สมบัติการสะท้อนของคลื่น

สมบัติของคลื่น คลื่นต้องมีสมบัติครบทั้ง 4 ข้อ ได้แก่
               1.  การสะท้อนกลับ ( Reflection )
               2.  การหักเห (Refraction)
               3.  การแพร่กระจายคลื่น (Diffraction )
               4.  การแทรกสอดของคลื่น ( Interference )
1. การสะท้อนของคลื่น(reflection)
การสะท้อนของคลื่นเป็นปรากฏการณ์ที่สำคัญประการหนึ่งของคลื่น ถือได้ว่าเป็นสมบัติของคลื่นอย่างหนึ่ง จะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปพบสิ่งกีดขวาง หรือเปลี่ยนตัวกลางในการเคลื่อนที่ โดยคลื่นที่เคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวางเรียกว่า คลื่นตกกระทบ และคลื่นที่สะท้อนออกมาเรียกว่าคลื่นสะท้อน การสะท้อนของคลื่นต้องเป็นไปตามกฏการสะท้อนของคลื่น ดังนี้

กฏการสะท้อนคลื่น
1. มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อนเสมอ
2. รังสีตกกระทบ เส้นปกติ รังสีสะท้อน อยู่ในระนาบเดียวกัน
ผลของการสะท้อนของคลื่นที่ควรทราบ คือ
1. ความถี่ของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับความถี่ของคลื่นตกกระทบ
2. อัตราเร็วและความยาวคลื่นของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับอัตราเร็วและความยาวคลื่นของคลื่นตกกระทบ
3. ถ้าการสะท้อนไม่สูญเสียพลังงาน จะได้แอมพลิจูดของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับแอมพลิจูดของคลื่นตกกระทบ
การสะท้อนของคลื่นผิวน้ำ
คลื่นสะท้อนเป็นแบบปลายอิสระ(เฟสของคลื่นสะท้อนจะไม่เปลี่ยนแปลง)
(ก) การสะท้อนของคลื่นหน้าตรง กับผิวสะท้อนตรง จะได้คลื่นสะท้อนหน้าตรง

(ข) หน้าคลื่นวงกลมตกกระทบกับวัตถุผิวสะท้อนตรง ได้หน้าคลื่นสะท้อนเป็นหน้าคลื่นวงกลม

(ค) หน้าคลื่นตรง ตกกระทบผิวสะท้อนโค้งนูน ได้คลื่นสะท้อนเป็นหน้าคลื่นวงกลม

(ง) หน้าคลื่นวงกลม ตกกระทบผิวสะท้อนโค้งนูน ได้คลื่นสะท้อนเป็นหน้าคลื่นวงกลม

(จ) หน้าคลื่นตรง ตกกระทบผิวสะท้อนโค้งเว้า(พาราโบลา) ได้หน้าคลื่นสะท้อนวงกลมแผ่ออกจากจุดโฟกัสของโค้งพาราโบลา

(ฉ) หน้าวงกลม กำเนิดจากจุดโฟกัสของโค้งพาราโบลา ตกกระทบผิวสะท้อนโค้งเว้า(พาราโบลา) ได้หน้าคลื่นสะท้อนเป็นคลื่นหน้าตรง (ลักษณะตรงกันข้ามกับ หัวข้อ (จ) )
การสะท้อนคลื่นในเส้นเชือก
(ก) การสะท้อนของคลื่นในเส้นเชือกปลายอิสระ(คล้องปลายไว้หลวมๆ) คลื่นสะท้อนจะมีเฟสเหมือนเฟสของคลื่นตกกระทบ

คลื่นสะท้อนและคลื่นตกกระทบเฟสไม่เปลี่ยนแปลง

(ข) การสะท้อนของคลื่นในเส้นเชือกปลายตรึงแน่น(มัดปลาย ไว้แน่น) คลื่นสะท้อนจะมีเฟสตรงกันข้ามกับเฟสของคลื่นตกกระทบ

คลื่นเชือกสะท้อนแบบปลายตรึง เฟสเปลี่ยนไป 180 องศา

คลื่นสะท้อน เฟสเปลี่ยนแปลงไปเป็นเฟสตรงกันข้าม(เปลี่ยนไป 180 องศา)

(ค) การสะท้อนของเชือกสองเส้นที่ต่อกัน

1. คลื่นจากเชือกเส้นเล็กไปยังเชือกเส้นใหญ่ จะสะท้อนกลับมีเฟสตรงกันข้ามและแอมปลิจูดลดลง

2. คลื่นจากเชือกเส้นใหญ่ไปยังเชือกเส้นเล็ก จะสะท้อนกลับมีเฟสเหมือนเดิมและแอมปลิจูดลดลง

คลื่นเสียง

เสียงก้อง		..การสะท้อนของเสียงถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างมากมาย ดังตัวอย่างที่นำเสนอต่อไปนี้ 1. การหาความลึกของทะเล การหาฝูงปลา การตรวจจับเรือดำน้ำหรือวัตถุที่จมอยู่ใต้น้ำ โดยส่งสัญญาณเสียงโซนาร์ออกไป แล้วจับเวลาที่สัญญาณเสียงสะท้อนกลับมา แล้วจึงนำมาคำนวณหาความลึกของทะเล โซนาร์ .....เครื่องโซนาร์ (sonar) ย่อมาจาก sound navigation and ranging เป็นเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์สำหรับตรวจหาวัตถุใต้น้ำ มีหลักการทำงานทำนองเดียวกับเครื่องเรดาร์แต่โซนาร์ใช้คลื่นเสียง(เรดาร์ใช้ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) และต้องใช้ในน้ำแทนที่จะใช้ในอากาศดังเช่นเรดาร์ เครื่องโซนาร์อาจใช้ค้นหาเรือดำน้ำ หาตำแหน่งของเรือที่จมในทะเล หาฝูงปลาและหยั่งความลึกของท้องทะเลได้อย่างดี .....หลัก การทำงานของเครื่องโซนาร์ เริ่มต้นจากเครื่องโซนาร์ส่งเสียงที่มีความถี่สูงเกินกว่าหูมนุษย์จะได้ยิน (คลื่นเหนือเสียง) ผ่านไปในน้ำ เสียงนั้นมีความถี่ประมาณ 50,000 เฮิรตซ์ เมื่อเสียงนั้นเดินทางไปกระทบวัตถุ เช่น เรือดำน้ำ หรือพื้นทะเล ก็จะสะท้อนกลับมาเข้าเครื่องรับ โดยการวัดช่วงเวลาที่เสียงเดินทางไปและกลับ ก็จะสามารถคำนวณหาระยะทางของวัตถุจากความเร็วของคลื่นเสียงใต้น้ำได้ โซนาร์อาจแบ่งออกไปได้เป็น 2 แบบตามลักษณะของการส่งคลื่นเสียง คือ ..1. โซนาร์แบบส่อง (search-light type sonar) โซนาร์ แบบนี้ส่งคลื่นเสียงออกไปเป็นมุมจำกัด ..2. โซนาร์แบบกราด (scanning type sonar) โซนาร์แบบนี้ ส่งคลื่นเสียงกระจายออกไปรอบตัวเป็นรูปวงแหวนด้วยกำลังเท่ากันทุกทิศ .....คลื่น เสียงที่เครื่องโซนาร์ส่งออก เป็นคลื่นเสียงที่เปลี่ยนมาจากสัญญาณไฟฟ้า การเปลี่ยนคลื่นเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้า และการเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้ากลับเป็นคลื่นเสียง ต้องใช้อุปกรณ์ที่มีชื่อเรียกว่า ทรานสดิวเซอร์ (transducer) มี 2 แบบ คือ ..1. ทรานสดิวเซอร์ที่ใช้สมบัติในการเกิดอำนาจแม่เหล็กของโลหะบางชนิด (transducer magneto-striction)ใช้หลอดนิกเกิลรูปทรงกระบอกจำนวนมากยึดติดไว้กับแผ่นไดอะ แฟรมบางๆ หลอดนิกเกิลทุกหลอดมีขดลวดพันอยู่โดยรอบ เมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวด ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก หลอดนิกเกิลจะหดตัว ทำให้ยืดๆ หดๆ ตามจังหวะสัญญาณไฟฟ้าการยืดและหดตัวสลับกันไปนี้ จะทำให้แผ่นไดอะแฟรมเคลื่อนไหวและจะทำให้เกิดเสียง แต่ในทางตรงกันข้าม ถ้ามีเสียงสะท้อนเข้ามา ก็จะเกิดสัญญาณไฟฟ้าขึ้นที่ขดลวด ทรานสดิวเซอร์แบบนี้เหมาะสำหรับใช้ในงานวัดระยะ ..2. ทรานสดิวเซอร์ที่อาศัยสมบัติของผลึกแร่บางชนิด ซึ่งสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าเมื่อได้รับแรงดัน (transducer piezoelectric) ใช้ผลึกของแร่ควอตซ์หรือโรเชลล์ซอลต์ (rochelle salt เป็นเกลือทาเทรตของโซเดียมและโพแทสเซียม) จำนวนมากติดกับแผ่นไดอะแฟรม เมื่อมีไฟฟ้าผ่านเข้าผลึก จะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนเป็นเสียงขึ้น ในทางตรงข้ามถ้ามีเสียงเดินทางมาถูกแผ่นไดอะแฟรม จะทำให้เกิดไฟฟ้าขึ้นที่ผิวของผลึก ทรานสดิวเซอร์แบบนี้เหมาะสำหรับใช้ในการเฝ้าฟังเสียง แต่มีข้อเสียตรงที่ส่งคลื่นได้ไม่แรง และผลึกอาจแตกได้ง่าย ถ้าแรงดันไฟฟ้าที่ผ่านผลึกแรงเกินไป การคำนวณระยะทางด้วยระบบโซนาร์ รูป ก. การสะท้อนของเสียงเมื่อเสียงตกกระทบตั้งฉากกับผิวสะท้อน รูป ข. การสะท้อนของเสียงเมื่อเสียงตกกระทบทํามุม θ กับผิวสะท้อน .....การคํานวณในเรื่องการสะท้อน ใช้สูตร s =vt ..............งงงง.........เมื่อ s เป็นระยะทางทั้งหมดที่เสียงเคลื่อนที่ .................งงงง...........v เป็นอัตราเร็วเสียงในน้ำ ...............งงงง.............t เป็นเวลาที่เสียงใช้เคลื่อนที่ไปและกลับ หมายเหตุ การคำนวณความลึกตามสถานการณ์ในรูป ข. ต้องคำนวณระยะทางที่เรือเคลื่อนที่ประกอบด้วย ตัวอย่าง เรือลำหนึ่งลอยนิ่งอยู่ในทะเลได้ส่งคลื่นสัญญาณเสียงลงไปในน้ำทะเล และได้รับสัญญาณเสียงนั้นกลับมาในเวลา 0.6 วินาที เมื่ออัตราเร็วของเสียงในน้ำทะเลมีค่า 1,500 m/s ทะเล ณ บริเวณนั้นลึกเท่าไร วิธีทำ จากรูปเสียงเดินทางในน้ำทะเลไป-กลับ เป็นระยะทาง 2x ในเวลา 0.6 วินาที ......................................จาก ..s = vt ........................................... 2x = 1500(0.6) ........................................... 2x = 900 ............................................ x = 450 m นั่นคือ ทะเลบริเวณนั้นลึก 450 เมตร (ข้อควรระวังคือโจทย์ถามหาความลึกของทะเลซึ่งหมายถึงระยะทางครึ่งหนึ่งของระยะทางไป-กลับ) 2. การสำรวจทางธรณีวิทยา การสะท้อนของเสียงยังถูกนำมาใช้ประโยชน์ในการสำรวจเกี่ยวกับลักษณะของชั้น หินที่อยู่ใต้ดินโดยการจับเวลาที่เสียงสะท้อนจากชั้นหิน แล้วนำมาวิเคราะห์ เพื่อให้ทราบถึงโครงสร้างของช้ันหิน ซึ่งจะบอกถึงทรัพยากรที่อาจมีอยู่ในหินนั้นๆ ตัวอย่างเช่น การสำรวจคลื่นไหวสะเทือนในทะเล ซึ่งมีอุปกรณ์ที่ใช้ในการสำรวจ ดังนี้ ..1. เรือสำรวจ พร้อมอุปกรณ์การสำรวจ และระบบสื่อสารที่ทันสมัย เรือสำรวจมีความยาวประมาณ 50-80 เมตร กว้าง 15-20 เมตร Tonnage Gross ประมาณ 3,000-6,000 ตัน ..2. อุปกรณ์ต้นกำเนิดสัญญาณคลื่น (Air Gun) เป็นรูปทรงกระบอก ใช้อัดอากาศ ให้มีความดัน ประมาณ 2,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว แล้วปล่อยอากาศออกมา ทำให้เกิดสัญญาณคลื่น ..3. อุปกรณ์รับสัญญาณคลื่น (Hydrophone) อยู่ลึกจากผิวน้ำ 5-8 เมตร ต่อพ่วงกัน ยาวประมาณ 3,000 เมตร มีจำนวน 1 สาย หรือมากกว่า ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเคลื่อนย้าย สิ่งกีดขว้างต่างๆ ออกจากแนวสำรวจ รูปจำลองการสำรวจคลื่นไหวสะเทือนในทะเล ขั้นตอนการสำรวจ ..1. ก่อนเริ่มการสำรวจประมาณ 3-5 วัน จะต้องเคลื่อนย้ายสิ่งกีดขวาง และอุปกรณ์ประมงต่างๆ ออกจากแนวสำรวจ รวมทั้ง ติดต่อกับเรืออื่นๆ ไม่ให้แล่นตัดเข้ามาในแนวของเรือสำรวจ ในช่วงดำเนินการ อุปกรณ์ประมง รวมทั้งสิ่งกีดขวางที่ถูกเคลื่อนย้าย จะมีการจดบันทึกรายละเอียด หมายเลข รหัส ตำแหน่ง พิกัด ไว้เป็นหลักฐานหาก มีความเสียหาย ก็จะได้รับการชดเชยค่าเสียหาย ตามความเป็นจริง ต่อไป ..2. กำหนดตำแหน่งเรือสำรวจตามแนวที่วางไว้ในแผนที่ โดยอาศัยเครื่องมือบอกตำแหน่ง DGPS ซึ่งจะส่งสัญญาณจากดาวเทียม และสถานีภาคพื้นดินเป็นตัวเปรียบเทียบ เพื่อบอกตำแหน่งที่แน่นอนของเรือสำรวจ ..3. เรือสำรวจแล่นด้วยความเร็วคงที่ตามแนวที่กำหนดไว้ (ส่วนใหญ่จะอยู่ในแนวทิศตะวันออก-ตะวันตก และทิศเหนือ-ใต้) อุปกรณ์ต้นกำเนิดคลื่นเสียงจะส่งสัญญาณคลื่นทุก 5-10 วินาที ผ่านน้ำทะเลลงไปสู่ชั้นดิน-หินใต้พื้นทะเล และสะท้อนกลับมา สู่ตัวรับสัญญาณ ..4. สัญญาณที่ได้จะถูกบันทึกลงบนแถบแม่เหล็ก ซึ่งจะต้องประมวลผลด้วยคอมพิวเตอร์ เพื่อแสดงภาพตัดขวางใต้ผิวดิน แสดงลักษณะโครงสร้างทางธรณี และการวางตัวของชั้นหิน ..5. ข้อมูลการสำรวจที่ผ่านการประมวลผลทางคอมพิวเตอร์ จะถูกนำไปแปลความหมายโดยนักธรณีฟิสิกส์ เพื่อตรวจสอบลักษณะการวางตัว โครงสร้างของชั้นหิน และเป็นข้อมูลสำคัญในการพิจารณากำหนดตำแหน่งหลุมเจาะสำรวจ หรือหลุมพัฒนาต่อไป ที่มา : กรมเชื้อเพลิงธรรมชาติ 3. การออกแบบอาคารต่างๆ เพื่อไม่ให้เกิดเสียงก้อง โดยพิจารณาจากขนาด รูปร่างและชนิดของวัสดุที่ใช้ทำผิวสะท้อน เป็นต้น เช่น การออกแบบ Concert Hall เพื้อสุนทรียภาพในการรับฟังของผู้ชม (ศึกษารายละเอียดเพิ่มเติมได้จากองค์ความรู้เรื่องการสะท้อนของเสียง) ที่มา http://www.scimath.org/socialnetwork/groups/viewbulletin/577-%E0%B8%9B%E0%B8%A3%E0%B8%B0%E0%B9%82%E0%B8%A2%E0%B8%8A%E0%B8%99%E0%B9%8C%E0%B8%82%E0%B8%AD%E0%B8%87%E0%B8%81%E0%B8%B2%E0%B8%A3%E0%B8%AA%E0%B8%B0%E0%B8%97%E0%B9%89%E0%B8%AD%E0%B8%99%E0%B8%82%E0%B8%AD%E0%B8%87%E0%B9%80%E0%B8%AA%E0%B8%B5%E0%B8%A2%E0%B8%87?groupid=157