เสียง เสียงสะท้อน และการสั่นพ้อง

ขลุ่ยและกีตาร์เล่นโน้ตเดียวกัน แต่เราจำแนกเครื่องดนตรีได้ง่าย เครื่องหนึ่งอาจเบา อีกเครื่องดัง สมบัติใดของคลื่นที่ต่างกันอยู่เบื้องหลังเสียงสูง เสียงดัง และลักษณะเฉพาะของเสียง?

สายกีตาร์เคลื่อนไปมาและออกแรงต่ออากาศ ทำให้ความดันเปลี่ยน ส่วนอัดและส่วนขยายส่งต่อสู่ชั้นอากาศข้างเคียงเป็นคลื่นเสียงตามยาว อากาศไม่ได้พุ่งจากสายไปถึงหูทั้งก้อน สิ่งที่มาถึงคือการรบกวน แหล่งกำเนิดกำหนดความถี่การสั่น ส่วนสมบัติของตัวกลางกำหนดอัตราเร็วการแผ่ หากจินตนาการว่าเอาอากาศและตัวกลางนำเสียงอื่นทั้งหมดระหว่างแหล่งกำเนิดกับผู้ฟังออก เสียงทั่วไปจะเดินทางไปไม่ถึง

เล่นเสียงความถี่ 220 Hz แล้วเปลี่ยนเป็น 440 Hz ในกรณีหลังการสั่นซ้ำถี่ขึ้นสองเท่า และระดับเสียงพื้นฐานที่ได้ยินสูงขึ้น ความถี่ ν มีหน่วยเฮิรตซ์และสัมพันธ์กับระดับเสียง แต่เสียงสูงไม่จำเป็นต้องดังกว่า เราเล่นโน้ตสูงให้เบาหรือโน้ตต่ำให้ดังได้ สำหรับเสียงซับซ้อน หูรับรู้ความถี่พื้นฐานร่วมกับองค์ประกอบอื่น ความถี่เดียวจึงอธิบายเสียงทั้งหมดไม่ได้

คงความถี่ไว้แต่เพิ่มแอมพลิจูดการสั่นของสาย เมื่อปัจจัยอื่นเท่ากัน คลื่นจะนำพลังงานมากขึ้น ความเข้มจึงเพิ่ม ซึ่งหมายถึงพลังงานที่ผ่านหนึ่งหน่วยพื้นที่ต่อหนึ่งหน่วยเวลาเพิ่มขึ้น โดยทั่วไปเราจะได้ยินดังขึ้น แต่ความดังเป็นการรับรู้ที่ขึ้นกับความถี่และความไวของหูด้วย เสียงสองเสียงที่มีความเข้มเท่ากันจึงอาจไม่ดังเท่ากัน การสั่นแรงขึ้นกับการสั่นถี่ขึ้นเป็นการเปลี่ยนคนละแบบ

ทำไมกีตาร์จึงยังไม่เหมือนขลุ่ยแม้เล่นโน้ตเดียวกัน? เครื่องดนตรีมักสร้างความถี่พื้นฐานและองค์ประกอบความถี่สูงกว่าเรียกว่าโอเวอร์โทน ความเด่นสัมพัทธ์ขององค์ประกอบเหล่านี้ รวมถึงช่วงเริ่มและช่วงลดลงของเสียง กำหนดคุณภาพเสียง หากตัดโอเวอร์โทนออกในจินตนาการ เสียงจะใกล้เสียงบริสุทธิ์และสูญเสียลักษณะเฉพาะบางส่วน คุณภาพเสียงจึงบอกองค์ประกอบและการเปลี่ยนแปลงของเสียง ไม่ใช่เพียงความถี่พื้นฐานหรือแอมพลิจูด

หูตอบสนองต่อความถี่ต่าง ๆ ไม่เท่ากัน ช่วงที่มนุษย์ได้ยินโดยประมาณคือ 20 Hz ถึง 20 kHz ขอบเขตจริงต่างกันในแต่ละคนและเปลี่ยนตามวัย ต่ำกว่า 20 Hz เรียกอินฟราซาวด์ สูงกว่า 20 kHz เรียกอัลตราซาวด์ ชื่อเหล่านี้กำหนดด้วยความถี่ การลดความดังของโน้ตที่ได้ยินไม่ทำให้เป็นอินฟราซาวด์ และอัลตราซาวด์ที่มีแอมพลิจูดมากก็ไม่ได้กลายเป็นเสียงในช่วงได้ยิน

สายที่ไม่มีตัวเครื่องดนตรีให้เสียงต่างออกไป ตัวเครื่องและอากาศภายในรับพลังงานจากแหล่งกำเนิด และอาจตอบสนองมากใกล้ความถี่ธรรมชาติของตน หรือเกิดการสั่นพ้อง ส่วนเหล่านี้ช่วยถ่ายโอนพลังงานสู่อากาศรอบข้าง และเสริมความถี่ต่าง ๆ ไม่เท่ากัน จึงเปลี่ยนคุณภาพเสียง ตัวสั่นพ้องไม่ได้สร้างพลังงานจากความว่าง นักดนตรีเป็นผู้ให้พลังงาน และการเชื่อมโยงชิ้นส่วนกำหนดว่าพลังงานจะกลายเป็นเสียงอย่างไร

ตบมือสั้น ๆ หน้ากำแพงที่อยู่ไกล คลื่นส่วนหนึ่งสะท้อนกลับ หากหน่วงเวลามากพอ หูจะแยกสัญญาณที่สองเป็นเสียงสะท้อน แทนที่จะรวมเป็นเสียงต่อเนื่องกับครั้งแรก เวลา t ที่วัดครอบคลุมเส้นทางทั้งหมด ตั้งแต่แหล่งกำเนิดถึงกำแพงและกลับถึงผู้ฟัง หากกำแพงไกลขึ้น เวลาหน่วงจะมากขึ้น การสะท้อนเสียงจึงช่วยหาระยะได้แม้มองสิ่งกีดขวางไม่ชัด

แหล่งกำเนิดกับตัวรับอยู่ใกล้กัน และอัตราเร็วเสียง v คงที่ตลอดทาง ระยะขาไปและขากลับจึงประมาณได้ว่าเท่ากับ s: 2s = vt ดังนั้น s = vt/2 หากเวลาหน่วงเพิ่มสองเท่า ระยะก็เพิ่มสองเท่า หากเวลาหน่วงเป็นศูนย์ แบบจำลองให้ระยะเป็นศูนย์ ใช้หน่วยเมตรสำหรับ s และวินาทีสำหรับ t การหาระยะด้วยอัลตราซาวด์ใช้หลักเดียวกัน หากแหล่งกำเนิดกับตัวรับอยู่แยกกัน ต้องคำนวณเรขาคณิตของเส้นทางเพิ่มเติม

เสียงสะท้อนกลับมาหลังส่งสัญญาณสั้น 0.6 s ให้ใช้อัตราเร็วเสียง 340 m/s จงหาระยะถึงกำแพง

ระหว่างส่งสัญญาณกับรับเสียงสะท้อน เสียงเดินทางถึงกำแพงและกลับมา เวลา 0.6 s จึงไม่ใช่เวลาของขาใดขาหนึ่งเท่านั้น

ระยะทั้งหมดคือ vt = 340 · 0,6 = 204 м เมื่อแหล่งกำเนิดกับผู้ฟังอยู่ใกล้กัน ครึ่งหนึ่งของเส้นทางนี้คือระยะถึงกำแพง

s = vt/2 = 204/2 = 102 м ตรวจสอบ: 102/340 = 0,3 с สำหรับขาเดียว และ 0.6 s สำหรับไปกลับทั้งหมด

กำแพงอยู่ห่าง 102 m ในเวลา 0.6 s ที่วัด เสียงเดินทางเป็นสองเท่าคือ 204 m รวมขากลับด้วย

ระดับเสียง ความดัง และคุณภาพเสียงเกี่ยวข้องกับสมบัติคนละด้าน ได้แก่ ความถี่ การรับรู้ความเข้ม และองค์ประกอบของการสั่น

อินฟราซาวด์และอัลตราซาวด์กำหนดด้วยความถี่ ไม่ใช่ความแรงของการสั่นของแหล่งกำเนิด

เสียงสะท้อนใช้วัดเวลาไปกลับ เมื่อแหล่งกำเนิดกับตัวรับอยู่ใกล้กัน s = vt/2

ต่อไปคือแสง ซึ่งนำพลังงานเช่นกันแต่ไม่ต้องอาศัยอากาศ