เสียง คืออะไร ?

ฟิสิกส์ของเสียง (The Physics of Sound)

เสียง คืออะไร ? เสียง คือ พลังงานชนิดหนึ่ง ที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเกิดการสั่น (Vibration Nature) พลังงานเสียงจะแผ่ออกจากจุดกำเนิดเสียง และถ่ายทอดพลังงานให้แก่ตัวกลาง ทำให้อนุภาคของ ตัวกลางเกิดการสั่นไหว ถ่ายทอดพลังงานไปสู่อนุภาคข้างเคียง ถ้าเสียงเคลื่อนที่ไปในอากาศ พลังงานเสียงจะทำให้ความดันบรรยากาศ เกิดการเปลี่ยนแปลงความดัน เมื่อคลื่นเสียงกระทบหู จะเกิดการถ่ายทอดพลังงาน และทำให้ได้ยินเสียง

เสียงถูกจัดให้อยู่ในประเภทคลื่นกล (Mechanical Wave) คือ คลื่นที่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ และเป็นคลื่นตามยาว (Longitudinal Wave) คือ เป็นคลื่นที่มีทิศทางการสั่นของตัวกลาง อยู่ในแนวขนานกับการเคลื่อนที่ของคลื่น

การแพร่กระจายของเสียงในอากาศ (Propagation of Sound)

เสียง คืออะไร อนุภาคในอากาศเคลื่อนที่ไปมา สามารถนำเสียงจากลำโพงมาสู่หูได้อย่างไร ?

อากาศแต่ละชั้น จะประกอบไปด้วย อนุภาคอากาศขนาดเล็ก ซึ่งในความเป็นจริง จะมีมากกว่า 1 ล้านอนุภาคในอากาศหนึ่งลูกบาศก์นิ้ว แต่เมื่อเกิดการสั่น การสั่นเหล่านี้จะไปข้างหน้า (ในรูปคือขยับไปทางขวา) และรบกวนชั้นของอากาศ เริ่มต้นจากชั้นแรกไปข้างหน้า แล้วไปรบกวนชั้นที่ 2 แล้วชั้นแรกก็กลับมาที่เดิม (เพราะเสียงเป็นตัวกลางที่ยืดหยุ่น) ต่อมา ชั้น 2 ไปข้างหน้า แล้วไปรบกวนชั้นที่ 3 แล้วชั้นที่ 2 ก็กลับมาที่เดิม ไปเรื่อย ๆ จนมากระทบกับแก้วหู

การเปิดเพลงจะทำให้ชั้นอากาศ สั่นอย่างต่อเนื่อง โดยมีการขยับดังรูปแบบต่อไปนี้

จะเห็นได้ว่ารูปสุดท้าย เสียงจะขยับไปด้านขวามากกว่ารูปอื่น ๆ กระทบหู แสดงให้เห็นถึงการได้ยิน

จากรูปในส่วนที่ 1 และ 2 แทนการบีบอัด เรียกว่า Compression มีความกดอากาศสูง และ ส่วนที่ 2 และ 3  แทนการคลาย เรียกว่า Rarefaction มีความกดอากาศต่ำ

ภายใน 1 ลูกคลื่น จะถูกกำหนดให้มีทั้ง การบีบอัด และการคลาย ที่มีทั้งความกดอากาศสูง และความกดอากาศต่ำ อนุภาคที่รวมเป็นก้อน แสดงถึงพื้นที่ของการบีบอัด(ยอดคลื่น) ส่วนอนุภาคที่เบาบาง แสดงถึงพื้นที่การคลาย(ท้องคลื่น)

(คลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง จะเปลี่ยนความหนาแน่นของอนุภาคของตัวกลาง (A) คลื่นเสียงทำให้อนุภาคอากาศถูกกดเข้าด้วยกัน (บีบอัด) ในบางส่วน และกระจายออก (rarefaction) ในส่วน (B) เมื่อเวลาผ่านไป คลื่นเสียงก็จะเคลื่อนไปทางขวาเล็กน้อย)

ความเร็วเสียง (Speed of Sound)

เสียงเดินทางด้วยความเร็วที่เท่า ๆ กันในทุกความถี่เสียง ที่ 331.29 เมตร หรือ 1086.9 ฟุต ต่อวินาที ที่อุณหภูมิ 0 องศา หรือ 32 ฟาเรนไฮต์ โดยจะแปลผันตามอุณหภูมิ โดยอุณหภูมิที่สูง จะส่งผลให้เสียงเดินทางได้เร็วขึ้น

สมการสำหรับคำนวนหาความเร็วเสียงในอากาศ

vt = 331 + 0.6(t)

โดยที่ t = อุณหภูมิของอากาศ หน่วยองศาเซลเซียส (C)
vt = อัตราความเร็วเสียงในอากาศ เมตรต่อวินาที (m/s)

ตัวอย่าง 1 จงหาความเร็วเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ 25 องศา

vt = 331 + 0.6(25)
vt = 346

ดังนั้น ความเร็วเสียงที่อุณหภูมิ 25 องศา เท่ากับ 346 เมตร:วินาที หรือ 346 m/s

ตัวอย่าง 2 จงหาความเร็วเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ 30 องศา

vt = 331 + 0.6(30)
vt = 349

ดังนั้น ความเร็วเสียงที่อุณหภูมิ 30 องศา เท่ากับ 349 เมตร:วินาที หรือ 349 m/s

ตัวอย่าง 3 จงหาความเร็วเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ 35 องศา

vt = 331 + 0.6(35)
vt = 352

ดังนั้น ความเร็วเสียงที่อุณหภูมิ 35 องศา เท่ากับ 352 เมตร:วินาที หรือ 352 m/s

จะเห็นได้ว่า “เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความเร็วเสียงในอากาศก็จะเพิ่มขึ้นไปด้วยนั่นเอง”

ความยาวคลื่น และความถี่ (Wavelength and Frequency)

ความยาวคลื่น แทนสัญลักษณ์ λ(แลมด้า) คือ ระยะทางที่คลื่น เดินทางในช่วงเวลาหนึ่งรอบ (1 Cycle) ความยาวคลื่นสามารถวัดได้ระหว่าง ยอดคลื่นลูกหนึ่งถึงยอดคลื่นอีกลูกหนึ่ง , ท้องคลื่นลูกหนึ่งถึงท้องคลื่นอีกลูกหนึ่ง, หรือส่วนไหนก็ตามแต่ จนกว่ารูปคลื่นจะครบ 360องศา

ส่วนความถี่ Frequency ระบุจำนวนรอบลูกคลื่นต่อวินาที หน่วยเป็น Hz (เฮิรตซ์) ถ้าเสียงเดินทางได้ 100 ลูกคลื่นภายใน 1 วินาที จะถูกเรียกว่า 100 Hz และถ้าเดินทางได้ 1000 ลูกคลื่นภายใน 1 วินาที จะถูกเรียกว่า 1000 Hz หรือ 1 kHz

ความถี่ และความยาวคลื่นสัมพันธ์กันดังนี้

ความยาวคลื่น(m) =  ความเร็วเสียงในอากาศ(m/s) / ความถี่(f) สมการจะเท่ากับ λ  = V / f

ความถี่(f) = ความเร็วเสียงในอากาศ(m/s) / ความยาวคลื่น(m) สมการจะเท่ากับ   f = V / λ

ความเร็วเสียงในอากาศ(m/s) = ความยาวคลื่น(m) . ความถี่(f) สมการจะเท่ากับ   V = λ . f

ตัวอย่างที่ 1 จงหาความยาวคลื่นของความถี่ 1000 Hz ที่ความเร็วเสียงในอากาศเท่ากับ  346 m/s

จากสมการหาความยาวคลื่น

λ  = V / f
λ  = 346 / 1000
λ  = 0.346

ดังนั้น ความยาวคลื่นของความถี่ 1000 Hz จะเท่ากับ 0.346 เมตร

ตัวอย่างที่ 2 จงหาความความถี่ ของความยาวคลื่น 3.46 เมตร ที่ความเร็วเสียงในอากาศเท่ากับ  346 m/s

จากสมการหาความยาวคลื่น

f = V / λ
f = 346 / 3.46
f = 100

ดังนั้น ความถี่ของความยาวคลื่น 3.46 เมตร จะเท่ากับ 100 Hz

คาบ (period)

คือ ช่วงเวลาที่คลื่น เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ จนครบหนึ่งรอบลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ T มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบ (s) สามารถหาได้จาก

TF=1

โดยให้ T = เวลา และ F เท่ากับความถี่เสียง

ตัวอย่างที่ 1 จงหาว่า ที่ความถี่ 1000 Hz เสียงใช้เวลาเดินทาง 1รอบลูกคลื่น เป็นเวลาเท่าไร

จากสมการ TF=1 เมื่อหาเวลา จะได้

T = 1 / F
T = 1 / 1000
T = 0.001

ดังนั้น เสียงที่ความถี่ 1000 Hz เสียงใช้เวลาเดินทาง 1รอบลูกคลื่น เป็นเวลา 0.001s หรือ 1ms

ตัวอย่างที่ 2 จงหาว่า เสียงที่ใช้เวลาที่ 10ms หรือ 0.01s ตรงกับความยาวลูกคลื่น ที่ความถี่เท่าไร

จากสมการ TF=1 เมื่อหาเวลา จะได้

F = 1 / T
F = 1 / 0.01
F = 100

ดังนั้น เสียงที่ใช้เวลาที่ 10ms หรือ 0.01s ตรงกับความยาวลูกคลื่น ที่ความถี่ 100 Hz

แอมพลิจูด (Amplitude)

แอมพลิจูด คือ ขนาดของการเปลี่ยนแปลงของค่าต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นจากการแกว่งตัวในระบบ ตัวอย่างเช่น คลื่นเสียง คือการแกว่งตัวของแรงดันในบรรยากาศ แอมพลิจูด คือการเปลี่ยนแปลงของแรงดันในแต่ละรอบ สามารถวาดเส้นกราฟออกมา โดยให้แอมพลิจูดเป็นแกนแนวตั้ง และแนวนอนเป็นเวลา แสดงให้เห็นภาพของแอมพลิจูด เป็นการเปลี่ยนแปลงขนาดขึ้นลงในแนวดิ่งระหว่างจุดสูงสุด และจุดต่ำสุด ซึ่งสามารถบอกได้ถึงอัตราความแตกต่างของความดันเสียง จากอัตราการแกว่ง

คลื่นทับซ้อน (Complex Waves)

ลักษณะคลื่นเสียงที่เกิดตามธรรมชาติ จะมีความถี่เสียงจำนวนมาก Complex Waves จึงประกอบไปด้วย Sine Wave ที่มีความถี่ต่างกัน แอมพลิจูดต่างกัน และความสัมพันธ์ของเวลา (เฟส) ต่างกัน Joseph Fourier เป็นคนแรกที่ได้พิสูจน์ความสัมพันธ์เหล่านี้

ฮาร์มอนิก (Harmonics) และ อ็อกเทฟ (Octaves)

ฮาร์มอนิก (Harmonics) คือ สัญญาณที่มีความถี่ เป็นจำนวนเท่าของความถี่มูลฐาน (Fundamental Frequency) เช่น ความถี่มูลฐาน หรือ ฮาร์มอนิกที่ 1 คือ 100 Hz ความถี่ฮาร์มอนิกที่ 2 คือ (100×2) = 200 Hz ,ฮาร์มอนิกที่ 3 คือ (100×3) = 300 Hz ,ฮาร์มอนิกที่ 4 คือ (100×4) = 400 Hz ไปเรื่อย ๆ

อ็อกเทฟ (Octaves) คือ ความถี่ที่ถูกกำหนดให้เป็นอัตราที่ 2:1 ตัวอย่างเช่น C4 มีความถี่เสียงใกล้กับ 261 Hz ,C5 จะมีความถี่เป็น (261 x 2) = 522 Hz และ C3 จะเป็น (261/2) =130.5 Hz

เนื่องจากอัตราส่วน 2:1 ถูกกำหนดให้เป็น อ็อกเทฟ (Octaves) สมการ คือ

f₂  / f₁ = 2ⁿ

โดยที่

f₂ = ความถี่บนของช่วง Octaves

f₁ = ความถี่ล่างของช่วง Octaves

n = จำนวน Octaves

ตัวอย่างที่ 1 ให้ความถี่ล่างของช่วง Octaves  เท่ากับ 20 Hz แล้ว จงหาความถี่ที่ 10 octaves

f₂ / 20 = 2¹⁰

f₂ = (1024)(20)

f₂ = 20,480 Hz

ดังนั้น ความถี่ 10 Octaves ของความถี่ที่ 20 Hz จะเท่ากับ 20,480 Hz

ตัวอย่างที่ 2 ให้ 446 Hz เป็นความถี่ล่างของช่วง Octaves จงหาความถี่ที่ 1/3 ของ Octave ถัดไป

f₂ / 446 = 2^1/3

f₂ = (1.2599)(446)

f₂ = 561.9 Hz

ดังนั้น ความถี่ 1/3 Octaves ของความถี่ 446 Hz จะเท่ากับ 561.9 Hz

ฮาร์มอนิก (Harmonics)

เริ่มต้นจาก Sine Wave ที่มีเพียงความถี่ใด ความถี่เดียว ในคาบเวลาหนึ่ง จะเห็นได้ว่า f1, f2, f3 มีการสั่นของรูปคลื่นที่แตกต่างกัน ซึ่งมีความสัมพันธ์กันในเชิง Harmonic ยิ่งการสั่นเยอะนั่น หมายถึง ความถี่เสียงยิ่งสูง เมื่อเปรียบเทียบระหว่าง f1 และ f2 จะเห็นได้ว่า f2 เป็นความถี่ฮาร์มอนิกที่สูง และมีความดันเสียงที่น้อยกว่า f1 เมื่อเสียงทั้ง f1 และ f2 เกิดขึ้นพร้อมกัน จะเกิดการซ้อนทับของคลื่นตามรูป f1 + f2 จะสังเกตุได้ว่าลักษณะของคลื่นจะเปลี่ยนไป

และเมื่อซ้อนทับกับคลื่นของ f3 ที่มีความถี่ฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นอีก จะเกิดคลื่นในลักษณะใหม่ตามรูป f1 + f2 + f3 คลื่นที่เกิดจากการซ้อนทับ จะเปลี่ยนแปลงไปเรื่อย ๆ ขึ้นอยู่กับความถี่เสียง ความเข้ม และเวลาที่เข้ามารวมกัน ไม่ว่าคลื่นเสียง หรือ คลื่นอิเล็กทรอนิกส์ กระบวนการพวกนี้สามารถทำย้อนกลับเพื่อแสดงผลได้เสมอ

รูปคลื่น (Waveform)

Waveform จะเห็นได้จากในโปรแกรมบันทึกเสียง เมื่อเสียงได้ถูกบันทึก Waveform จะถูกปรากฎให้เห็นเมื่อเวลาผ่านไป กระบวนการ Fourier transform จะสามารถแยกความถี่ และความดังออกจาก Waveform แล้วแสดงให้เห็น

ยกตัวอย่าง

รูป a ที่มีลักษณะเป็นสี่เหลี่ยม หรือ Square Wave จะเห็นได้ว่าเกิดจากการรวมตัวของ Harmonic ที่เป็นเลขคี่ ที่ความดันเสียงลดหลั่นกันลงมา

รูป b White noise มีความดันเสียงในทุก ๆ ความถี่ที่เท่ากัน

รูป c รูปคลื่นในความเป็นจริง ไม่ว่าจะเป็นเสียงพูด เสียงเครื่องดนตรีชนิดต่าง ๆ ล้วนเกิดความถี่ และความดังเสียงที่แตกต่างกันออกไป ตามเสียงนั้น ๆ

เฟส (Phase)

หมายถึง มุมที่ใช้กำหนดตำแหน่งบนคลื่น ขณะที่เคลื่อนที่

จากเรื่อง ฮาร์มอนิก (Harmonics) จะเห็นได้ว่า ทั้ง f1, f2, f3 จะใช้เวลาเริ่มต้นพร้อมๆกัน จึงเป็นไปตามเงื่อนไขดังกล่าว แต่ในความเป็นจริง เวลาก็สามารถเข้ามาสร้างเงื่อนไขเพิ่มเติมได้ จากรูปต่อไปนี้

จะเกิดอะไรขึ้น ถ้า Harmonic เกิดขึ้นไม่พร้อมกัน โดนมีความล่าช้าที่ต่างกัน  สังเกตุได้จากรูปคลื่น f2 และ f3 ที่ไม่ได้เริ่มต้นพร้อมกันกับ f1 เหมือนตัวอย่างแรกเรื่อง Harmonic พอรวม f1, f2, f3 จะทำให้เกิดรูปคลื่น ที่แตกต่างไปจากรูปแรก

น่าแปลกที่แม้ว่ารูปร่างของรูปคลื่นจะเปลี่ยนไปอย่างมาก โดยการเปลี่ยนความสัมพันธ์ด้านเวลาของส่วนประกอบต่าง ๆ แต่หูก็ค่อนข้างไม่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว

สรุปในหัวข้อเรื่อง เสียง คืออะไร

เสียงที่อยู่ในธรรมชาติ จะเต็มไปด้วยคลื่นเสียงที่แผ่ออกไป ที่มีลักษณะแตกต่างกัน ทั้ง ความถี่ ความดัง แล้วเกิดการซ้อนทับของคลื่นเสียง ทำให้เกิดเสียงที่บ่งบอกถึงตัวตน ตลอดจนคุณภาพเสียงต่าง ๆ การรู้ถึงสิ่งเหล่านี้จึงเป็นสิ่งที่จำเป็น ต่อความเข้าใจเรื่องเสียงในบทถัด ๆ ไป

บทความที่แนะนำให้อ่านต่อ เดซิเบลและระดับเสียง