เสียงเดินทางในน้ำและอากาศด้วยความเร็วต่างกันเท่าไร

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th

เวลาเอาหูจุ่มลงในสระ เสียงเคาะที่เกิดใต้น้ำอาจฟังแปลกไปจากตอนที่เรายืนอยู่ข้างสระ น้ำดูหนาแน่นและต้านการเคลื่อนไหวมากกว่าอากาศ จึงชวนให้คิดว่าเสียงน่าจะเคลื่อนผ่านได้ช้ากว่าด้วย

แต่เสียงไม่ได้เคลื่อนที่แบบเดียวกับคนว่ายน้ำ เสียงเกิดจากการสั่นที่ส่งต่อผ่านตัวกลาง ความเร็วของมันจึงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางนั้นด้วย

องค์การบริหารมหาสมุทรและบรรยากาศแห่งสหรัฐฯ หรือ NOAA ให้ค่าเปรียบเทียบไว้ว่า เสียงเดินทางในน้ำทะเลประมาณ 1,500 เมตรต่อวินาที ส่วนในอากาศประมาณ 340 เมตรต่อวินาที เมื่อนำมาหารกันจะได้ราว 4.4 เท่า จึงพูดโดยประมาณได้ว่าเสียงในน้ำทะเลเดินทางเร็วกว่าในอากาศประมาณ 4 เท่า

ถ้าใช้ตัวเลขชุดนี้คำนวณระยะทาง 1 กิโลเมตร เสียงจะใช้เวลาผ่านน้ำทะเลราว 0.67 วินาที ส่วนการเดินทางผ่านอากาศจะใช้ราว 2.94 วินาที ตัวอย่างนี้สมมติให้เสียงเดินทางตลอดทางในตัวกลางชนิดเดียว และไม่ได้คิดเวลาที่เสียงข้ามระหว่างอากาศกับน้ำ

ทำไมน้ำจึงส่งเสียงได้เร็วกว่า?

เวลาวัตถุสั่น มันจะผลักและดึงอนุภาคของตัวกลางบริเวณข้างเคียง ทำให้เกิดบริเวณที่มีความดันเปลี่ยนไปต่อเนื่องกันเป็นคลื่น อนุภาคไม่ได้เดินทางตามเสียงไปตลอดระยะทาง แต่เคลื่อนที่กลับไปมาเพื่อส่งการรบกวนต่อกัน

ความเร็วของคลื่นเสียงขึ้นอยู่กับทั้งความหนาแน่นและความยากง่ายในการอัดตัวของตัวกลาง น้ำมีความหนาแน่นมากกว่าอากาศก็จริง แต่ถูกอัดให้มีปริมาตรลดลงได้ยากกว่ามาก คุณสมบัติด้านการอัดตัวนี้ส่งผลเด่นในการเปรียบเทียบ จึงทำให้เสียงผ่านน้ำได้เร็วกว่า การดูเพียงว่าตัวกลางหนาแน่นแค่ไหนจึงไม่พอจะบอกความเร็วเสียง

ตัวเลข 1,500 และ 340 เมตรต่อวินาทีเป็นค่าประมาณ น้ำทะเลแต่ละบริเวณมีอุณหภูมิ ความเค็ม และความดันต่างกัน ส่วนความเร็วเสียงในอากาศก็เปลี่ยนตามอุณหภูมิ จึงไม่ควรนำอัตราส่วน 4.4 เท่าไปใช้เป็นค่าตายตัวกับทุกสภาพน้ำและอากาศ

เร็วกว่า ไม่ได้แปลว่าจะได้ยินดังหรือชัดกว่าเสมอ ความดังขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิด ระยะทาง การสูญเสียพลังงาน และการรับเสียงของผู้ฟังด้วย เสียงที่เกิดเหนือผิวน้ำยังต้องผ่านรอยต่อระหว่างอากาศกับน้ำก่อนถึงผู้ฟังใต้น้ำ ซึ่งมีการสะท้อนกลับของพลังงานเสียงเกิดขึ้นด้วย

ในทะเล เสียงมีบทบาทต่อสัตว์หลายชนิด วาฬส่งเสียงใต้น้ำและรับเสียงจากวาฬตัวอื่นได้ เสียงบางความถี่เดินทางได้ไกล แต่ระยะที่ไปถึงขึ้นอยู่กับสภาพทะเลและลักษณะของเสียง ไม่ใช่เพียงความเร็วอย่างเดียว

NOAA อธิบายว่าอุณหภูมิและความดันที่เปลี่ยนไปตามความลึกทำให้ความเร็วเสียงในทะเลเปลี่ยนตาม คลื่นเสียงจึงโค้งเปลี่ยนทิศได้ ในบางบริเวณเกิดชั้นที่ช่วยให้เสียงเดินทางไปได้ไกล นักวิจัยใช้ไมโครโฟนใต้น้ำหรือไฮโดรโฟนรับฟังเสียงวาฬและเสียงจากกิจกรรมของมนุษย์

มนุษย์ยังนำความรู้เรื่องเวลาที่เสียงเดินทางไปและสะท้อนกลับมาใช้กับโซนาร์เพื่อสำรวจพื้นทะเล หากรู้ความเร็วเสียงและวัดเวลาได้ ก็ประมาณระยะทางได้ โดยต้องคำนึงว่าเวลาที่วัดเป็นเวลาเดินทางไปและกลับ ความเร็วเสียงในน้ำจึงเป็นข้อมูลพื้นฐานที่ช่วยให้การคำนวณระยะใต้น้ำใกล้เคียงสภาพจริงขึ้น