โซนาร์

          หลักการของเสียงสะท้อนได้ถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างมากมาย เช่นใช้ในการหาความลึกของน้ำ ใช้ในการหาเรือที่จมอยู่ใต้ทะเล ใช้หากลุ่มฝูงปลา หรือใช้ในการหาเรือที่ลอยอยู่ในมหาสมุทร
 

โซนาร์ (sonar) เป็นระบบที่ใช้ตรวจวัดเสียงที่สะท้อนกลับมา คำว่า sonar มาจากตัวอักษรตัวแรกของคำว่า Sound navigation and ranging ศัพท์คำว่า "navigation" หมายถึง การหาเส้นทางเดินรอบๆ มหาสมุทร (หรือในอากาศ) ส่วนคำว่า "ranging" หมายถึง การหาระยะทางระหว่างวัตถุ เรือดำน้ำและเรือทั่วๆ ไปใช้โซนาร์เพื่อเสาะหาเรือดำน้ำอื่นๆ หรือเรือลำอื่นๆ โดยการส่งคลื่นเสียงผ่านน้ำลงไป เมื่อคลื่นกระทบกับเรืออีกลำหนึ่งที่อยู่ใกล้ผิวน้ำ คลื่นจะสะท้อนกลับมาและถูกวัดได้ด้วยเครื่องโซนาร์

รูปที่ 1 โซนาร์ถูกนำมาใช้ในการหาระยะทางและบอกตำแหน่งวัตถุที่อยู่ใต้น้ำ ประยุกต์ใช้แนวคิด  ในการคำนวณหาว่าคลื่นเสียงเดินทางได้เป็นระยะทางเท่าไรนั้น นักเรียนจำเป็นต้องรูปปริมาณสองปริมาณคืออะไรบ้าง

   โซนาร์ทำงานอย่างไร
 
           เครื่องโซนาร์หรือเครื่องหาระยะทางจะสร้างคลื่นที่มีความถี่สูงมากหรือคลื่นเหนือเสียงขึ้นมาเพื่อให้เดินทางในน้ำ เมื่อคลื่นนี้กระทบกับวัตถุหรือก้นทะเล คลื่นจะสะท้อนกลับ คลื่นที่สะท้อนกลับออกมาจะวัดได้ด้วยเครื่องโซนาร์ เครื่องโซนาร์จะวัดเวลาตั้งแต่ปล่อยคลื่นเสียงจนกระทั่งได้รับคลื่นสะท้อนกลับมา ข้อมูลที่ได้นี้จะใช้ในการคำนวณหาระยะทางที่คลื่นเสียงเดินทาง ความเข้มของเสียงที่สะท้อนกลับบ่งบอกถึงขนาด และรูปร่างของวัตถุที่สะท้อนคลื่นกลับออกมา

 คำนวณหาระยะทาง
 
           คลื่นเสียงเดินทางยิ่งไกลเท่าใดก่อนที่จะสะท้อนกับสิ่งกีดขวาง ก็ยิ่งใช้เวลานานเท่นั้นในการที่จะย้อนกลับ การคำนวณหาความลึกของน้ำ เครื่องโซนาร์จะคำนวณระยะทางที่เสียงเดินทางได้โดย การวัดเวลาที่คลื่นใช้ในการเดินทางไปและย้อนกลับ เครื่องโซนาร์จะนำเอาอัตราเร็วของเสียงในน้ำมาคูณกับเวลาที่วัดได้ ก็จะได้ระยะทางที่เสียงเดินทางทั้งหมด ซึ่งเป็นสองเท่าของความลึกของน้ำ เนื่องจากคลื่นเดินทางสู่ก้นทะเลและย้อนกลับ เครื่องโซนาร์จะหารระยะทางที่คำนวณได้ด้วยสองเพื่อให้เป็นความลึกจริง

           þ จุดตรวจสอบ  ให้บอกประโยชน์ของการใช้โซนาร์มา  3  อย่าง

 การหักเหของเสียง (Refraction of sound)

 การหักเหของเสียง
 
           เนื่องจากอัตราเร็วในอากาศขึ้นกับอุณหภูมิ เมื่อบริเวณ 2 แห่ง มีอุณหภูมิของอากาศแตกต่างกัน เสียงเคลื่อนที่จากบริเวณหนึ่งไปยังอีกบริเวณหนึ่งจะเกิดการหักเหทำให้คลื่นเสียงเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น การที่เราเห็นฟ้าแลบ บางครั้งไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง เพราะเสียงได้หักเหไปทางอื่น จึงมาไม่ถึงหูผู้ฟัง
 
           การหักเหของเสียง  เมื่อเดินทางผ่านตัวกลางต่างชนิดกัน หรือตัวกลางชนิดเดียวกันแต่อุณหภูมิต่างกัน จะมีเงื่อนไขเหมือนกับคลื่นน้ำ

ซึ่งจะเห็นว่าเมื่อเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมาก ทำให้คลื่นมีทิศทางเบนออกจากเส้นปกติ และถ้าเสียงเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำไปบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงจะทำให้คลื่นเบนออกจากเส้นปกติ ซึ่งจะนำไปอธิบายปรากฏการณ์การเกิดฟ้าแลบฟ้าร้องในธรรมชาติได้ดังนี้           1. การหักเหของเสียงตอนกลางวัน                     เสียงจะหักเหขึ้นสู่อากาศเบื้องบนเพราะอากาศที่พื้นดินมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศเบื้องบน ดังรูป

2. การหักเหของเสียงตอนกลางคืน                     เสียงจะหักเหลงสู่พื้นดินเพราะอากาศเบื้องบนมีอุณหภูมิสูงกว่าพื้นดิน ดังรูป

3. การที่ฟ้าแลบแล้วไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง                     เพราะในขณะที่เกิดฟ้าแลบ อากาศเบื้องบนจะมีอุณหภูมิต่ำกว่าเบื้องล่าง ทำให้เสียงจากฟ้าแลบเคลื่อนที่จากอากาศอุณหภูมิต่ำไปสู่อุณหภูมิสูง โดยเบนจากเส้นปกติ เมื่ออากาศมีลักษณะต่างกันมาก จะทำให้เกิดการสะท้อนกลับหมดได้ดังรูป ทำให้ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง

การเลี้ยวเบนของเสียง (Diffraction of sound)

การเลี้ยวเบนของเสียง              คลื่นเสียงสามารถเลี้ยวเบนผ่านสิ่งกีดขวางทึบ ที่เป็นมุมหรือช่องเล็กๆ ได้ เหมือนกับคลื่นอื่นๆ ในชีวิตประจำวันที่เราพบเกี่ยวกับ ปรากฏการณ์เลี้ยวเบน ได้แก่ การได้ยินเสียงแตรรถอ้อมผ่านมุมตึก ทำให้ผู้ฟังที่อยู่อีกด้านหนึ่งได้ยิน หรือเสียงลอดช่องจากห้องหนึ่งไปยังอีกห้องหนึ่ง เป็นต้น

การเลี้ยวเบนจะเกิดได้ดี  เมื่อ  ช่องแคบมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่น                                                      หรือ  ความยาวคลื่นต้องใหญ่กว่าช่องแคบ นั่นเอง

 การแทรกสอดของเสียง (Interference of sound) 

 การแทรกสอดของคลื่นเสียง
 
           นักเรียนคงเคยได้ยินเสียงที่เกิดจากการแทรกสอดซึ่งกันและกัน เพียงแต่ไม่รู้ว่าเสียงนั้นเป็นเสียงที่เกิดจากการแทรกสอด การแทรกสอดเกิดขึ้นเมื่อคลื่นมากกว่าสองคลื่นมากระทำซึ่งกันและกัน แอมพลิจูดของคลื่นทั้งสองคลื่นจะมารวมกันทำให้ความดังของเสียงเปลี่ยนแปลงไป เมื่อมีการแทรกสอดแบบเสริม ส่วนอัดของคลื่นจะเกิดที่ตำแหน่งตรงกัน ทำให้แอมพลิจูดรวมเพิ่มขึ้น เสียงที่ได้ยินจะเป็นเสียงที่ดังมากขึ้นกว่าเสียงเดิม ถ้าการแทรกสอดเป็นแบบหักล้าง ส่วนอัดของคลื่นลูกหนึ่งจะตรงกับส่วนขยายของคลื่นอีกลูกหนึ่งพอดี ทำให้แอมพลิจูดหักล้างกันไป เสียงที่ได้ยินจะเป็นเสียงค่อย หรือบางครั้งอาจจะไม่ได้ยินเลย
 

อะคูสติก           การที่เสียงเกิดการกระทำซึ่งกันและกันนั้นมีบทบาทสำคัญอย่างมาก ในการออกแบบห้องแสดงคอนเสิร์ต ในห้องแสดงคอนเสิร์ต คลื่นเสียงจากหลายๆ ความถี่เดินทางมาถึงหูผู้ฟังจากหลายๆ ทิศทางในเวลาพร้อมกัน เสียงนี้อาจจะมาจากวงออร์เคสตร้าโดยตรง หรือมาจากการสะท้อนกับกำแพง หรือฝาผนังก่อนที่จะถึงหูผู้ฟัง ผู้ฟังที่นั่งในตำแหน่งต่างกัน อาจจะได้ยินเสียงที่ต่างกัน ทั้งนี้เพราะว่าการกระทำของคลื่นเสียงที่ตำแหน่งต่างๆ เป็นลักษณะเฉพาะตัว ห้องแสดงคอนเสิร์ตที่ออกแบบได้ไม่ดี ที่นั่งของผู้ฟังอาจจะอยู่ในตำแหน่งที่ทำให้เสียงเกิดการแทรกสอดกันแบบหักล้าง เสียงที่ได้ยินจึงเป็นเสียงที่ไม่ชัดเจน

รูปที่ 1 ห้องแสดงคอนเสิร์ตจะถูกออกแบบมาเพื่อให้ได้คุณภาพเสียงที่ดีที่สุด การออกแบบจะคำนึงถึงการกำจัดเสียงก้องและเสียงสะท้อน ที่ทำให้เกิดการแทรกสอดแบบหักล้าง

           อะคูสติก (Acoustics) เป็นการศึกษาการได้ยินของเสียงในห้องทั่วๆ ไป หรือในห้องแสดงคอนเสิร์ตว่าเป็นอย่างไรในการออกแบบหอประชุม วิศวกรทางด้านเสียงจำเป็นต้องพิจารณาอย่างพิถีพิถันถึงรูปร่างของหอประชุม และวัสดุที่จะใช้ในการติดผนัง พื้น เพดานและที่นั่ง เพราะว่าต้องการให้วัสดุเหล่านี้ดูดกลืนพลังงานเสียงแทนที่จะสะท้อนเสียงกลับออกมา ซึ่งทำให้เกิดการแทรกสอดของเสียงได้

 เชื่อมโยงกับเทคโนโลยี : การกำจัดเสียงรบกวน
 
           บางครั้งการแทรกสอดแบบหักล้างก็ถูกนำมาใช้ให้เป็นประโยชน์ ผู้โดยสารบนเครื่องบินใช้หูฟังเพื่อฟังเสียงดนตรี แต่จริงๆ แล้วเสียงเครื่องยนต์ของเครื่องบินเองก็ดังพอสมควร ซึ่งอาจทำให้ได้ยินเสียงดนตรีไม่ชัดเจน ดังนั้นหูฟังของบางสายการบินจะใช้หลักการการแทรกสอดแบบหักล้างกัน เพื่อกำจัดเสียงรบกวนจากเครื่องยนต์ที่ดังตลอดเวลา โดยหูฟังจะผลิตเสียงที่ทำให้เกิดการแทรกสอดแบบหักล้างกับเสียงของเครื่องยนต์ ดังนั้นหูฟังของผู้โดยสารจึงได้รับสัญญาณเสียงจากทั้งเสียงเครื่องยนต์และคลื่นเสียงที่ผลิตจากหูฟัง คลื่นสองคลื่นนี้จะหักล้างกันออกไป ทำให้ผู้โดยสารไม่ได้ยินเสียงทั้งสองคลื่นนี้ แต่จะได้ยินเฉพาะเสียงดนตรี เทคโนโลยีในลักษณะนี้ได้ถูกนำมาใช้ในโรงงาน ทำให้คนงานในโรงงานสามารถลดการได้ยินเสียงดังจากเสียงรบกวน เพื่อสุขภาพที่ดี