ปริมาณใดเป็นตัวบอกพลังงานเสียง

เสียงที่เราได้ยิน คือ อัตราการถ่ายโอนพลังงานของแหล่งกำเนิดเสียงต่อหนึ่งหน่วยเวลา หรือที่เรียกว่า “กำลังเสียง” (Power of sound wave) ซึ่งมีหน่วยเป็นจูลต่อวินาที (J/s) หรือ “วัตต์” (Watt)

โดยเสียงเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิดในลักษณะของการแผ่ขยายออกไปในรูปทรงกลม มีแหล่งกำเนิดเสียงเป็นจุดศูนย์กลาง ซึ่งกำลังของเสียงที่ส่งออกจากแหล่งกำเนิดต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ผิวทรงกรม เรียกว่า “ความเข้มของเสียง” (Intensity) และระดับความเข้มของเสียงนั้น ถูกตรวจวัดในรูปของ “ความดัง” (Volume) ในหน่วยเดซิเบล (Decibel) ซึ่งมนุษย์สามารถรับรู้ถึงเสียงได้ตั้งแต่ที่ระดับเสียง 0 จนถึงราว 120 เดซิเบล โดยเสียงที่ดังเกินกว่า 120 เดซิเบล คือเสียงที่อาจก่อให้เกิดอันตรายต่อผู้รับฟังได้

นอกจากนี้ ความเข้มของเสียงยังขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างแหล่งกำเนิดเสียงและผู้รับ เพราะเมื่อคลื่นเสียงเคลื่อนที่ออกห่างจากแหล่งกำเนิดมากขึ้นเท่าใด ความเข้มและความดังของเสียงจะลดลงเท่านั้น

นอกจากความเข้มของเสียงแล้ว “ความถี่” (Frequency) ของคลื่นเสียง ยังเป็นอีกหนึ่งปัจจัยสำคัญต่อการได้ยินเสียงของมนุษย์ ความถี่มีหน่วยเป็น “เฮิรตซ์” (Hertz) ซึ่งมนุษย์สามารถรับคลื่นเสียงที่ระดับความถี่ ตั้งแต่ 20 ถึง 20,000 เฮิรตซ์ หรือเป็นช่วงความถี่ที่เรียกว่า “โซนิค” (Sonic)

มนุษย์สามารถรับเสียงได้ดีที่สุด ในช่วงความถี่ 1,000 ถึง 6,000 เฮิรตซ์ โดยเสียงที่มีระดับความถี่ต่ำกว่า 20 เฮิรตซ์ เรียกว่า “คลื่นใต้เสียง” หรือ “อินฟราโซนิค” (Infrasonic) เสียงที่เกิดจากแหล่งกำเนิดขนาดใหญ่ เช่น การสั่นสะเทือนของสิ่งก่อสร้าง เป็นเสียงที่มนุษย์ไม่สามารถรับรู้ได้เช่นเดียวกับคลื่นเสียงที่มีความถี่สูงกว่า 20,000 เฮิรตซ์ หรือที่เรียกว่า “คลื่นเหนือเสียง” หรือ “อัลตร้าโซนิค” (Ultrasonic)  แต่สัตว์บางชนิด เช่น ค้างคาว หรือโลมา สามารถใช้ประโยชน์คลื่นเสียงในความถี่นี้ ในการสื่อสารและการระบุตำแหน่งได้

นอกจากนี้ แหล่งกำเนิดเสียงต่างกันยังให้กำเนิดเสียงในช่วงความถี่ที่ต่างกันอีกด้วย โดยที่มนุษย์เราสามารถจำแนกเสียงต่างๆตามระดับเสียง (Pitch) หรือเรียกเสียงที่มี “ความถี่ต่ำ” ว่า “เสียงทุ้ม” และเรียกเสียงที่มี “ความถี่สูง” ว่า “เสียงสูง/แหลม” ซึ่งแตกต่างจากระดับความดังเบาของเสียงที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของแหล่งกำเนิดเสียงหรือความเข้มของเสียง โดยมีแหล่งกำเนิดเสียง คุณสมบัติของตัวกลาง และระยะทางที่ส่งผลต่อระดับความดังเบาของเสียง

การรับเสียงของมนุษย์

หู (Ear) เป็นอวัยวะที่ใช้ในการรับเสียงของมนุษย์ โดยมีองค์ประกอบที่สำคัญ 3 ส่วน ได้แก่

1) หูชั้นนอก ประกอบด้วยใบหูซึ่งจะทำหน้าที่รับคลื่นเสียง ก่อนส่งเสียงไปตามช่องหูจนถึงชั้นเยื่อแก้วหู (Tympanic membrane) ซึ่งกั้นระหว่างหูชั้นนอกและหูชั้นกลาง

2) หูชั้นกลาง มีลักษณะเป็นโพรงอากาศ ประกอบด้วยกระดูกขนาดเล็ก 3 ชิ้น ที่เรียงต่อกันเป็นโซ่ที่เรียกว่า “ค้อน” (Malleus) “ทั่ง” (Incus) และ “โกลน” (Stapes) ทำหน้าที่รับแรงสั่นสะเทือนและขยายเสียงต่อจากเยื่อแก้วหูก่อนส่งต่อไปยังหูชั้นใน

3) หูชั้นใน ประกอบด้วยอวัยวะรูปก้นหอย หรือ “คลอเคลีย” (Cochlea) ภายในบรรจุของเหลวและเซลล์ขนจำนวนมากที่ทำหน้าที่รับเสียงจากกระดูกโกลนในหูชั้นกลาง ก่อนแปลงเป็นสัญญาณส่งไปยังโสตประสาทและสมอง ซึ่งทำหน้าที่จำแนก แยกแยะ และแปลความหมายของคลื่นเสียงต่างๆ

ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับเสียง

แสงเดินทางเร็วกว่าเสียงหลายล้านเท่า

เสียงในธรรมชาติที่ดังที่สุด คือ เสียงจากการระเบิดของภูเขาไฟ

หากเราเดินทางเร็วกว่าเสียงจะก่อให้เกิดการทะลุกำแพงเสียง (Sound barrier) หรือก่อให้เกิดคลื่นกระแทกที่เรียกว่า “โซนิคบูม” (Sonic boom) คือการชนกันของคลื่นเสียงในอากาศ เพราะว่าแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่เร็วกว่าเสียงของมันเอง เช่น การบินของเครื่องบินเจ็ตที่ก่อให้เกิดคลื่นกระแทกคล้ายวงกลมสีขาวด้านหลัง ซึ่งเกิดจากการควบแน่นของไอน้ำในอากาศ

เมื่อวัตถุถูกทำให้สั่นด้วยความถี่ตรงกับความถี่ธรรมชาติ (Natural frequency) ของวัตถุนั้น จะทำให้เกิด “ปรากฏการณ์เรโซแนนซ์” (Resonance) ขึ้น ซึ่งเป็นการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงจากการสะสมพลังงานไว้เป็นจำนวนมากของวัตถุชิ้นนั้น ส่งผลให้เกิดเสียงที่มีระดับความดังมากขึ้นกว่าปกติ โดยมนุษย์ได้นำหลักการนี้ มาใช้ในการสร้างเครื่องดนตรีหลายชนิด เช่น ซอ กีตาร์ และไวโอลิน

ถ้าเราสามารถเปล่งเสียงต่อเนื่องกันเป็นระยะเวลา 8 ปี 7 เดือน 6 วัน เราสามารถอุ่นกาแฟหนึ่งแก้วให้ร้อนได้ด้วยพลังงานจากคลื่นเสียงของเราเอง

พลังงานเสียง เกิดขึ้นโดยการสั่นสะเทือนของวัตถุ ซึ่งปล่อยคลื่นตามยาวของพลังงานจลน์ที่สามารถเคลื่อนที่ผ่านของแข็ง ของเหลว และก๊าซได้ 

ความเร็วของเสียง ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของวัสดุที่เสียงต้องเดินทางผ่าน (เสียงเดินทางผ่านของแข็งได้เร็วที่สุด และ เดินทางผ่านก๊าซได้ช้าที่สุด) ทั้งนี้ไม่ต้องนึกถึงเรื่องการสั่นของวัสดุ อนุภาคที่เป็นตัวกลางในการให้เสียงเดินทางผ่านนั้น มีการสั่นแบบกลับไปกลับมา จำนวนการสั่นกลับไปกลับมาของอนุภาคของสื่อกลางใดๆต่อหน่วยของเวลา เรียกว่า ความถี่ของคลื่น หน่วยทั่วไปสำหรับคลื่นความถี่ คือ Hertz (เฮิรตซ์) (รูปย่อ Hz = 1 คลื่น/วินาที). 

ยิ่งวัตถุมีความทึบมาก เสียงก็จะยิ่งเดินทางผ่านได้ และได้พลังงานเสียงที่ดีกว่า พลังงานเสียงไปได้ไกล ปลาวาฬเป็นที่รู้จักกันดีว่า สามารถสื่อสารกับ คลื่นเสียงความถี่ต่ำ ได้  เป็นพันๆ    กิโลเมตร ในทะเล ตัวนำที่ดีที่สุด คือ ต้องมีความหนาแน่น แข็ง เป็นของแข็ง เหมือนเหล็ก

ความเร็วของเสียงในอากาศแห้งที่ 20oC คือ 343.2 เมตร ต่อ วินาที หรือ 1,236 กิโลเมตร ต่อ ชั่วโมง

หน่วยการรับรู้การได้ยินของความถี่จะเรียกว่าระดับเสียง (pitch) ระดับของเสียงที่สูงนั้น เกี่ยวข้องกับคลื่นเสียงความถี่สูง และระดับของเสียงที่ต่ำนั้น สอดคล้องกับ คลื่นเสียงความถี่ต่ำ ตัวอย่างบางตัวที่พบได้ทั่วไปตามธรรมชาติ ของคลื่นเสียงความถี่ต่ำ และคลื่นเสียงความถี่สูง สามารถเชื่อมโยงได้กับ คลื่นทะเล มีปริมาณอย่างต่ำที่ 1 คลื่น ต่อทุกๆ 10 วินาที (0.1Hz), ตัวโน๊ตในดนตรี (ประมาณ 50Hz) และเสียงผิวปาก ที่มีคลื่นความถี่สูงถึง 15,000Hz.

หูของมนุษย์ (และสัตว์บางชนิด) สามารถที่จะรับเสียงที่มีคลื่นความถี่ที่หลากหลายได้ ตั้งแต่ 20Hz และ 20 000Hz เสียงที่มีความถี่ที่ต่ำเกินกว่าจะได้ยิน เรียกว่า คลื่นใต้เสียง (infrasound) และเสียงที่มีความถี่ที่สูงเกินกว่าจะได้ยิน เรียกว่า คลื่นเหนือเสียง (ultrasound) 

มนุษย์ไม่ได้เป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมประเภทเดียวที่สามารถรับเสียงที่มีคลื่นความถี่ที่หลากหลายได้ สุนัขก็สามารถรับคลื่นเสียงที่มีความถี่ต่ำขนาด 50Hz ได้ และความถี่สูงที่ 45 000Hz ได้ ปลาโลมาสามารถรับคลื่นเสียงที่มีความถี่สูงขนาด 200 000Hz ได้ ช้างกลับเป็นสัตว์ที่มีความสามารถพิเศษที่หาได้ยาก คือสามารถรับคลื่นใต้เสียงได้ โดยระดับของคลื่นเสียงที่รับได้จากตั้งแต่ 5Hz โดยประมาณ ถึง 10 000Hz โดยประมาณ

การถ่ายโอนพลังงานผ่านตัวกลางด้วยการสั่นสะเทือนของวัตถุนั้น สะท้อนถึงแอมพลิจูดของคลื่นเสียงที่วัตถุนั้นสร้างขึ้น พลังงานถ่ายโอนผ่านพื้นที่เฉพาะของตัวกลางต่อหน่วยของเวลา เรียกว่า ความเข้ม/ความดังของคลื่นเสียง ยิ่งแอมพลิจูดยิ่งมาก ความเข้ม/ความดังของคลื่นเสียงก็ยิ่งมากตาม ความเข้มของเสียงเป็นเพียงแค่พลัง/พื้นที่ เป็นหน่วยที่ใช้กันมากเมื่อมีการกล่าวถึง ความเข้มของคลื่นเสียง คือ วัตต์/เมตร (watts/meter) 2.

หูของมนุษย์ที่มีความรู้สึกไว จะสามารถรับคลื่นความเข้มเสียงที่ต่ำมากๆ ได้ เสียงที่เบาที่สุดที่สามารถรับรู้ได้โดยหูของมนุษย์ มีความเข้มของเสียง คือ 1 x 10-12 W/m2 (ความเข้มของเสียงนี้ หมายถึงขีดความสามารถของมนุษย์ในการได้ยิน) มาตราส่วนสำหรับวัดความเข้มของเสียง หน่วยเป็น เดซิเบล เกณฑ์ของการได้ยินของมนุษย์นั้นอยู่ที่ระดับเสียง 0 เดซิเบล (0 dB) เสียงที่มีความเข้มเป็น 10 เท่า (1 x 10-11 W/m2) ถูกกำหนดอยู่ที่ระดับเสียง 10 เดซิเบล (10 dB) และเป็นเช่นนั้นไปเรื่อยๆ ดังนั้น เมื่อเครื่องบินไอพ่น ที่ 30m ซึ่งเป็นความดังที่สุด ของ 140dB คือ 10 (140-20)/10 = 1012 หรือ ดังกว่าการกระซิบ 1 000 000 000 000 เท่า

ระดับความเข้มของเสียง มักจะเขียนกันในรูป:

LI = 10 log(I / Iref)

เมื่อ

LI = ระดับความเข้มของเสียง (dB)

I = ความเข้มของเสียง (W/m2)

Iอ้างถึง = 10-12 - เกณฑ์ของการได้ยิน (W/m2)

มาตราส่วนลอการิทึมของความเข้มเสียง ถูกสร้างเพื่อให้ตรงกับขอบเขตของการได้ยินของมนุษย์ ด้วยการเพิ่มความเข้มของเสียงใด ๆ เสียงนั้นก็จะดังกว่าเดิม 3 dB(10 log (2)).

ปริมาณใดที่เป็นตัวบอกพลังงานเสียง

พลังงานของเสียงคืออะไร

ปริมาณใดบอกความดังของเสียงที่ได้ยิน

ปริมาณในข้อใดเป็นตัวบอกพลังงานของคลื่น