ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์และคลื่นกระแทก

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (Doppler Effect) หรือบางครั้งเรียกว่า การเคลื่อนดอปเพลอร์ (Doppler shift) เป็นปรากฏการณ์ทางวิทยาศาสตร์อย่างหนึ่งที่ตั้งชื่อตาม คริสเตียน ดอปเพลอร์ เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงความถี่ของคลื่นและความยาวคลื่นในมุมมองของผู้สังเกตเมื่อมีการเคลื่อนที่ที่สัมพันธ์กับแหล่งกำเนิดคลื่นนั้น พบเห็นได้ทั่วไปในชีวิตประจำวันเช่น เมื่อมีรถพยาบาลส่งสัญญาณไซเรนเคลื่อนเข้าใกล้ ผ่านตัวเรา และวิ่งห่างออกไป คลื่นเสียงที่เราได้ยินจะมีความถี่สูงขึ้น (กว่าคลื่นที่ส่งออกมาตามปกติ) ขณะที่รถเคลื่อนเข้ามาหา คลื่นเสียงมีลักษณะปกติขณะที่รถผ่านตัว และจะมีความถี่ลดลงเมื่อรถวิ่งห่างออกไป

ก. เมื่อผู้ฟัง สังเกตแหล่งกำเนิดเสียงที่กำลังหยุดนิ่ง

เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงให้เสียงออกมา เสียงก็จะกระจายออกไปทุกทิศทางด้วยความยาวคลื่นที่เท่ากัน ถ้าแหล่งกำเนิดเสียงหยุดนิ่ง เราจะพบว่าเสียงที่ผู้ฟังได้ยินจะมีความยาวคลื่นเดียวกับที่แหล่งกำเนิดเสียงให้ออกมาดังรูปที่ 1

รูปที่ 1  แสดงความยาวคลื่นทุกด้านเท่ากัน เมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นเสียงอยู่นิ่ง

ข. เมื่อผู้ฟังหรือแหล่งกำเนิดเสียงคลื่อนที่

แต่ถ้าผู้ฟังหรือแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ ความยาวคลื่นที่ออกไปด้านหน้าของแหล่งกำเนิดเสียงจะสั้นลง ส่วนความยาวคลื่นด้านหลังของแหล่งกำเนิดเสียงซึ่งเคลื่อนที่ผ่านไป จะมีความยาวคลื่นยาวมากขึ้น ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสดงความยาวคลื่นด้านหน้าและด้านหลังไม่เท่ากัน เมื่อแหล่งกำเนิดสียงเคลื่อนที่

                  ปรากฏการณ์นี้ เราจะได้ยินเสียงความถี่ผิดไปจากที่แหล่งกำเนิดให้ออกมา (ทั้งๆ ที่แหล่งกำเนิดเสียงให้เสียงความถี่เท่าเดิม) เราเรียกว่าเกิด ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์

รูปที่ 3 แสดงแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่นที่ไปทางขวา ความยาวคลื่นด้านหน้าสั้นกว่าด้านหลัง

เราสามารถพิจาณาหาความยาวคลื่นเสียง และความถี่ที่ผู้ฟังได้รับได้ดังนี้

1.ความยาวคลื่นเสียง

1.1  ความยาวคลื่นเสียงด้านหน้า พิจารณาได้จากสมการ

1.2 ความยาวคลื่นเสียงด้านหลัง พิจารณาได้จากสมการ

0x11

2. ความถี่เสียงที่ผู้ฟังได้รับ

การที่ผู้สังเกตจะได้ยินเสียงที่ปรากฏว่ามีความถี่เสียงสูงขึ้น หรือต่ำลงกว่าปกตินั้น  ให้สังเกตว่า ถ้าเกิดการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดและผู้สังเกต สัมพัทธ์แบบทำให้ระยะห่างระหว่างกันลดลงเรื่อยๆ เป็นลักษณะการเข้าหา ผู้สังเกตจะได้ยินเสียงที่มีความถี่สูงกว่าปกติ  ส่วนในทางตรงกันข้าม เกิดการสัมพัทธ์ที่ระยะห่างระหว่างผู้ฟังกับแหล่งกำเนิดเสียงเพิ่มมากขึ้น เป็นลักษณะการออกจากกัน  ผู้สังเกตจะได้ยินเสียงที่มีความถี่ต่ำกว่าปกติ  สามารถพิจารณาได้จาก

หมายเหตุ  ในการพิจารณาเครื่องหมาย + หรือ – ให้กำหนดดังนี้

ถ้า Vo , Vs มีทิศสวนทางกับ  V ให้แทนเครื่องหมาย +

Vo , Vs มีทิศเดียวกันกับ  V ให้แทนเครื่องหมาย –

โดยทิศของ V จะมีทิศพุ่งเข้าหาผู้ฟังเสมอ

คลื่นกระแทก 

คลื่นกระแทก  คือ ปรากฏการณ์ที่หน้าคลื่นเคลื่อนที่มาเสริมกันในลักษณะที่เป็นหน้าคลื่นวงกลมซ้อนเรียงกันไป โดยที่มีแนวหน้าคลื่นที่มาเสริมกันมีลักษณะเป็นรูปตัว V อันเนื่องมาจากแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่มากกว่าความเร็วของคลื่นในตัวกลาง ( Vs>V ) เช่น คลื่นกระแทกของคลื่นที่ผิวน้ำขณะที่เรือกำลังวิ่ง หรือคลื่นเสียงก็เกิดขึ้นเมื่อเครื่องบินบินเร็วกว่าอัตราเร็วของเสียงในอากาศ 

รูป แสดงคลื่นกระแทกที่เกิดขึ้นเมื่อเครื่องบินมีความเร็วมากกว่าความเร็วเสียง

ถ้าอัตราเร็วของเครื่องบินมากกว่ามากกว่าอัตราเร็วเสียงในอากาศมากๆ จนกระทั่งทำให้รูปกรวยยิ่งเล็กลงมากๆ แล้วทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความดันอย่างมาก และรวดเร็วเป็นผลทำให้เกิดเสียงดังคล้ายเสียงระเบิดบริเวณคลื่นกระแทกนี้เคลื่อนที่ผ่าน  อาจทำให้กระจกหน้าต่างแตกได้  เสียงที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า“ซอนิกบูม ( Sonic Boom )”

เลขมัค  คือ ตัวเลขที่บอกให้เราทราบว่า อัตราเร็วของแหล่งกำเนิดคลื่น  มีค่าเป็นกี่เท่าของอัตราเร็วของคลื่นในตัวกลาง เช่น เครื่องบินไอพ่นบินด้วยความเร็ว 2 มัค หมายความว่าเครื่องบินกำลังบินด้วยความเร็ว 2 เท่าของความเร็วเสียงในอากาศ  เลขมัคถูกเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ ” M ”  พิจารณาได้ดังนี้

ก

 

Advertisements

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s