พื้นฐานเกี่ยวกับเสียงในสภาพแวดล้อม (Fundamental of Environmental Sound)

A. เราได้ยินอะไร

เมื่อกล่าวถึงอะคูสติค คนทั่วไปมักคิดถึงเสียงดนตรี เครื่องเสียงสเตอริโอ หรือเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่สร้างเสียงเกี่ยวข้องกับการให้ความบันเทิง จากภาพที่ 1 แสดงสเปคตรัมของเสียงที่อยู่ในระดับที่รู้สึกได้ หรือ ได้ยิน เสียงที่น่ารำคาญเราจะเรียกว่าเสียงรบกวน (Noise) ซึ่งระดับการได้ยินโดยทั่วไปอยู่ในย่านความถี่ตั้งแต่ 18 เฮิร์ท ถึง 18,000 เฮิร์ท (Hz) เมื่อเวลาผ่านไป ระดับเสียงจะลดลง หมายเหตุ ระดับเส้นกราฟที่แสดงค่าการได้ยินต่ำที่สุด (Threshold of Hearing Curve) โดยมากคนทั่วไปไม่สามารถรับเสียง หรือได้ยินเสียงที่อยู่ต่ำกว่าระดับเส้นกราฟนี้ และย่านความถี่ที่มีการได้ยินมากกที่อยู่อยู่ในช่วง 2K ถึง 5K เฮิร์ท (Hz).

ภาพที่ 1 สตรัมของเสียงที่ได้ยิน (audible spectrum)

โดยทั่วไป ถ้าคุณรู้สึกถึงผลของเสียง และระดับนั้นสูงจนเป็นอันตรายต่อคุณ การศึกษาพบว่า การได้ยินเสียงดังถึง 75 เดซิเบล เป็นเวลานานๆ ทำให้สูญเสียการได้ยินได้ เมื่อมีการทำงานใกล้แหล่งกำเนิดเสียงดังควรมีการใส่อุปกรณ์ป้องกันเสียง แม้ว่าทำงานที่บ้านก็ตาม ธรรมชาติได้สร้างกลไกของหูให้มีการป้องกันจากเสียงที่มีแอมปิจูดสูงๆ แต่ไม่สามารถป้องกันเสียงจากการกระแทกได้ หูตอบสนองกับเสียงประเภทนี้ได้เร็วมาก เมื่อหูได้รับเสียงดัง หูชั้นกลางที่เชื่อมต่อกับเยื่อหูจะทำหน้าที่ลดระดับ เพื่อให้ส่งไปยังหูชั้นในได้น้อยลง นั่นเป็นสาเหตุว่าทำไม เมื่อคุณออกจากพื้นที่เสียงดัง ระดับการได้ยินเสียงต่ำสุดเปลี่ยนไป แต่มันจะกลับสู่สภาพเดิมในเวลาอันสั้น เมื่อเยื่อหูผ่อนคลายตัวลง แต่การได้ยินเสียงดังในระดับสูงบ่อยๆ ก่อให้เกิดอันตรายกับหู ซึ่งเป็นอวัยวะในการได้ยิน และเมื่อหูเสื่อมสภาพ มันจะยังคงเสื่อมต่อไป

B. คลื่นเสียง (Sound Waves)

คลื่นเสียงเป็นความดันต่ำที่สั่นได้ (oscillations) ที่เดินทางผ่านของแข็งทุกประเภท ของไหล ที่รวมกับอากาศ เสียงเกิดจากการสั่นสะเทือน หรือ การสั่นเป็นลูกคลื่นของเครื่องจักร เครื่องขยายเสียง หรือการไหลของของเหลว ผ่านวัตถุ หรือการเคลื่อนผ่านขบวนการที่มีการเคลื่อนไหว ในภาพที่ 2 แสดงคลื่นเสียงที่กระจายผ่านบรรยากาศจากการเคาะส้อมเสียง การสั่นที่รวดเร็วของส้อมเสียงก่อให้เกิดความดันสูง (เส้นกราฟสีแดง) และความดันต่ำ (ไม่ได้แสดงไว้) และกระจายออกสู่อากาศ คลื่นเสียงเดินทางผ่านอากาศด้วยความเร็วประมาณ 1,127 ฟุตต่อวินาที (344 เมตรต่อวินาที) หรือ 768 เมตรต่อชั่วโมง (1237 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) ที่อุณหภูมิ 68F (20C) เพื่อแสดงให้เห็นภาพชัดเจนขึ้น ให้โยนก้อนหินลงในน้ำนิ่ง และมองน้ำกระเพื่อม หรือคลื่นน้ำที่มีส่วนสูงและต่ำ เหมือนภาพข้างล่าง คลื่นเสียงก็มีลักษณะเช่นเดียวกัน มีการสะท้อน และมีการเดินทางของคลื่นออกเป็นวงกว้างผ่านไปยังหน้าต่าง ประตู พื้น และผนัง

ภาพที่ 2 คลื่นเสียงที่เดินทาง ด้วยความถี่ 1/T

ในช่วงเวลา (T) เป็นเวลาในรอบของคลื่นเดินทาง การเคลื่อนที่ของวัตถุ หรือเครื่องจักร เช่น พัดลม ปั๊ม ฯลฯ จะสร้างคลื่นเสียงเหมือนกับส้อมเสียง และมีรอบของการเคลื่อนที่ซ้ำกัน ทำให้เกิดเป็นความถี่ บางครั้งเกิดขึ้นซ้ำๆ กันถึง 100 ครั้งต่อวินาที เราเรียกว่า ความถี่ 100 Hz หน่วยของความถี่คือ Hertz (Hz) มีหน่วยเป็น 1/วินาที (หรือเรียกว่า รอบต่อวินาที) แต่เราไม่นิยมใช้เรียกในงานควบคุมเสียงอะคูสติค เครื่องจักร หรือมอร์เตอร์ที่มีการหมุนที่ 60 รอบต่อวินาที หรือเรียกว่า (3600 rpm) จะมีความถี่ 60 Hz โทนเสียงที่เกิดขึ้นจากพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาเป็นช่วงความถี่ (เช่นเดียวกับการเป่านกหวีด) และเมื่อเสียงถูกสร้างขึ้นเป็นกลุ่ม (ในพื้นที่ใกล้ๆ กัน) ความถี่ ที่เกิดขึ้นจะเป็นช่วงความถี่กว้างหรือเรียกว่า Board Band (เช่น เสียงฝนตก หรือเสียงน้ำตก เป็นต้น) เสียงเปียโนที่ความถี่ 256 Hz จนถึงย่านความี่ 512 Hz ตัวอย่างเหล่านี้ เกี่ยวข้องกับความยาวคลื่น wave length (λ) ความถี่ frequency (f) และความเร็วเสียง Speed of Sound (c )

λ = c/f หน่วยเป็น ฟุตต่อเมตร (ขึ้นกับหน่วยของ c)

ความเร็วเสียง (c ) ขึ้นกับอุณหภูมิ และความถี่ต่ำ (f) โดยทำให้ทราบค่าความยาวคลื่นว่ามีค่าสูง เสียงที่ความถี่ต่ำจะยากในการลดเสียง หรือเบี่ยงเบนเสียง เนื่องจากมีความยาวคลื่นสูง คลื่นเสียง นำมาสร้างเป็นสมการคณิตศาสตร์ เป็นโมเดลของสมการคณิตศาสตร์ Sine (Sinusoidal function) ความถี่เดียว เส้นในแกน X ที่ค่า 0 แสดงค่าความดันบรรยากาศ และ ความดันของเสียงมีค่าเป็นบวก เมื่อเส้นสูงกว่า 0 และ มีค่าเป็นลบ เมื่อค่าต่ำกว่า 0 ซึ่งผลความดันนี้ ทำให้เยื่อบุแก้วหู มีการสั่นเป็นรอบ เข้าและออกภายในหูชั้นใน และนี่เป็นขบวนการทำให้เกิดการได้ยิน ลองวาดภาพว่า หูเราเคลื่อนที่เข้าออกเมื่อคลื่น ถ้าพลังงานเสียงดังมากเกินไป ย่อมทำลายเยื่อบุแก้วหู ส่วนที่สูง และต่ำสุดของคลื่น (peak amplitude) แสดงถึงพลังงานของคลื่นเสียงในรูปของ แอมปิจูด

ภาพที่ 3 ส่วนประกอบพื้นฐานของคลื่นเสียง

ในคลื่นเสียงในชีวิตจริงไม่ได้มีรูปแบบการสั่นสะเทือน ที่สวยงามเหมือนสมการ sine wave แต่มันเคลื่อนที่เป็นซีรี่ส์แบบเคลื่อนไปข้างหน้า มีลักษณะเหมือน “กำแพงเสียง” ซึ่งมีความดันสูงหรือต่ำ และเป็นเหตุให้เกิดการสั่นสะเทือนของหู และเกิดการได้ยินได้ในย่านความถี่ คลื่นเสียงเคลื่อนผ่านทุกสิ่ง มันเคลื่อนที่ไปได้ และสะท้อนออกจากพื้นผิวได้เช่นกัน ที่ความถี่ต่ำ “กำแพงพลังงาน” มีพลังงานมาก และยากที่จะลดลง รวมถึงยากที่จะบอกว่าความถี่ใดที่เข้ามากระทบจากกำแพงพลังงานนี้ และเหมือนกับว่าเดินทางไปทุกๆที่ ในย่านความถี่สูง พลังงานเสียงมีทิศทางชัดเจน เนื่องจากคลื่นเสียงสั่นมาก จึงเป็นผลมากจากแหล่งกำเนิดเสียงเล็กๆ ที่ไม่ต่อเนื่องกัน เราอาจแยกความถี่โดยเงี่ยหูฟัง และจับทิศทางของเสียงได้ ระดับเสียงที่แสดงในเครื่องวัดเสียงเป็นลักษณะ rms amplitude หรือระดับความสูงของคลื่น ที่เป็น รอบต่อวินาที ค่าเฉลี่ยรอบต่อวินาที เรียกว่า Root Mean Square เป็นความดันคลื่น และระดับพลังงานของคลื่นเสียง โดยมีค่าประมาณ 0.707 คูณ ระดับความดันสูงสุด ค่าต่างระหว่างค่าสูงสุด (peak) และ และระดับแอมปิจูด RMS นี้อยู่ที่ประมาณ 3 dB เครื่องจักร หรือเหตุการณ์ที่สร้างเสียงดัง ถูกวัด และรายผลในรูปของระดับเสียง

C. การถ่วงน้ำหนักเสียง (The Weightd Sound Level)

หูของมนุษย์ได้รับเสียงได้หลายความถี่ และหลายแอมปิจูด หูเป็นตัวกรองเสียงที่ ไดนามิค และเปลี่ยนแปลงได้และอ่อนไหวต่อระดับแอมปิจูด และความถี่ของเสียง มันทำงานได้ไม่ดีนักที่ความถี่ต่ำ และทำงานดีมากที่ความถี่กลาง (Middle frequencies) และ แย่ลงอีกครั้งที่ความถี่สูง และลดลงอย่างมากเมื่อความถี่สูงถึง 12,000 Hz ดังแสดงในภาพที่ 1
เพื่อวิเคราะห์ การตอบสนองเสียงของหู นักวิจัยได้พัฒนาระบบกราฟอิเล็คทรอนิค หรืออุปกรณ์กรองเสียง (Sound Filters) เพื่อให้อุปกรณ์อิเล็คทรอนิก ทำหน้าที่เหมือนหูมนุษย์ กราฟที่ทำหน้าที่ถ่วงน้ำหนักมักเรียกว่า เป็น A,B,C,D และ E ซึ่งใช้ได้กับlสภาพแวดล้อมแบบต่างๆ และทำไมถึงต้องมีการถ่วงน้ำหนักหลายแบบ เนื่องจากหูตอบสนองต่อเสียงได้หลายรูปแบบ
การวิเคราะห์เสียง ในสภาพแวดล้อมทั่วไป การถ่วงน้ำหนักแบบ A,B และ C ขึ้นกับระดับแอมปิจูดของระดับเสียงโดยรวม ซึ่งมีการใช้งานไม่กว้างขวางเท่าใด ในที่สุด การถ่วงน้ำหนักแบบ A หรือ A-weighted จึงนิยมใช้กับสภาพแวดล้อมเกือบทุกสถานการณ์ แต่มันค่อนข้างดีในการใช้การถ่วงน้ำหนักนี้ในการประเมินระดับเสียง และป้องกันความสับสนว่าต้องใช้กราฟแบบไหนมาถ่วงน้ำหนัก กับอุปกรณ์ต่างๆ ที่มีค่าแตกต่างกัน ส่วนค่าการถ่วงน้ำหนักแบบ C-weighting ถูกใช้ในการประเมินระดับเสียงแบบไม่ถ่วงน้ำหนัก “unweighted” โดยมุ่งเฉพาะในย่านความถี่ต่ำ ดังนั้น การถ่วงน้ำหนัก แบบ A และ C จึงนิยมใช้กันในงานอะคูสติก เพื่อสิ่งแวดล้อมมากที่สุด
ภาพต่อไปนี้แสดงการถ่วงน้ำหนักแบบ A และ C โดยเริ่มจากย่านความถี่ 12.5 Hz ถึง 10,000 Hz ไมโครโฟนของเครื่องวัดเสียงทำการวัดค่าความดันเสียงแท้จริง และแทนด้วยค่า 0 นภาพ โดยค่าจากกราฟ A-weighting นี้มีค่าเหมือนกับ ระดับเสียงต่ำสุดที่ได้ยิน Threshold of Hearing curve ในภาพที่ 1 ดังนั้นเราเห็นได้ว่าหูของมนุษย์ไม่ตอบสนองต่อย่านความถี่ต่ำได้ดี และมนุษย์ทุกคนมีความแตกต่างกัน บางคนอาจได้ยินได้ดีกว่าอีกคนหนึ่งย่อมเป็นได้เช่นกัน

ภาพที่ 4 A และ C Weighting ที่ใช้กับเครื่องวัดเสียง

ระดับเสียง A-weighted เรามักเรียกว่า ระดับเสียง sound level หรือระดับ เดซิเบล และไม่มีตัวอักษรข้างท้าย เป็น dB(A) โดยทั่วไปเมื่อกล่าวถึงระดับเสียง หมายถึง A-weighed เช่น ถ้ามีรายงานผลว่า ระดับเสียงที่ 55 dB เป็นที่เข้าใจกันว่า เป็นระดับเสียง ที่ผ่านการถ่วงน้ำหนัก A-Weighted แล้ว และยังเป็นที่เข้าใจอีกว่า พลังงานเสียงนี้ เป็นการวิเคราะห์ที่อยู่ในย่านความถี่ตั้งแต่ 10 Hz ถึง 20k Hz และมีการเรียกเป็นค่าเดียว เมื่อวัดด้วยเครื่องวัดเสียง โดยค่าที่วัดได้จากเครื่องวัดเสียง เป็นค่า ที่เป็น A-weighted และบางทีอาจมี ค่า C-Weighted ด้วย

D. เสียง และ เดซิเบล

นักวิจัย ได้แสดงว่าการตอบสนองต่อการได้ยิน เป็นสัดส่วนของเลขฐาน 10 logarithm ต่อค่า เบล ค่า Logarithm ของสัดส่วนของพลังงาน ถูกพัฒนาขึ้นโดยอุตสาหกรรมการสื่อสารในช่วงปี 1920 ถึง 1930 เพื่อนำมาวิเคราะห์โทรศัพท์ และอุปกรณ์สื่อสารเพ่อพัฒนาอุปกรณ์การวัดเสียง หน่วย เบล นี้ มาจากชื่อของ นาย อเล็กซานเดอร์ เกรแฮม เบล (Alexander Graham Bell) ค่า 10 เดซิเบล เท่ากับ 1 เบล เมื่อใส่ Log ลงใน เบล