การหักเหของเสียง (Refraction of Sound)

การที่เสียงแพร่กระจายไปยังตัวกลางต่าง ๆ ที่มีลักษณะความเร็วเสียงแตกต่างกัน จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในทิศทางการเดินทาง ส่วนรายละเอียดจะเป็นอย่างไร ติดตามกันได้เลยครับ

ธรรมชาติของการหักเห (The Nature of Refraction)

ความแตกต่างระหว่างการดูดซับ และการสะท้อนของเสียงนั้นชัดเจน แต่หลายครั้งก็มีความสับสนระหว่าง การเลี้ยวเบน และ การหักเหของเสียง

การหักเห คือการเปลี่ยนแปลงในทิศทางการเดินทางของเสียง เนื่องจากความแตกต่างในความเร็วของการแพร่กระจาย ระหว่างตัวกลาง

ส่วนการเลี้ยวเบน คือการเปลี่ยนแปลงทิศทางการเดินทางของเสียง เมื่อกระทบกับสิ่งกีดขวาง ขอบ และช่องต่าง ๆ

แน่นอนในสถานการณ์จริง เอฟเฟกต์ทั้งสองสามารถส่งผลกระทบต่อเสียงได้ในเวลาเดียวกัน

ภาพประกอบการหักเหของแสง ที่เกิดจากความต่างกัน ของความเร็วในการแพร่กระจาย ที่ตัวกลางเป็นอากาศและน้ำ การเปลี่ยนแปลงของดัชนีการหักเหของแสง จะเกิดขึ้นอย่างกะทันหัน เช่นเดียวกันกับการหักเหของเสียง อาจเกิดขึ้นอย่างกะทันหัน หรือค่อยเป็นค่อยไป ก็ขึ้นอยู่กับว่า ตัวกลางส่งผลกระทบกับความเร็วอย่างไร

แนวคิดของรังสีเสียง มีประโยชน์ในการพิจารณาทิศทางของการแพร่กระจาย โดยรังสีเสียงจะหมายถึง เส้นที่แสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของหน้าคลื่น และตั้งฉากกับหน้าคลื่นเสมอ

จากรูปแสดงรังสีเสียงสองเส้น ที่ส่งผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูง (ความเร็วเสียงสูง) ไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า (ความเร็วเสียงต่ำกว่า) สังเกตุได้ว่า รังสีจะหักเหสู่ตัวกลาง ที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า (ความเร็วเสียงต่ำกว่า)

เมื่อรังสีหนึ่งไปถึงขอบเขตระหว่างตัวกลางที่จุด (A) รังสีอีกด้านหนึ่งยังคงมีระยะห่างพอสมควร กว่าจะเปลี่ยนตัวกลาง (B)

ต่อมาในช่วงเวลาที่รังสีเดินทางจาก (B) ไปถึง (C) รังสีอีกด้านหนึ่งเดินทางได้สั้นกว่า คือจาก (A) ไปถึง (D) เกิดจากตัวกลางใหม่ที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า (ความเร็วเสียงต่ำกว่า)

รังสีเสียงในตัวอย่างนี้ หักเหเมื่อเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า ซึ่งมีความเร็วเสียงสูงกว่า ไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า ซึ่งมีความเร็วเสียงต่ำกว่า หน้าคลื่น (A-B) ไม่ขนานกับ (C-D) เนื่องจากทิศทางของคลื่นเปลี่ยนไปจากการหักเหของรังสีเสียง

เปรียบเทียบ สมมติให้พื้นที่แรเงา เป็นพื้นลาดยาง และพื้นที่ไม่แรเงาเป็นพื้นทราย หน้าคลื่น (A-B) เป็นแนวทหาร ที่เดินทัพตามระเบียบ คืบหน้าไปได้ดีบนพื้นลาดยาง เมื่อทหาร (A) มาถึงพื้นทรายพวกเขาช้าลง และเมื่อทหาร (A) เดินทางไปที่ (D) บนพื้นทราย กับทหาร (B) เดินไปที่ (C) บนพื้นลาดยาง ซึ่งจาก (B) ไป (C) สามารถทำได้เร็วกว่า

สิ่งนี้ทำให้แนวทหารเอียงไปในทิศทางใหม่ นั่นคือคำจำกัดความของการหักเห ซึ่งถ้าในตัวกลางเดียวกัน รังสีเสียงจะเดินทางเป็นเส้นตรง (ไปในทิศทางเดียวกัน) แต่หากพบกับตัวกลางความหนาแน่นอื่น รังสีเสียงจะหักเห

การหักเหเสียงในบรรยากาศ (Refraction in the Atmosphere)

ชั้นบรรยากาศของโลก เป็นเพียงตัวกลางที่เสถียร และสม่ำเสมอสำหรับการแพร่กระจายเสียง บางครั้งอากาศใกล้พื้นโลกอุ่นกว่าอากาศที่อยู่สูงขึ้นไป (มักเกิดขึ้นในช่วงกลางวัน) แต่บางครั้งพื้นโลกก็เย็นกว่า (มักเกิดขึ้นในช่วงกลางคืน) เปรียบเสมือนการเปลี่ยนแปลงในแนวตั้งของโลก ควบคู่ไปกับการเปลี่ยนแปลงอื่น ๆ ที่เกิดขึ้นในแนวนอน ตามแต่ละพื่นที่ ซึ่งเป็นระบบที่สลับซับซ้อน และมีความท้าทายเป็นอย่างมาก ที่นักออกแบบระบบเสียงจะต้องทำความเข้าใจ

(A) ในกรณีที่อุณหภูมิเดียวกัน รังสีเสียงจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง

(B) มีการไล่ระดับอุณหภูมิ ระหว่างอากาศเย็นใกล้พื้นผิวโลก กับอากาศที่อุ่นกว่าลอยอยู่ด้านบน สิ่งนี้ส่งผลต่อหน้าคลื่นของเสียง รังสีเสียงเดินทางในอากาศอุ่นเร็วกว่าในอากาศเย็น ทำให้คลื่นด้านบนเคลื่อนที่เร็วกว่าส่วนล่าง การเอียงของหน้าคลื่นจะนำรังสีเสียงลงด้านล่าง

ภายใต้สภาวะดังกล่าว รังสีเสียงจากแหล่งกำเนิด S จะก้มลงสู่พื้นผิวโลกอย่างต่อเนื่อง และได้ยินในระยะทางที่ค่อนข้างไกล

(C) การไล่ระดับอุณหภมิจะกลับกัน เมื่ออากาศใกล้พื้นผิวโลกอุ่นกว่าอากาศที่อยู่สูงขึ้นไป ในกรณีนี้ ส่วนล่างของหน้าคลื่นเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าส่วนยอด ส่งผลให้เกิดการหักเหของรังสีเสียงขึ้นไปด้านบน

พลังงานเสียงเดียวกันจากแหล่งกำเนิด S จะกระจายไปในชั้นบรรยากาศ ช่วยลดโอกาสที่เสียงจะได้ยินในระยะไกลที่พื้นผิวโลก

(A) ไล่ระดับอุณหภูมิ ระหว่างอากาศเย็นใกล้พื้นผิวโลก กับอากาศที่อุ่นกว่าลอยอยู่ด้านบน  รังสีเสียงที่เดินทางขึ้นจากแหล่งกำเนิด S โดยตรงมุมฉากจะไม่หักเห ต่อมารังสีเสียงทั้งหมด ยกเว้นแนวตั้งฉากจะหักเหลงมา รังสีที่อยู่ใกล้กับแนวตั้งจะหักเหน้อยกว่ารังสีที่ขนานกับพื้นผิวโลก

(B) ต่อมาไล่ระดับอุณหภมิจะกลับกัน รังสีเสียงที่เดินทางขึ้นจากแหล่งกำเนิด S จะหักเหขึ้นไป รังสีที่อยู่ใกล้กับแนวตั้ง จะหักเหน้อยกว่ารังสีที่ขนานกับพื้นผิวโลก ปรากฎการนี้ทำให้เกิดพื้นที่เงา คือพื้นที่ไม่มีรังสีเสียง

ลมสามารถส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญ ต่อการแพร่กระจายของรังสีเสียง และมีบทบาทสำคัญ ในการวิเคราะห์มลพิษทางเสียงในระยะทางไกล

ตัวอย่างเช่น ในวันที่ลมแรง รังสีเสียงสามารถผ่านสิ่งกีดขวางการจราจร ที่ปกติจะปิดกั้นเสียงการจราจรไว้ อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่เพราะลมพัดเสียงเข้าหาผู้ฟัง แต่เป็นเพราะความเร็วลมโดยทั่วไป พื้นดินความเร็วลมจะช้ากว่าในที่สูง

การไล่ระดับลมนี้ อาจส่งผลต่อการแพร่กระจายของรังสีเสียง ในระนาบคลื่นเสียงจากแหล่งกำเนิดที่ห่างไกล ซึ่งเดินทางไปพร้อมกับลมจะก้มลงสู่พื้นโลก คลื่นระนาบต้านลมจะโก่งตัวขึ้น นี่ไม่ใช่การหักเหที่แท้จริง แต่ผลจะเหมือนกัน และอาจมีความสำคัญพอ ๆ กับการหักเหของอุณหภูมิ

การหักเหของเสียงในพื้นที่ปิด (Refraction in Enclosed Spaces )

การหักเหมีผลสำคัญต่อเสียงภายนอกอาคาร แต่มีบทบาทน้อยกว่ามากในที่ร่ม พิจารณาโรงยิมอเนกประสงค์ที่ทำหน้าที่เป็นหอประชุม ด้วยความร้อนปกติและระบบปรับอากาศ พยายามหลีกเลี่ยงการไล่ระดับอุณหภูมิ หากมีความสม่ำเสมอของอุณหภูมิภายในอาคาร จะทำให้ไม่มีปัญหา

พิจารณาโรงยิมเดียวกันที่ใช้เป็นหอประชุม แต่มีเครื่องปรับอากาศน้อยกว่า สมมติว่ามีเครื่องทำความร้อนขนาดใหญ่ ติดตั้งบนเพดาน เกิดเป็นแหล่งเก็บอากาศร้อนด้านบน และอากาศเย็นด้านล่าง อาจมีผลกระทบเล็กน้อยต่อการส่งสัญญาณจากระบบเสียง และต่ออะคูสติกของพื้นที่ คลื่นนิ่งของห้องอาจเปลี่ยนไปเล็กน้อยตามยาว และตามขวาง

เส้นทางเสียงมีความยาวเพิ่มขึ้น เนื่องจากความโค้งจากการหักเหของรังสีเสียง ระบบเสียงที่ติดตั้งอยู่สูงที่ปลายด้านหนึ่งของห้อง เส้นทางรังสีเสียงสามารถโค้งลงได้ ความโค้งดังกล่าวอาจช่วยเพิ่มความครอบคลุมของผู้ชมได้จริง ขึ้นอยู่กับทิศทางของการแผ่รังสีเสียง

สรุป การหักเหของเสียง (Refraction of Sound)

การหักเหของเสียง (Refraction) ความรู้ในด้านนี้ เป็นพื้นฐานที่สำคัญอย่างยิ่ง สำหรับการต่อยอดในงานสายของ Live Sound System Engineer และ Acoustic Engineer โดยต้องจำไว้เสมอว่า รังสีเสียงส่งผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูง (ความเร็วเสียงสูง) ไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า (ความเร็วเสียงต่ำกว่า)  รังสีจะหักเหสู่ตัวกลาง ที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า (ความเร็วเสียงต่ำกว่า) เสมอ ๆ

บทความที่แนะนำให้อ่านต่อ การกระจายของเสียง (Diffusion of Sound)