คลื่นเสียง
“เสียง”
เป็นคลื่นชนิดหนึ่งที่กำเนิดขึ้นได้จากการสั่นของอากาศโดยรอบ ในลักษณะความถี่ต่ำ
มักถูกเรียกว่าความถี่เสียง (Audio Frequency ) มีย่านความถี่ประมาณ
20-20,000 Hz
ความถี่สียงถือเป็นความถี่ที่หูมนุษย์สามารถรับฟังและได้ยินได้
คลื่นเสียงเป็นคลื่นที่ไม่สามารถเดินทางไปได้ไกล เกิดการเจือจางหายได้ง่าย
เพราะเป็นคลื่นที่เกิดจากการสั่นของอากาศ
จากแหล่งกำเนิดเสียงไปยังหูผู้ฟัง
นั่นหมายถึงว่าการรับฟังเสียงได้นั้น อากาศที่อยู่รอบๆหู
ต้องมีการสั่นและไปทำให้เยื่อแก้วหูเกิดการสั่นตาม จึงสามารถฟังคลื่นเสียงนั้นได้ คลื่นเสียงเกิดขึ้นได้จากแหล่งกำเนิดเสียงต่างๆ
หลายชนิดแตกต่างกัน ให้คลื่นเสียงออกมาได้ในความถี่ที่แตกต่างกัน แต่จะมีลักษณะของคลื่นเป็นรูปคลื่นไซน์ (Sine
Wave) เหมือนกัน คือมีส่วนของสัญญาณแรงสุด (Maximum
Signal) และส่วนของสัญญาณเบาสุด (Minimum Signal) การเปลี่ยนแปลงเพิ่มหรือลดเป็นไปตามลำดับสลับไปมา
คลื่นเสียงที่เคลื่อนที่ไปตามอากาศ มีผลทำให้อากาศเกิดการอัดตัว (Compression)
และการขยายตัว (Rarefaction) สลับกันไป เคลื่อนที่ค่อยๆ
ออกห่างจากแหล่งกำเนิดเสียงเพิ่มขึ้นเป็นลำดับ
ลักษณะการเกิดการสั่นของอากาศและการเกิดคลื่นเสียง ช่วงที่อากาศอัดตัวเปรียบได้กับคลื่นไซน์ช่วงบวก(+)
และในช่วงที่อากาศขยายตัวเปรียบได้กับคลื่นไซน์ช่วงลบ (-)
การเกิดคลื่นเสียงแบบไซน์นี้เกิดสลับไปสลับมาตลอดเวลา
ช่วงอัดตัวของคลื่นส่วนหนึ่งไปยังช่วงอัดตัวของคลื่นอีกส่วนหนึ่งถูกเรียกว่าความยาวคลื่น
( l ) ซึ่งต้องคิดเทียบเวลา ส่วนประกอบของคลื่นเสียงประกอบด้วย ความถี่ (Frequency)
, ความแรง (Amplitude) , ความเร็ว (Velocity)
, ความยาวคลื่น (Wavelength) , รอบคลื่น (Cycle)
และเฟส (Phase)
คุณสมบัติและส่วนประกอบของคลื่นเสียง
อากาศคือตัวกลางในการพาคลื่นเสียงให้เคลื่อนที่ไปได้ โดยอาศัยการอัดตัวและการขยายตัวของ โมเลกุล (Molecule) อากาศ โมเลกุลอากาศมีลักษณะที่ยืดหยุ่นได้ (Elasticity)
ช่วยให้คลื่นเสียงเดินทางไปได้ด้วยการส่งผ่านแรงกระตุ้นจากโมเลกุลหนึ่งไปยังโมเลกุลข้างเคียงเป็นลำดับ
ความเร็วเสียงของคลื่นเสียงที่ในอากาศที่
0°c ได้เท่ากับ 331
เมตร/วินาที และมีความเร็วเพิ่มขึ้นประมาณ
0.6 เมตร/วินาที เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1°c สามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้
V = V° +0.6t
เมื่อ V = อัตราเร็วของเสียงที่อุณหภูมิใดๆ
หน่วยเป็นเมตร/วินาที (m/s)
V° = อัตราเร็วของเสียงที่
0°c = 331 m/s
t = อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นหรือลดลงจาก
0°c
วิธีคิดง่ายๆถ้าเราขี้เกียจหาก็คือ ทุกๆ 3 เมตรอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้น
5ºc เช่นถ้าเราเซ็ตเสียงภายในรถที่มีอุณหภูมิห้อง
20ºC ก็จะมีระยะทาง = 343 เมตร/วินาทีครับ
ในคราวหน้าผมจะมาอธิบายเรื่องการหาจุดตกของเสียงอีกทีครับ (สูตรการคำนวณนี้สามารถใช้ได้ทั้งการเซ็ตรถแบบ
SQ ,SQL , SPL เลยนะครับ)
แต่เราก็ต้องทำความเข้าใจกับมันเสียก่อนนะครับ เอามาอ่านกันต่อ คลื่นเสียงที่กำเนิดขึ้นมาปกติจะมีลักษณะเป็นรูปคลื่นไซน์ ที่มีการแกว่งตัวไปในช่วงบวก (+) และกลับมาในช่วงลบ (-) สลับไปมาตลอดเวลา การแกว่งตัวที่เกิดขึ้นนี้เป็นไปอย่างมีจังหวะ
อยู่ในรูปของฮาร์โมนิกพื้นฐาน
หรือคือคลื่นเสียงที่กำเนิดขึ้นมาจากแหล่งกำเนิดโดยไม่มีคลื่นอื่นปะปน ลักษณะคลื่นเสียงเป็นแบบไซน์และส่วนประกอบ ฮาร์โมนิกพื้นฐานมีส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องหลายส่วนที่เราควรรู้จักดังนี้นะครับ
รอบคลื่น
คือการแกว่งตัวของคลื่นเสียงแบบไซน์ไปทางช่วงบวก (+) หนึ่งครั้งและกลับมาทางช่วงลบ
(-) หนึ่งครั้ง จนครบรอบการเคลื่อนที่
หรือกล่าวได้อีกลักษณะหนึ่งว่าคือการเคลื่อนที่ของโมเลกุลอากาศในช่วงอัดตัวหนึ่งครั้ง และในช่วงขยายตัวหนึ่งครั้ง เป็นการเคลื่อนที่ครบรอบ
รอบคลื่นนี้มีผลบอกให้ทราบถึงความถี่เสียงของคลื่นด้วย รอบคลื่นใช้อักษรย่อ”C”
ความยาวคลื่น คือระยะห่างของยอดคลื่นลูกหนึ่งไปถึงยอดคลื่นอีกลูกหนึ่งที่อยู่ติดกันและมีเฟสเหมือนกัน ความยาวคลื่นสามารถบอกให้ทราบความถี่คลื่นเสียง
และความเร็วในการเคลื่อนที่ของเสียงได้ ความยาวคลื่นใช้อักษรย่อตัวแรมดา “l”
ความแรงคลื่น หรือความดังคลื่น คือระดับความสูงของคลื่นเสียงที่เกิดขึ้นมา
ความแรงคลื่นถูกบอกค่าออกมาเป็นแรงดันหน่วยเป็นโวลต์ (V)
สามารถบอกได้เป็น 2 ค่า คือค่ายอด(Peak Value)
หรือ Vp บอกค่าจากแกน 0V. ไปทางยอดบวกเรียกว่า
+Vp หรือไปทางยอดลบเรียกว่า –Vp และบอกเป็นค่ายอดถึงยอด (Peak to Peak
Value) หรือ Vpp บอกค่าจากยอดลบถึงยอดบวก
ส่วนค่าความดังคลื่นคือความดังของคลื่นเสียงที่หูมนุษย์ได้ยินถูกบอกค่าออกมาเป็นหน่วยเดซิเบล
(Decibel) หรือ dB
ความถี่
คือค่าที่บอกความเร็วรอบในการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียงภายในเวลา 1 นาที (s) ถูกบอกหน่วยเป็นเฮริตซ์ (Hertz) หรือ Hz ค่าความถี่ต้องเกี่ยวข้องกับระดับเสียง (Pitch) ค่าความถี่ต่ำจะมีระดับเสียงต่ำ
และความถี่สูงจะมีระดับเสียงสูง เช่นระดับเสียงที่ใช้ในโน้ตดนตรีได้แก่ โด, เร, มี, ฟา, ซอล, ลา, ซี
เป็นต้นระดับเสียงที่ใช้ในเรื่องเครื่องเสียงแบ่งได้เป็นหลายลักษณะเช่น แบ่งเป็นระดับเสียงที่ใช้ในการขับลำโพงได้แก่
เสียงทุ้ม เสียงกลาง เสียงแหลม
หรือแบ่งออกเป็นแถบความถี่เสียง (Sound Frequency Spectrum) ในดนตรีของชาวตะวันตกนั้น ถูกเรียกว่า ออคเตฟ (Octave) ในแต่ละออคเตฟแบ่งความถี่ออกเป็นช่วงเรียงลำดับกันไป ความถี่ใช้อักษรย่อ “f”
ความเร็ว คือระยะทางที่เสียงเคลื่อนที่ไปได้ภายในเวลา 1 วินาที
ความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียง ขึ้นอยู่กับตัวกลางที่คลื่นเสียงเดินทางไป
เช่น คลื่นเสียงเดินทางในอากาศปกติด้วยความเร็วประมาณ 346 m/s เดินทางในน้ำด้วยความเร็วประมาณ 1463 m/s เดินทางในไม้ด้วยความเร็วประมาณ
3,566 m/s และเดินทางในเหล็กด้วยความเร็วประมาณ 5,486
m/s เป็นต้น ความเร็วใช้อักษรย่อ “v”
ค่าความเร็วของคลื่นเสียงมีความสัมพันธ์กับความถี่และความยาวคลื่น
เขียนความสัมพันธ์ในรูปสมการได้ดังนี้
v
= lf
เมื่อ v = ความเร็วคลื่นเสียง หน่วย m/s
l =
ความยาวคลื่นเสียง
หน่วย m.
f = ความถี่เสียง
หน่วย Hz
เฟส
คือ ตำแหน่งมุมของคลื่นเสียงที่เคลื่อนที่มากระทบเยื่อแก้วหูของมนุษย์
จากที่ทราบแล้วว่าคลื่นเสียงเมื่อเคลื่อนที่ครบรอบ คลื่นมีมุมรวม 360 °
ตำแหน่งมุมตกกระทบแตกต่างกัน
รูปร่างของคลื่นที่ได้ออกมาแตกต่างกัน
หากคลื่นเสียงที่มาตกกระทบมีมากกว่าหนึ่งสัญญาณ จะมีผลต่อความดังของเสียงที่ได้ยินแตกต่างกัน
ผลความดังของเสียงมีค่าโดยตรงกับเฟสของคลื่นเสียงเหล่านั้นที่มาตกกระทบเพราะสัญญาณเสียงที่ส่งหลายสัญญาณเหล่านั้นสามารถรวมกันได้
ซึ่งการรวมกันบางครั้งอาจเสริมกันหรือบางครั้งอาจหักล้างกัน
การรวมกันของคลื่นเสียง 2 สัญญาณ ที่มีความดังของเสียงสัญญาณ
1 dB คลื่นเสียงทั้งสองมีเฟสเหมือนกัน (In Phase) ผลของการรวมกันทำให้คลื่นเสียงที่ได้ออกมามีระดับความดังที่เพิ่มขึ้นเท่าตัวเป็น
2 dB กลับกันคลื่นเสียงทั้งสองมีเฟสตรงข้ามกัน (Out
of Phase) มีผลให้การรวมเป็นแบบหักล้างกัน ทำให้คลื่นเสียงหักล้างกันหมด
จะไม่ได้ยินคลื่นเสียงดังออกมาหรือระดับความดังจะลดลงมากๆ
กรณีที่คลื่นเสียงรวมกันมีเฟสต่างกัน
ผลการรวมตัวกันทำให้บางช่วงหรือบางตำแหน่งของเฟสเสริมกัน และบางช่วงบางตำแหน่งของเฟสหักล้างกัน
คลื่นเสียงที่ได้ออกมาจะมีรูปคลื่นเสียงและตำแห่นงของเฟสเปลี่ยนไป
เสียงที่ดังออกมาอาจจะผิดเพี้ยนไปจากต้นกำเนิดที่ส่งมา การรวมตัวของคลื่นเสียงมีเฟสต่างกัน
ร่ายยาวเลยครับเกี่ยวกับเรื่องแรกของผมคือเรื่องคลื่นเสียง
ในคราวหน้าจะมาต่อกันด้วยเรื่องของหู กับการได้ยิน เพราะเมื่อเราทราบกันแล้วว่าคลื่นเสียงคืออะไร
เราก็ต้องมาต่อกันในเรื่องตัวรับการได้ยิน
แต่จะเป็นยังไงนั้น ฉบับหน้าผมจะมาอธิบายให้ฟังครับผม สวัสดีครับ
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น