เสียง การอธิบายความถี่ของเสียงวัดเป็นรอบต่อวินาทีหรือเฮิรตซ์

เสียง อากาศก็เหมือนกับสสารทั้งหมด ประกอบด้วยโมเลกุล แม้แต่พื้นที่เล็กๆ ของอากาศก็มีโมเลกุลของอากาศมากมาย โมเลกุลมีการเคลื่อนที่ อย่างต่อเนื่อง เดินทางแบบสุ่มและมีความเร็วสูง พวกมันชนกันและดีดตัวจากกันอย่างต่อเนื่อง มันจะกระแทกและกระดอนจากวัตถุที่สัมผัสกับอากาศ วัตถุที่สั่นสะเทือนจะสร้างคลื่นเสียงในอากาศ ตัวอย่างเช่น เมื่อหัวของกลองถูกตีด้วยค้อนที่สลับไปมาทั้งด้านในและด้านนอก

ผลักเข้าหากันแล้วเคลื่อนออกจากอากาศข้างๆ โมเลกุลของอากาศที่กระทบกับดรัมเฮดในขณะที่มันเคลื่อนที่ออกไปด้านนอกจะดีดตัวจากมันด้วยพลังงานและความเร็วที่มากกว่าปกติ โดยได้รับแรงผลักจากดรัมเฮด โมเลกุลที่เคลื่อนที่เร็วกว่านี้จะเคลื่อนที่ไปในอากาศโดยรอบ ดังนั้น ในชั่วขณะหนึ่งบริเวณข้างดรัมเฮดจึงมีโมเลกุลของอากาศที่มีความเข้มข้นมากกว่าปกติมัน จึงกลายเป็นบริเวณที่มีการบีบอัด

เมื่อโมเลกุลที่เคลื่อนที่เร็วกว่าจับโมเลกุลของอากาศ ในอากาศรอบๆ พวกมันชนกับพวกมัน และส่งผ่านพลังงานพิเศษของพวกมัน โมเลกุลของอากาศที่กระทบกับดรัมเฮดในขณะที่มันเคลื่อนที่กลับเข้าด้านในจะดีดกลับจากมันด้วยพลังงานและความเร็วที่น้อยกว่าปกติ ดังนั้น ชั่วครู่หนึ่ง บริเวณข้างดรัมเฮดจึงมีโมเลกุลของอากาศน้อยกว่าปกติมันจึงกลายเป็นส่วนที่หายาก โมเลกุลที่ชนกับโมเลกุลที่เคลื่อนที่ช้าเหล่านี้

ก็จะดีดตัวกลับด้วยความเร็วที่น้อยกว่าปกติ และบริเวณของการทำให้บริสุทธิ์จะเคลื่อนที่ออกไปด้านนอก ธรรมชาติของคลื่นของเสียงจะชัดเจนขึ้นเมื่อมีการวาดกราฟเพื่อแสดงการเปลี่ยนแปลงในความเข้มข้นของโมเลกุลอากาศ หนึ่งเมื่อจังหวะการอัดและการทำให้บริสุทธิ์สลับกันผ่านจุดนั้น กราฟสำหรับโทนเสียงบริสุทธิ์เดียว เช่น ที่เกิดขึ้นจากส้อมเสียง เส้นโค้งแสดงการเปลี่ยนแปลงของความเข้มข้น

มันเริ่มต้นโดยพลการในบางครั้ง เมื่อความเข้มข้นเป็นปกติและชีพจรการบีบตัวกำลังจะมาถึง ระยะห่างของแต่ละจุดบนเส้นโค้งจากแกนนอนแสดงว่าความเข้มข้นแตกต่างจากปกติมากน้อยเพียงใด การบีบอัดแต่ละครั้งและการทำให้บริสุทธิ์ต่อไปนี้รวมกันเป็นหนึ่งรอบ สามารถวัดรอบจากจุดใดก็ได้บนเส้นโค้งไปยังจุดถัดไปที่สัมพันธ์กัน ความถี่ของเสียงวัดเป็นรอบต่อวินาทีหรือเฮิรตซ์ แอมพลิจูดคือปริมาณที่มากที่สุด ซึ่งความเข้มข้นของโมเลกุลอากาศจะแปรผันไปจากค่าปกติ

ความยาวคลื่นของเสียงคือระยะทางที่สิ่งรบกวนเดินทางในหนึ่งรอบ ซึ่งสัมพันธ์กับความเร็วและความถี่ของเสียง หมายความว่าเสียงความถี่สูงมีความยาวคลื่นสั้นและเสียงความถี่ต่ำมีความยาวคลื่นยาว หูของมนุษย์สามารถตรวจจับเสียงที่มีความถี่ต่ำถึง 15 เฮิรตซ์ และสูงถึง 20,000 เฮิรตซ์ ในอากาศนิ่งที่อุณหภูมิห้อง เสียงที่มีความถี่เหล่านี้มีความยาวคลื่น 75 ฟุต และ 0.68 นิ้ว ตามลำดับ

ความเข้มหมายถึงปริมาณพลังงานที่ส่งมาจากสิ่งรบกวน เป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแอมพลิจูด ความเข้มวัดเป็นวัตต์ต่อตารางเซนติเมตรหรือเป็นเดซิเบล กำหนดระดับเดซิเบลดังนี้ ความเข้ม 10 ถึง 16 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร เท่ากับ 0 เดซิเบล เขียนในรูปแบบทศนิยม 10 ถึง 16 จะแสดงเป็น 0.0000000000000001 แต่ละวัตต์ที่เพิ่มขึ้นสิบเท่าต่อตารางเซนติเมตรหมายถึงการเพิ่มขึ้น 10 เดซิเบล ดังนั้น ความเข้ม 10 ถึง 15 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร

สามารถแสดงเป็น 10 เดซิเบล และความเข้ม 10 ถึง 4 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตรเป็น 120 เดซิเบล ความเข้มของเสียงจะลดลงอย่างรวดเร็วตามระยะทางที่เพิ่มขึ้นจากแหล่งกำเนิด สำหรับแหล่งกำเนิดเสียงขนาดเล็กที่แผ่พลังงานอย่างสม่ำเสมอในทุกทิศทาง ความเข้มจะแปรผกผันกับกำลังสองของระยะทางจากแหล่งกำเนิด นั่นคือที่ระยะสองฟุตจากแหล่งกำเนิด ความเข้มจะเท่ากับหนึ่งในสี่ของระยะห่างหนึ่งฟุต ที่สามฟุตก็มีขนาดใหญ่เพียงหนึ่งในเก้าเท่าฟุตเดียว เป็นต้น

ระดับเสียงขึ้นอยู่กับความถี่ โดยทั่วไป ความถี่ที่เพิ่มขึ้นทำให้เกิดความรู้สึกของระดับเสียงที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการแยกความแตกต่างระหว่างเสียงสองเสียงที่มีความถี่ใกล้เคียงกันจะลดลงในส่วนบนและส่วนล่างของช่วงความถี่ที่ได้ยิน นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างจากคนสู่คนในความสามารถในการแยกความแตกต่างระหว่างเสียงสองเสียงที่มีความถี่เกือบเท่ากัน

นักดนตรีที่ผ่านการฝึกอบรม บางคนสามารถตรวจจับความแตกต่างของความถี่ได้ตั้งแต่ 1 หรือ 2 เฮิรตซ์ เนื่องจากวิธีการทำงานของกลไกการได้ยิน การรับรู้ระดับเสียงจึงได้รับผลกระทบจากความเข้มเสียงด้วย ดังนั้นเมื่อนำส้อมเสียงที่สั่นที่ 440 เฮิรตซ์ ความถี่ของ A เหนือ C กลางบนเปียโน เข้ามาใกล้หูจะได้ยินเสียงโทนต่ำลงเล็กน้อย ราวกับว่าส้อมสั่นช้าลง เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วค่อนข้างสูง

ผู้ฟังที่อยู่นิ่งๆ จะได้ยินเสียงในระดับเสียงที่สูงขึ้น เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่เข้าหาตัวเขาหรือเธอ และเสียงในระดับเสียงที่ต่ำลง เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนห่างออกไป ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ปรากฏการณ์ด็อพเพลอร์ เกิดจากลักษณะคลื่นของเสียง โดยทั่วไปแล้ว การเพิ่มความเข้มจะทำให้เกิดความรู้สึกของความดังที่เพิ่มขึ้น แต่ความดังไม่ได้เพิ่มขึ้นตามสัดส่วนโดยตรงกับความเข้ม เสียง 50 เดซิเบลมีความเข้มเป็นสิบเท่าของเสียง 40 เดซิเบล

แต่จะดังกว่าสองเท่าเท่านั้น ความดังเพิ่มขึ้นสองเท่าเมื่อเพิ่มความเข้มขึ้น 10 เดซิเบล ความดังยังได้รับผลกระทบจากความถี่ เนื่องจากหูของมนุษย์ไวต่อบางความถี่มากกว่าความถี่อื่น เกณฑ์การได้ยิน ความเข้มเสียงต่ำสุดที่จะสร้างความรู้สึกของการได้ยินสำหรับคนส่วนใหญ่ คือประมาณ 0 เดซิเบล ในช่วงความถี่ 2,000 ถึง 5,000 เฮิรตซ์ สำหรับความถี่ที่ต่ำกว่าและสูงกว่าช่วงนี้ เสียงจะต้องมีความเข้มมากขึ้นจึงจะได้ยิน

ตัวอย่างเช่น เสียง 100 เฮิรตซ์ แทบไม่ได้ยินที่ 30 เดซิเบล เสียง 10,000 เฮิรตซ์ แทบไม่ได้ยินที่ 20 เดซิเบล ที่ 120 ถึง 140 เดซิเบล คนส่วนใหญ่รู้สึกไม่สบายทางร่างกายหรือความเจ็บปวดที่แท้จริง และระดับความรุนแรงนี้เรียกว่าเกณฑ์ของความเจ็บปวด ความเร็วของเสียงขึ้นอยู่กับความยืดหยุ่นและความหนาแน่นของตัวกลางที่เสียงเคลื่อนที่ผ่าน โดยทั่วไปแล้ว เสียงเดินทางได้เร็วกว่าในของเหลวมากกว่าในก๊าซ และเร็วกว่าในของแข็งมากกว่าในของเหลว

ยิ่งความยืดหยุ่นมากขึ้นและความหนาแน่นยิ่งน้อยลง เสียงก็จะเดินทางในตัวกลางได้เร็วยิ่งขึ้น ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์คือ ความเร็ว = ความยืดหยุ่นและความหนาแน่น ผลของความยืดหยุ่นและความหนาแน่นต่อความเร็วของเสียง เมื่อเปรียบเทียบความเร็วของอากาศและเสียงคุณสมบัติเท่าๆกัน แต่ความหนาแน่นของไฮโดรเจนน้อยกว่าอากาศ

ดังนั้นเสียงจึงเดินทางในไฮโดรเจนได้เร็วกว่าในอากาศแม้ว่าความหนาแน่นของอากาศจะน้อยกว่าเหล็กมาก แต่ความยืดหยุ่นของเหล็กก็สูงกว่าอากาศมาก ดังนั้นเสียงจึงเดินทางในเหล็กได้เร็วกว่าในอากาศ ความเร็วของเสียงในวัสดุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในก๊าซหรือของเหลว จะแปรผันตามอุณหภูมิ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจะส่งผลต่อความหนาแน่นของวัสดุ

ตัวอย่างเช่น ในอากาศ ความเร็วของเสียงจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ที่อุณหภูมิ 32 องศาฟาเรนไฮต์ ความเร็วของเสียงในอากาศคือ 1,087 ฟุตต่อวินาที ที่อุณหภูมิ 68 องศาฟาเรนไฮต์ คือ 1,127 ฟุตต่อวินาที คำว่าความเร็วต่ำกว่าเสียง และอัตราเร็วเหนือเสียง หมายถึงความเร็วของวัตถุ เช่น เครื่องบิน ซึ่งสัมพันธ์กับความเร็วของเสียงในอากาศโดยรอบ ความเร็วต่ำกว่าความเร็วเสียง ความเร็วเหนือเสียงเหนือความเร็วเสียง

วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเหนือเสียงจะสร้างคลื่นกระแทกมากกว่าคลื่นเสียงทั่วไป คลื่นกระแทกเป็นคลื่นอัดที่เมื่อเกิดขึ้นในอากาศ มักจะได้ยินเป็นเสียงโซนิคบูม ความเร็วของวัตถุที่มีความเร็วเหนือเสียงมักจะแสดงในรูปของเลขมัค ซึ่งเป็นอัตราส่วนของความเร็วของวัตถุต่อความเร็วของเสียงในอากาศโดยรอบ

บทความที่น่าสนใจ : เลเซอร์ การศึกษาและการอธิบายของพื้นฐานทางสเปกโทรสโกปี