การหักเหของเสียง

xหากมีคนถามคุณว่า "เคยเจอการหักเหของเสียงมั้ยค่ะ?" คุณจะตอบว่าอย่างไรจ๊ะ? ลองหลับตาแล้วนึกย้อนชีวิตที่ผ่านมาสักครู่ใหญ่ๆ ..... นึกออกรึยังจ๊ะ

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

การหักเหของเสียงนั้นจะเกิดขึ้นเมื่อเสียงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างชนิดกันซึ่งทำให้อัตราเร็วของเสียงเปลี่ยนแปลง และอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปก็ทำให้อัตราเร็วของเสียงเปลี่ยนแปลงไปด้วย ซึ่งเป็นสมบัติการหักเหของคลื่น ในการหักเหของคลื่นเสียงทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียงเปลี่ยนไปด้วย ยกเว้นเมื่อคลื่นเสียงตกตั้งฉากกับผิวรอยต่อของตัวกลางทิศทางจะไม่เปลี่ยน นอกจากนี้ลมยังมีผลต่ออัตราเร็วของเสียงในอากาศแสดงว่าลมทำให้เสียงเกิดการหักเหได้

การหักเหของคลื่นเสียงเมื่อเดินทางผ่านตัวกลางต่างชนิดกัน หรืออุณหภูมิต่างกัน จะเป็นไปตามกฎการหักเหของสเนลล์ (Snell's law) คือ

ดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดดเมื่อ θ₁ คือ มุมตกกระทบ

                                          เมื่อ θ₂ คือ มุมหักเห

                  เมื่อλ₁ , λ₂ คือ ความยาวคลื่นเสียงในบริเวณที่ 1 และ 2 ตามลำดับ

                 เมื่อv₁ , v₂ คือ อัตราเร็วคลื่นเสียงในบริเวณที่ 1 และ 2 ตามลำดับ

                        เมื่อT₁ , 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 จากโจทย์ T2 = 27 °C หรือ 300 K

จาก

ปปปปปนั่นคือ บริเวณนั้นมีอุณหภูมิ 402 องศาเซลเซียส

ขอขอบคุณข้อมูจาก google ค่ะ