ความรู้พื้นฐานเรื่องเสียง

เพื่อให้เข้าใจเรื่องเสียงอย่างแท้จริง ทีมงาน ISO-NOISE จึงเขียนบทความปูพื้นฐานเรื่องเสียงให้ผู้อ่านเข้าใจตรงกัน

เสียงคืออะไร

เสียงคือพลังงานอย่างหนึ่งที่สร้างความสั่นสะเทือนไปยังโมเลกุลอากาศ

พลังงานเสียงจะเขย่าอากาศให้เคลื่อนในแนวเดียวกับทิศทางที่เสียงเคลื่อนที่ ในลักษณะบีบ คลาย เป็นจังหวะ ๆ ไป ดังแสดงในรูป

เสียงเดินทางผ่านอะไรได้บ้าง

เสียงต้องการตัวกลางในการเคลื่อนที่ และตัวกลางนั้นไม่ใช่เฉพาะอากาศ ของแข็งและของเหลวเสียงก็เดินทางผ่านได้ ตัวอย่างเช่น

• ในน้ำ: ปลาโลมาสร้างเสียงลักษณะพิเศษออกมาในน้ำ แล้วฟังเสียงสะท้อนกลับเพื่อให้ทราบว่ามีสิ่งกีดขวางอยู่ข้างหน้าหรือไม่
• ในรางรถไฟ: เราได้ยินเสียงรางรถไฟลั่นก่อนรถไฟจะมาถึงสักพักใหญ่ เพราะเสียงที่รถวิ่งบนรางวิ่งมาตามรางได้เร็วกว่าตัวรถไฟ ทำให้เราได้ยินเสียงที่รางก่อน
• ในเส้นเชือก: การเล่นโทรศัพท์กระป๋อง เสียงจะเดินทางผ่านเส้นเชือกมาอีกฝั่งหนึ่ง

ทำไมรอยรั่วจึงทำให้เสียงลอดผ่านได้

เมื่อเสียงต้องการตัวกลางคืออากาศในการเคลื่อนที่ เสียงจึงเปรียบเสมือนสีที่ละลายอยู่ในน้ำ

ดังนั้นหากประตู หน้าต่าง หรือผนังมีรอยรั่ว เสียงย่อมไหลผ่านรอยรั่วมายังอีกฝั่งได้ง่าย ๆ

องค์ประกอบสำคัญ 3 อย่างของเสียง

องค์ประกอบของเสียงที่เราสนใจประกอบด้วย 3 อย่างสำคัญ คือ

1. ความเร็วของเสียง
2. ความดังของเสียง
3. ความถี่ของเสียง

สามส่วนนี้ถือว่าสำคัญมาก โดยอธิบายได้ดังต่อไปนี้

1. ความเร็วของเสียง

เสียงเดินทางในตัวกลางแต่ละชนิดด้วยความเร็วที่ไม่เท่ากัน

• เสียงในอากาศเดินทางด้วยความเร็ว 340 เมตรต่อวินาที ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส
• เสียงในน้ำเดินทางด้วยความเร็ว 1,497 เมตรต่อวินาที ที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส
• เสียงที่วิ่งในโลหะเดินทางด้วยความเร็ว 6,000 เมตรต่อวินาที

แต่ที่เราจะสนใจจริง ๆ คือเสียงในอากาศ

ทำไมเราเห็นฟ้าแลบก่อนได้ยินเสียงฟ้าร้อง

เวลาฟ้าแลบ เราเห็นแสงฟ้าแลบก่อน แล้วอีกครู่หนึ่งจึงได้ยินเสียงฟ้าร้อง

ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเพราะแสงเดินทางด้วยความเร็ว 3 แสนกิโลเมตรต่อวินาที แต่เสียงมีความเร็วแค่ 340 เมตรต่อวินาที เราจึงเห็นฟ้าแลบก่อนฟ้าร้องตลอด

2. ความดังของเสียง

ความดังของเสียงวัดเป็นหน่วยเดซิเบล (dB) ถ้าตัวเลขน้อยคือเสียงเบา ถ้าตัวเลขมากคือเสียงดัง

ส่วนคำถามว่าความดังวัดได้อย่างไร หากอธิบายตามหลักการฟิสิกส์แล้วเป็นเรื่องยาวมาก จึงขอเล่าแบบย่อดังนี้

หน่วยเดซิเบล (dB) มาจากไหน

หูของเรารับรู้ความดังจากค่าความดันอากาศที่ถูกกระตุ้นโดยพลังงานเสียง แต่ค่าความดันที่หูของคนเรารับรู้ได้มีค่าตั้งแต่ 20 ปาสคาล จนไปถึง 2 หมื่นปาสคาล

อเล็กซานเดอร์ เกรแฮมเบล จึงพยายามสร้างหน่วยวัดที่ง่ายในการสื่อสาร คือ

1. เอาค่าความดันอากาศมาหารกับค่าความดันอากาศอ้างอิง
2. เทคลอการิทึม
3. คูณด้วยสิบ เพื่อเลี่ยงการอ่านค่าเป็นจุดทศนิยม

เราจึงได้ค่าระดับความดังเสียงในหน่วยเดซิเบล (dB) ออกมา

วัดความดังเสียงด้วยอะไร

ไม่จำเป็นต้องสนใจรายละเอียดการคำนวณ เพราะโดยปกตินักวิทยาศาสตร์จะใช้เครื่องวัดเสียงวัดค่านี้ได้ โดยรูปร่างของเครื่องวัดเสียงเหมือนกับในรูป

ประเมินความดังโดยไม่มีเครื่องวัดเสียงได้อย่างไร

บางครั้ง Sound engineer หรือ Acoustics Engineer เข้ามาดูสถานที่โดยไม่ได้นำเครื่องวัดเสียงมา แต่ก็ยังประเมินได้ว่าเสียงที่ได้ยินอยู่ดังประมาณกี่เดซิเบล

วิธีการไม่ยาก คือจำลักษณะความดังของเสียงในสถานการณ์ต่าง ๆ ไว้ แล้วเทียบกับความดังเสียงที่ได้ยินตอนนี้ว่าใกล้กับสถานการณ์ไหน ก็จะประเมินค่าความดังคร่าว ๆ ได้ หรือจะใช้รูปข้างล่างไว้เป็นต้นแบบก็ได้

ขอบคุณรูปสวย ๆ จาก Bruel and Kaer และขอไว้อาลัยการจากไปของ Dr. Bruel นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรชาวเดนมาร์ก ผู้บุกเบิกเรื่องเสียงและการสั่นสะเทือนของโลก

3. ความถี่ของเสียง

ความถี่ของเสียงเป็นองค์ประกอบที่สำคัญมาก เพราะมีผลต่อพฤติกรรมของเสียงหลาย ๆ อย่าง

ในเรื่องของการได้ยิน ความถี่คือสิ่งที่ทำให้เรารู้สึกถึงโทนเสียง

• เสียงแหลม คือเราได้ยินเสียงความถี่สูง
• เสียงทุ้ม คือเราได้ยินเสียงความถี่ต่ำ
• เสียงกลาง คือโทนเสียงที่ผู้ชายพูด

ทำไมเราจำเสียงและแยกแยะเสียงได้

หูของเราได้ยินเสียงและจำได้ว่าเสียงนี้เป็นเสียงใคร เพราะสมองของเราจำลักษณะความถี่ที่เป็นเอกลักษณ์ของเสียงได้

จากรูปด้านล่างจะเห็นว่าเสียงของสิ่งของต่าง ๆ มีช่วงความถี่ของเสียงที่เด่นแตกต่างกัน ทำให้เราสามารถแยกแยะเสียงจากสิ่งของต่าง ๆ ได้

หูมนุษย์ได้ยินความถี่ช่วงไหน

หูของมนุษย์สามารถรับเสียงได้ตั้งแต่ความถี่ 20 Hz-20,000 Hz ซึ่งกว้างมาก

แต่ในความเป็นจริง หูเราแยกแยะไม่ออกว่าเสียงนี้เป็นเสียงความถี่ 500 Hz หรือ 501 Hz แม้แต่ผู้เขียนเองก็แยกออกแค่ สูง กลาง ต่ำ เท่านั้น

ย่านความถี่แบบออกเตฟคืออะไร

คนกลุ่มแรกที่เริ่มพยายามแยกแยะความถี่เสียงออกเป็นย่าน ๆ คือนักดนตรี โดยนักดนตรีแบ่งโทนเสียงออกมาเป็น 8 ย่าน เรียกว่าย่านคู่แปด หรือย่านความถี่แบบออกเตฟ

แต่ละย่านความถี่ออกเตฟจะมีช่วงความถี่ที่ครอบคลุม ยกตัวอย่างเช่น ย่านความถี่ 63 Hz จะครอบคลุมความถี่ในช่วง 44 Hz ถึง 89 Hz

เมื่อวิทยาศาสตร์เริ่มก้าวหน้า นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้เครื่องวัดแยกความถี่ของเสียงออกมาได้ จึงยึดเอาการแบ่งช่วงความถี่แบบออกเตฟมาใช้เป็นแบบสากลจนมาถึงปัจจุบัน