ปลอดภัย ถ้าไม่ได้ป้องกันบ่อยครั้งจะทำลายเซลล์รับเสียงในหูชั้นใน ทำให้การได้ยินเสื่อมถาวร
• อวัยวะใดในหูที่ทำหน้าที่เปลี่ยนการสั่นเป็นสัญญาณส่งไปสมอง — หูชั้นใน ซึ่งมีอวัยวะรับเสียงและส่งต่อผ่านประสาทหูไปยังสมอง

ภาพและไดอะแกรม

flowchart LR
    S[เสียงจากแหล่งกำเนิด] --> P[ใบหู และ ช่องหู<br/>หูชั้นนอก]
    P --> E[เยื่อแก้วหู<br/>เริ่มสั่นสะเทือน]
    E --> B[กระดูกค้อน ทั่ง โกลน<br/>หูชั้นกลาง ขยายการสั่น]
    B --> I[หูชั้นใน<br/>อวัยวะรับเสียงเปลี่ยนเป็นสัญญาณ]
    I --> N[ประสาทหู] --> BR[สมอง<br/>แปลเป็นเสียงที่ได้ยิน]

คำบรรยายภาพ: ผังลำดับการได้ยินของมนุษย์ เริ่มจากเสียงเข้าสู่ใบหูและช่องหูในหูชั้นนอก ไปสั่นเยื่อแก้วหู แล้วหูชั้นกลางซึ่งมีกระดูกค้อน ทั่ง และโกลนขยายการสั่นส่งต่อไปหูชั้นในที่เปลี่ยนการสั่นเป็นสัญญาณ ประสาทหูจึงนำสัญญาณไปสู่สมองเพื่อแปลว่าเป็นเสียงอะไร