การเลี้ยวเบนของเสียง

การเลี้ยวเบน และการแพร่กระจายของคลื่นเสียง (Diffraction and Wavefront Propagation)

ปกติคลื่นเสียงจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง รังสีเสียงจะหมายถึง เส้นที่แสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของหน้าคลื่น และตั้งฉากกับหน้าคลื่นเสมอ เมื่อมีสิ่งกีดขวาง หรืออุปสรรคอาจทำให้เสียงเปลี่ยนทิศทางได้ กลไกการเปลี่ยนแปลงของทิศทางนี้เรียกว่า การเลี้ยวเบนของเสียง

การเลี้ยวเบน และความยาวคลื่นเสียง (Diffraction and Wavelength)

การเลี้ยวเบนจะแตกต่างกันไป ตามความยาวของคลื่นเสียง และขนาดของสิ่งกีดขวาง

(A) สิ่งกีดขวางที่มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของเสียงมาก เสียงจะกระจายไปรอบ ๆ ทำให้หน้าคลื่นผ่านไปได้ โดยไม่ถูกรบกวน

ส่วน (B) สิ่งกีดขวางมีขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่น ทำให้เกิดเงาเสียง คือจุดที่ไม่มีเสียงความถี่นั้น ๆ ยกตัวอย่าง แสงมีความยาวคลื่นที่สั้น จึงส่งผลให้เกิดเงาแสงได้ง่าย แตกต่างจากเงาเสียง หลายคนคงเคยได้ยินเสียงเพลงที่กระจัดกระจาย ตามห้องโถงทางเดิน แต่อาจไม่เห็นแสง เพราะแสงไม่อาจเลี้ยวเบนได้ เมื่อเทียบกับขนาดของสิ่งกีดขวาง

อีกวิธีหนึ่ง ในการดูความสัมพันธ์ของความยาวคลื่น และการเลี้ยวเบน คือเปลี่ยนการเปรียบเทียบ โดยจำไว้ว่าขนาดเสียง ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น

พิจารณา (A) มีสิ่งกีดขวางเดียวกับ (B) อย่างไรก็ตาม ความถี่ของเสียงในรูป (A) สูงกว่า (B) จึงมีพื้นที่เงาที่มากกว่า และยิ่งความถี่ที่ต่ำ จะยิ่งฉายเงาได้น้อย

สิ่งกีดขวางเสียงบนเส้นทางหลวง เป็นสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไป ตามถนนที่พลุกพล่าน และนี่คือตัวอย่างของอุปสรรค ที่ออกแบบมาเพื่อแยกผู้ฟังที่อยู่ในแหล่งชุมชน กับเสียงที่ดังจากการจราจรอันคับคั่ง

ในรูปด้านบนระยะห่างของช่อง Wavefronts บ่งชี้ถึงความถี่ที่ค่อนข้างสูง สิ่งกีดขวางจะกลายเป็นมีขนาดใหญ่ เมื่อเทียบกับความยาวคลื่นของเสียง และสามารถป้องกันผู้ฟังจากเสียง ได้สำเร็จในอีกด้านหนึ่ง เสียงการจราจรความถี่สูงจะถูกลดทอน

ในส่วนความถี่ต่ำรูปด้านล่าง อุปสรรคจะกลายเป็นขนาดเล็ก เมื่อเทียบกับความยาวคลื่นของเสียง ความถี่ต่ำเลี้ยวเบนเหนือสิ่งกีดขวาง ทำให้ไม่สามารถป้องกันผู้ฟังจากเสียง ได้สำเร็จในอีกด้านหนึ่ง

ดังนั้น

เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความถี่ของเสียง ผู้ฟังในอีกด้านหนึ่ง จะได้ยินเสียงการจราจรที่มีเสียงทุ้มเป็นหลัก

รูปแสดงการประเมิน ประสิทธิผลของสิ่งกีดขวางการจราจร ในแง่ของการลดทอนเสียงรบกวน โดยความสูงของสิ่งกีดขวาง จะมีผลต่อความถี่เสียง

ตัวอย่าง ในเงาของกำแพงสูงใหญ่ ศูนย์กลางของทางหลวง อยู่ห่างจากกำแพงประมาณ 30 ฟุต และอีก 30 ฟุตจากกำแพงอีกฝั่งหนึ่ง จะเป็นพื้นที่บ้าน หรือพื้นที่อ่อนไหวต่อเสียง

กำแพงสูง 20 ฟุตจะให้การลดทอนเสียงประมาณ 25 เดซิเบลจากทางหลวง ที่ความถี่ 1,000 Hz อย่างไรก็ตาม การลดทอนเสียงบนทางหลวงที่ความถี่ 100 Hz จะได้เพียงประมาณ 15 เดซิเบล

หมายความว่า ผนังมีประสิทธิภาพน้อยลงที่ความถี่ต่ำ และประสิทธิภาพในการป้องกันเสียง ยังขึ้นอยู่กับความสูง และยาวของสิ่งกีดขวางอีกด้วย

การเลี้ยวเบนของเสียงผ่านช่อง (Diffraction by Apertures)

การเลี้ยวเบนผ่านช่องขึ้นอยู่กับขนาดของช่อง และความยาวคลื่นของเสียง เช่นเดียวกันกับการเลี้ยวเบนรอบสิ่งกีดขวาง การเลี้ยวเบนผ่านช่องจะเพิ่มขึ้นเมื่อความถี่ต่ำลง

เมื่อคลื่นเสียงกระทบสิ่งกีดขวาง การเลี้ยวเบนขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของเสียง และขนาดสัมพัทธ์ของช่อง

(A) ช่องมีความกว้างมากกว่าความยาวคลื่น ทำให้คลื่นผ่านไปได้ โดยรบกวนทิศทางเล็กน้อย

(B) หากเปรียบเทียบกับช่องที่แคบ ความยาวคลื่นเดียวกันกับ A จะสร้างสนามเสียงแบบครึ่งซีก แผ่ออกไปอีกด้านหนึ่งของสิ่งกีดขวาง

ส่วนใหญ่พลังงานที่ส่งผ่านช่องขนาดเล็ก จะเกิดการเลี้ยวเบน และมักเกิดขึ้นได้ง่าย โดยเฉพาะในความถี่ต่ำ

การเลี้ยวเบนรอบศีรษะมนุษย์ (Diffraction around the Human Head)

แสดงให้เห็นการเลี้ยวเบนที่เกิดจากวัตถุทรงกลม ขนาดประมาณศีรษะมนุษย์ ซึ่งไม่ว่าการเลี้ยวเบน หรือการสะท้อนจากศีรษะ ไหล่ ลำตัว หรือร่างกายส่วนบน ล้วนส่งผลต่อการรับรู้เสียงของมนุษย์

โดยทั่วไป สำหรับเสียงที่มาจากทางด้านหน้า ความถี่ที่ 1 ถึง 6 kHz  การเลี้ยวเบนของศีรษะ มีแนวโน้มที่จะเพิ่มแรงดันเสียง ที่อยู่ด้านหน้า และลดลงที่ด้านหลังศีรษะ

สำหรับความถี่ต่ำ รูปแบบทิศทาง จะมีแนวโน้มที่จะคล้ายวงกลมมากขึ้น เนื่องจากการเลี้ยวเบนของความถี่ต่ำ

การเลี้ยวเบนโดยขอบตู้ลำโพง (Diffraction by Loudspeaker Cabinet Edges)

เมื่อคลื่นเสียงชนกับสิ่งกีดขวาง จะเกิดการบิดเบี้ยว หรือมีการปรับเปลี่ยนทิศทาง สิ่งนี้แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความถี่ของเสียง ความถี่ที่ต่างกันย่อมมีความยาวคลื่นที่ไม่เหมือนกัน ถ้าความยาวคลื่นมากกว่าขนาดของสิ่งกีดขวาง มันก็จะผ่านไปเหมือนไม่มีอะไรเกิดขึ้นเลย ดังนั้นสำหรับวูฟเฟอร์ การเลี้ยวเบนขอบตู้ลำโพงจึงไม่ใช่ปัญหามากนัก แต่สำหรับความถี่สูงซึ่งมีความยาวคลื่นสั้น การเลี้ยวเบนสามารถเกิดขึ้นได้

จากรูปคลื่นเสียงกำลังขยายตัวในลักษณะครึ่งซีก เมื่อคลื่นไปถึงขอบของแผ่นกั้นลำโพง จะเป็นการสร้างคลื่นเสียงเพิ่ม และเคลื่อนที่ไปข้างหน้า มายังจุดรับฟังในเวลาที่ต่างกัน เกิดเป็นการเสริม และลดความถี่สลับกัน (Comb filter)

เนื่องจากแต่ละความถี่มีความยาวคลื่นของตัวเอง และเมื่อเกิดการเลี้ยวเบนจากขอบตู้ ก็จะมีความสัมพันธ์ของเฟส ที่แตกต่างกันออกไป ในแต่ละความถี่เสียง สามารถลดลงได้โดยการปัดขอบตู้ หรือใช้วัสดุดูดซับเสียง รอบด้านหน้าของตู้ลำโพง

สรุป การเลี้ยวเบนของเสียง

ความรู้ ความเข้าใจ ในเรื่องการเลี้ยวเบนของเสียง (Diffraction) ถูกนำไปต่อยอดในหลาย ๆ เรื่อง ทั้งการออกแบบทางอะคูสติก การออกแบบลำโพง และอีกมากมาย จึงเป็นอีกเรื่องที่แนะนำให้ศึกษากันครับ