หน่วยที่ 2 ย่านความถี่และคุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
2.1 คลื่น (Wave)
2.2 คลื่นเสียง(Audio Wave)
2.3 คลื่นวิทยุ (Radio Wave)
2.4 ชั้นบรรยากาศ (Atmosphere)
2.5 การแพร่กระจายคลื่น
คลื่นคืออะไร
คลื่น หมายถึง ลักษณะของการถูกรบกวน ที่มีการแผ่กระจาย เคลื่อนที่ออกไป ในลักษณะของการกวัดแกว่ง หรือกระเพื่อม และมักจะมีการส่งถ่ายพลังงานไปด้วย
คลื่นเสียง(Audio Wave)
คลื่นเสียงเกิดจาก การสั่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อวัตถุเกิดการสั่นสะเทือน จะเกิดการถ่ายโอนพลังงานให้กับอนุภาคของตัวกลาง ทำให้อนุภาคของตัวกลางสั่น แล้วถ่ายโอนไปยังอนุภาคอื่นๆที่อยู่ข้างเคียงให้สั่นตาม เป็นอย่างนี้ต่อเนื่องไปเรื่อยจนกระทั่งถึงอนุภาคตัวกลางที่อยู่ติดกับเยื่อแก้วหู อนุภาคเหล่านี้สั่นไปกระทบเยื่อแก้วหู ทำให้เยื่อแก้วหูสั่นตาม จึงทำให้เราได้ยินเสียง
คลื่นเสียงจัดเป็นคลื่นกล
ถ้าเราทำการทดลองโดยใช้กระดิ่งไฟฟ้าที่ส่งเสียงดังตลอดเวลาใส่ไว้ในครอบแก้ว จากนั้นจึงค่อยๆสูบอากาศภายในครอบแก้วออก เราจะได้ยินเสียงจากกระดิ่งไฟฟ้าค่อยลงเรื่อยจนในที่สุดจะไม่ได้ยินเสียงจากกระดิ่งไฟฟ้านี้ เมื่อในครอบแก้วเป็นสุญญากาศ แสดงว่าเสียงจำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ดังนั้น “เสียงจึงจัดเป็นคลื่นกล”
คลื่นเสียงจัดเป็นคลื่นความยาว
เมื่อวัตถุสั่น วัตถุก็จะไปกระทบตัวกลางทำให้อนุภาคตัวกลางสั่นกลับไปกลับมาแบบ ซิมเปิลฮาร์มอนิก โดยทิศทางการสั่นของอนุภาคตัวกลางจะสั่นในทิศขนานกับการเคลื่อนที่ของคลื่น ดังนั้น “เสียงจึงจัดเป็นคลื่นตามยาว”
ความถี่ ความยาวคลื่นและอัตราเร็วของคลื่นเสียง
ความถี่ของคลื่นเสียง(Frequency)
คือ จำนวนคลื่นที่วิ่งผ่านจุดใดๆ ไปในเวลา1วินาที มีหน่วย เฮิรตซ์ คลื่นเสียงเป็นคลื่นที่เกิดจากการสั่นของวัตถุและการสั่นนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความดันของอากาศด้วย ความถี่ของแหล่งกำเนิดเท่ากับความถี่เสียงเสมอ
“ความถี่ของเสียงจะมีค่าคงที่ และมีค่าเท่ากับความถี่ของแหล่งกำเนิดเสียงเสมอ”
แต่ความถี่ที่ผู้ฟังได้รับอาจไม่เท่ากับความถี่ของแหล่งกำเนิดก็ได้
ความถี่ของเสียงจะใช้เป็นตัวบอกระดับเสียง
ถ้าเสียงใดมีความถี่สูงจะมีระดับเสียงสูง = เสียงแหลม
ถ้าเสียงใดมีความถี่ต่ำจะมีระดับเสียงต่ำ = เสียงทุ้ม
- ธรรมชาติของมนุษย์สามารถรับรู้ความถี่เสียงอยู่ในช่วง 20 ถึง 20,000 เฮิรตซ์
-ความถี่เสียงที่ต่ำกว่า 20 เฮิรตซ์ลงไป เรียกว่า คลื่นอินฟราโซนิก(Infrasonic) หูมนุษย์จะไม่ได้ยิน
- ความถี่เสียงที่สูงกว่า 20,000 เฮิรตซ์ขึ้นไป เรียกว่า คลื่นอันตราโซนิก(Ultrasonic) หูมนุษย์จะไม่ได้ยิน
อัตราเร็วคลื่นเสียง(Speed of Sound)
อัตราเร็วคลื่นเสียงขึ้นอยู่กับสภาพของตัวกลางที่เสียงเคลื่อนที่ผ่านไป เช่น ความหนาแน่น ความยืดหยุ่น อุณหภูมิ เป็นต้น จาการทดลองพบว่าอัตราเร็วของเสียงที่เคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่มีอุณหภูมิสูง จะมีค่ามากกว่าตัวกลางที่มีอุณหต่ำ และเสียงจะเดินทางได้เร็วในตัวกลางที่เป็นของแข็ง รองลงมาคือ ของเหลวและก๊าซ ตามภูมิลำดับ
คุณสมบัติของเสียง
มีการสะท้อน (Reflection) สามารถสังเกตได้โดยการตะโกนในถ้ำหรือห้องโถงขนาดใหญ่ เราจะได้ยินเสียงสะท้อนกลับมา
มีการหักเห (Refraction) การเห็นฟ้าแลบแต่ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง
มีการแทรกสอด (Interferance) ถ้านำลำโพงสองตัวต่อกับแหล่งกำเนิดเสียงสองเครื่องซึ่งให้เสียงความถี่เท่ากัน จะเกิดการแทรกสอดกันที่ตำแหน่งที่มันแทรกสอดแบบเสริมเราจะได้ยินเสียงดัง แต่ถ้าแทรกสอดกันแบบหักล้างบริเวณนั้นจะได้ยินเสียงค่อย
คุณสมบัติการเลี้ยวเบน (Diffraction) การได้ยินเสียงจากภายนอกห้อง ทั้งๆที่ไม่เห็นแหล่งกำเนิดเสียง
คลื่นวิทยุ(Radio Wave)
คลื่นวิทยุ (อังกฤษ: Radio waves) หรือ เรียกได้อีกชื่อหนึ่งว่า คลื่นพาหะ Carier Wave เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นในช่วงความถี่วิทยุบนเส้นสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นวิทยุไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่
คลื่นวิทยุเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง อาจมีตั้งแต่ 3 KHz ไปจนถึง 300 GHz ( 1 GHz = พันล้าน Hz) คลื่นวิทยุแต่ละช่วงความถี่จะถูกกำหนดให้ใช้งานด้านต่างๆ ตามความเหมาะสม
ส่วนประกอบของคลื่น
1. สันคลื่น (Crest) ตำแหน่งสูงสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางบวก
2. ท้องคลื่น (Trough) ตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางลบ 3. แอมพลิจูด (Amplitude) เป็นระยะการกระจัดมากสุด ทั้งค่าบวกและค่าลบ
4. ความยาวคลื่น (wavelength) เป็นความยาวของคลื่นหนึ่งลูกมีค่าเท่ากับระยะระหว่างสันคลื่นหรือท้องคลื่นที่อยู่ถัดกัน ความยาวคลื่นแทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นเมตร (m)
5. ความถี่ (frequency) หมายถึง จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที (s-1) หรือ เฮิรตซ์ (Hz)
6. คาบ (period) หมายถึง ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบ (s)
7. อัตราเร็วของคลื่น (wave speed) หาได้จากผลคูณระหว่างความยาวคลื่นและความถี่
แถบความถี่ทั้งหมด
การเคลื่อนที่
ความยาวคลื่น
ความยาวคลื่น คือระยะทางระหว่างส่วนที่ซ้ำกันของคลื่น สัญลักษณ์แทนความยาวคลื่นที่ใช้กันทั่วไปคือ อักษรกรีก แลมบ์ดา (λ).
แกนนอนในแผนภูมิแทนระยะทาง และแกนตั้งแทนค่า ณ เวลาหนึ่ง ของปริมาณหนึ่งซึ่งกำลังเปลี่ยนแปลง (ตัวอย่างเช่น สำหรับคลื่นเสียง ปริมาณที่กำลังเปลี่ยนแปลงก็คือแรงดันอากาศ หรือสำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ปริมาณที่กำลังเปลี่ยนแปลงก็คือสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก) ซึ่งเป็นฟังก์ชันของระยะทาง
ความยาวคลื่น λ สัมพันธ์แบบผกผันกับความถี่ของคลื่นนั้น โดยความยาวคลื่นมีค่าเท่ากับความเร็วของคลื่นนั้นๆ หารด้วยความถี่ ถ้าเราพิจารณาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ ความเร็วนั้นก็คือความเร็วแสงนั่นเอง ความสัมพันธ์นี้สามารถเขียนได้เป็น
λ = V/f
เมื่อ:
λ = ความยาวคลื่น
c = ความเร็วแสงในสุญญากาศ ซึ่งมีค่าเท่ากับ 299,792.458 กิโลเมตรต่อวินาที
f = ความถี่ของคลื่น
สำหรับคลื่นวิทยุ ความสัมพันธ์นี้เขียนโดยประมาณได้เป็น: ความยาวคลื่น (ในหน่วยเมตร) = 300 / ความถี่ (ในหน่วย megahertz)
ตารางแถบความถี่
ชั้นบรรยากาศ (Atmosphere)
ชั้นบรรยากาศที่ห่อหุ้มโลก มีผลต่อการแพร่กระจายคลื่นวิทยุเป็นอย่างมาก บรรยากาศของโลกแบ่งออกเป็นหลาย ๆ ชั้น โดยแบ่งตามความสามารถที่จะเป็นตัวนำได้ เมื่อเกิดมีอณูของรังสีจากดวงอาทิตย์ เคลื่อนที่เข้ามาชน ทำให้ชั้นบรรยากาศเกิดการ IONIZING ของก๊าชในชั้นบรรยากาศนั้น
Ionization เป็นการเปลี่ยน อะตอมหรือโมเลกุล เป็น ไอออน
จากคุณสมบัติที่เป็นตัวนำในขนะเกิดการ IONIZING ชั้นบรรยากาศเหล่านี้จึงสามารถที่จะสะท้อนคลื่นวิทยุได้ ความสูงของชั้นบรรยากาศ ชั้นต่าง ๆ จะเปลี่ยนไปเรื่อย ๆ โดยขึ้นอยู่กับความเข้มของการ IONIZING และส่วนประกอบอื่น ๆ เช่น อุณหภูมิ ,ความชื้น , แรงกดดัน เป็นต้น ชั้นบรรยากาศของโลกแบ่งเป็น 3 ชั้นคือ
1. ชั้น โทรโพสเพียร์ (Troposphere Layer)
ระยะความสูงจากพื้นโลกโดยประมาณ อยู่ที่ 0 -15 กิโลเมตร ชั้นนี้ สภาพโดยทั่วไปไม่ได้เป็นเนื้อเดียวกันตลอด มีสภาพปั่นป่วน วุ่นวายตลอดเวลา เป็นเหตุให้มีการเปลี่ยนแปลงทางอุณหภูมิ ความชื้น ความดัน และอื่น ๆ ทำให้ดัชนีการหักเหเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา โดยเฉลี่ยแล้วอุณหภูมิจะลดลงประมาณ 6 oC /กิโลเมตร
2.ชั้นสตราโทสเพียร์ (Stratosphere Layer)
เป็นชั้นที่สองของชั้นบรรยากาศของโลก อยู่เหนือชั้น troposphere และต่ำกว่าชั้น mesosphere ชั้นนี้จะมีระยะความสูงจากพื้นโลกประมาณ 15-50 กิโลเมตร เป็นชั้นบรรยากาศที่มีอุณหภูมิคงที่ไม่เปลี่ยนแปลง จุดสูงสุดของชั้นนี้เรียกว่า stratopause (สูงประมาณ 50 ถึง 55 กิโลเมตร)
3.ชั้นไอโอโนสเพียร์ (Ionosphere)
เป็นชั้นที่อยู่สูงที่สุด คือสูงจากพื้นโลกประมาณ 50-500 กิโลเมตร บรรยากาศชั้นนี้ อากาศจะเต็มไปด้วย อิออน มีคุณสมบัติในการดูดกลื่นหรือสะท้อนคลื่นวิทยุ ตัวที่มีบทบาท คือความเข้มของอิเล็คตรอนอิสระ (Free Electron Density)
RADIO PROPAGATION การแพร่กระจายคลื่นวิทยุ
คลื่นวิทยุที่แพร่กระจายออกจากสายอากาศนั้น จะมีการแพร่กระจายออกไปทุุกทิศทาง คลื่นวิทยุเป็นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ที่สามารถเดินทางไปด้วยความเร็วเท่ากับแสง แต่อย่างไรก็ดี คลื่นวิทยุที่มีความถี่ไม่เท่ากัน คุณสมบัติในการแพร่กระจายคลื่น ก็ไม่เหมือนกัน ในพื้นที่ไกลออกไป สัญญาณที่เครื่องรับจะรับได้ก็อ่อนลง ๆ ไปเรื่อย ๆ
ข้อมูลเพิ่มเติม
สารานุกรมไทย (ชั้นบรรยากาศ) คลิกที่นี่
การแพร่กระจายคลื่น คลิกที่นี่
แหล่งข้อมูล
คลื่นเสียง คลิกที่นี่
คุณสมบัติของคลื่น
คุณสมบัติพื้นฐานของ คลื่น ต่างๆ สามารถ พิจารณาได้ 4 ประการซึ่งมี 1. การสะท้อนกลับ ( Reflection ) 2. การหักเห (Refraction) 3. การแพร่กระจายคลื่น (Diffraction ) 4. การแทรกสอดของคลื่น ( Interference )
1. การสะท้อนของคลื่น การสะท้อนของคลื่นหมายถึง การเปลี่ยนทิศทางการเดินทางของคลื่นโดยทันทีทันใดเมื่อคลื่นนั้นเดินทางตกกระทบที่ผิวของตัวกลาง นั่นคือคลื่นกระดอนออกจากผิวสะท้อน ของตัวกลางในลักษณะเดียวกับแสงสะท้อนจากกระจกเงา ี่ แสดงปรากฎการณ์ ของการสะท้อนของคลื่นวิทยุ สังเกตได้ว่ามุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน
2. การหักเหของคลื่น
การหักเหของคลื่นวิทยุเกิดขึ้นเมื่อคลื่นวิทยุเดินทางจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าไม่เหมือนกันโดยที่มุมตกกระทบ ณ ตัวกลางที่สองไม่เป็นมุมฉากพลังงานคลื่นส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับเข้าไปยังตัวกลางที่หนึ่งโดยมีมุมตกเท่ากับมุมสะท้อนแต่ยังมีพลังงานคลื่นอีกส่วนหนึ่งเดินทางเข้าไปยังตัวกลางที่สองการเดินทางเข้าไปยังตัวกลางที่สองนี้ จะไม่เป็นแนวเส้นตรงต่อไปจากแนวทางเดินในด้านตัวกลางแรกแต่จะหักเหออกไปมากน้อยขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางไฟฟ้าของตัวกลางทั้งสองสาเหตุที่เกิดการหักเหของทางเดินของคลื่นวิทยุเนื่องจาก ความเร็วของคลื่นวิทยุในตัวกลางที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าแตกต่างกันจะไม่เท่ากันเช่นคลื่นวิทยุจะเดินทางในน้ำบริสุทธิ์จะช้ากว่าเดินทางในอากาศถึง9 เท่า เป็นต้น
จากรูป จะเห็นได้ว่าเมื่อหน้าคลื่น (wave front )ตกกระทบพื้นผิวระหว่าง ตัวกลางทั้งสองนั้น ส่วนของคลื่นที่สัมผัสผิวน้ำก็จะเริ่มเดินทางเข้าไปในน้ำด้วยความเร็วช้าลงในขณะที่หน้าคลื่นอีกส่วนหนึ่งยังคงอยู่ในอากาศจะเดินทางเร็วกว่า ตัวอย่างคลื่นที่ใช้ติดต่อสื่อสารที่อาศัยการหักเหของคลื่นคือ การสื่อสารในย่านความถี่สูง ( HF )ซึ่งอาศัยเพดานไฟฟ้า IONOSPHERE เมื่อคลื่นวิทยุเดินทางจากพื้นโลกผ่านเข้าไปยังเพดานไฟฟ้าลำคลื่นจะค่อย ๆ หักเหไปเรื่อย ๆจนในที่สุดคลื่นก็จะกลับออกมาจากเพดานไฟฟ้าและกลับมายังพื้นโลกอีก
ลักษณะการหักเหของคลื่นสามารถแสดงลำดับการที่คลื่นเคลื่อนที่ จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งเป็นลำดับๆ ได้ดังภาพ
3. การแพร่กระจายคลื่น
การแพร่กระจายคลื่น มีชื่อเรียก ได้ต่างๆกัน ไป เช่น การ เลี้ยวเบนของ คลื่น หรือ การ เบี่ยงเบน ของ คลื่นการ เบี่ยงเบน ของ คลื่น เกิดขึ้น เมื่อ คลื่นเดินทาง ผ่าน มุม หรือ ขอบ ของ ตัวกลางทึบ ที่ คลื่น นั้น ไม่ สามารถ ผ่านได้ เช่น คลื่น วิทยุ ความถี่ สูงมาก เดินผ่านยอดเขา คลื่นนี้ มี คุณสมบัติ เดินทาง เป็นเส้นตรง ดังนั้น ถ้าเรา ลาก เส้นตรง จากสายอากาศ ไปยัง ยอดเขา ส่วนที่ อยู่ หลังยอดเขา และ ต่ำกว่า เส้นนี้ ลงมา ไม่ ควรที่จะ ได้รับ คลื่น ได้เลย แต่ บางส่วน ที่อยู่ หลัง ยอดเขา สามารถ รับ คลื่นวิทยุ ย่านความถี่ สูง ได้ เนื่องจาก ความถี่สูง ขึ้น การเบี่ยงเบน ของ คลื่น ก็ยิ่ง ลดลง กล่าวคือคลื่น จะ เดินทาง เป็น แนว เส้นตรง แต่บางส่วน ของ คลื่น เกิดการ กระทบ กับ สลิตแคบๆ(ยอดเขา) ทำให้ คลื่น เกิดการ แตกกระจาย ออกไปโดยรอบ เสมือนกับ เป็น แหล่ง กำเนิด คลื่น ใหม่นั่นเอง ดังรูป ที่ แสดง คลื่น ผ่าน ช่องสลิตที่แคบ โดย มี หลักการ ดังที่ ได้ กล่าวไปข้างต้น
จากรูป แสดง คุณสมบัติ การเบี่ยงเบน ของ คลื่น วิทยุ เมื่อ เดินทาง ไปยัง ตัวกลาง ที่ ทึบ และ เฉียด ขอบดังกล่าว จะเห็นได้ว่า บริเวณ บางส่วน หลังตัวกลาง นั้น ที่ เป็น เขต เบี่ยงเบน ซึ่งสามารถ ติดต่อ สื่อสาร ได้ และ บริเวณ บางส่วนที่ จะ ติดต่อ สื่อสาร กัน ไม่ได้เลย เรียกว่าเขตเงา (SHADOW)
4. การแทรกสอดของคลื่น
การแทรกสอดของ คลื่น เรื่องนี้ เกี่ยวข้องกับ คุณสมบัติ ทาง optical ของ คลื่น แม่เหล็ก ไฟฟ้า เรา พิจารณา เรื่อง Interference ต่อไป สิ่งนี้เกิดขึ้น เมื่อ 2 คลื่น ที่ออกจาก แหล่ง จ่าย อันเดียว และ เดินทาง มาด้วย เส้นทาง ที่ ต่างกัน มาถึง จุด หนึ่งพร้อมกัน สิ่งนี้ เกิดขึ้น บ่อยมาก ในการ เดินทางของ High - frequency Sky - Wave propagation และใน Microwave space - wavepropagation ( กรณี ของ แบบนี้ จะอธิบาย ใน หัวข้อนี้ ) มันเกิดขึ้น เมื่อ สายอากาศของ ไมโครเวฟ ถูก ตั้ง อยู ่ใกล้กับ พื้นดินและ คลื่นที่ มา ถึง จุดรับ ไม่ใช่ เพียงจาก ทิศทางตรง แต่ เป็น คลื่นที่ หลังจากสะท้อน จาก พื้นดิน ด้วย ดังแสดง
การแทรกสอดแบบนี้ สามารถ อธิบายได้โดยการที่คลื่นผ่านช่องสลิตเล็กๆ 2 ช่องที่ใกล้เคียงกันคลื่นที่ผ่านสลิตนี้จะทำให้เกิดแหล่งกำเนิดคลื่นขึ้นมาใหม่ จำนวน 2 แหล่งด้วยกัน ดังนั้นจากหลักการพื้นฐานที่ทราบกันว่าคลื่นเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบๆแหล่งกำเนิดจึงทำให้คลื่นที่ผ่านสลิตแคบๆมีลักษณะเป็นวงกลมด้วย เมื่อมีแหล่งกำเนิด 2 แหล่งที่ใกล้เคียงกันดังนั้นจึงทำให้เกิดการแทรกสอดของคลื่นได้เช่นกัน ดังแสดงตัวอย่างดังรูป
แหล่งข้อมูล
