dB spl หน่วยวัด แรงดันคลื่นเสียง ในอากาศ

เรื่องที่อยากทำความเข้าใจ ในหมู่คนทำงานเสียง P.A. ก็คือ เรื่อง Scale dB spl นี่แหละครับ เวลาที่เรา จะคุยอะไรกัน ในเรื่องระบบเสียง จะได้มีความเข้าใจตรงกัน dB นั้นย่อมาจาก เดซิเบล Decibel อันเป็น หน่วยวัด ที่เราใช้ในการเปรียบเทียบ ค่าความต่างของตัวเลข “สองจำนวนเสมอ” ว่า มันมีค่าแตกต่าง กันมากเท่าไร และ spl ที่ห้อยท้ายนั้น ก็ย่อมาจาก Sound Pressure Level (ระดับแรงดันเสียง) ที่ต้องใช้ หน่วย dB นั้นเพราะ ถ้าเราจะวัด ระดับแรงดันในอากาศ จริงๆนั้น มีหน่วยเป็น “ปาสกาล” (Pascal) ซึ่งในหน่วย ปาสกาลนี้ มีการใช้ตัวเลข หลักหลายตัว จนถ้าเราเอามาอธิบาย ในเรื่อง แรงดัน เสียง นั้น มันจะเป็น ตัวเลข เยอะมากๆ ทำให้เข้าใจได้ยาก ว่าตกลง มันยังไงกัน

เพราะธรรมชาติ ในการได้ยินของคนเรานั้น ไม่ได้ราบเรียบ ตามแรงดัน ที่เปลี่ยนไป แต่มีลักษณะผกผัน คือ ยิ่งในระดับความดังที่เรารู้สึกว่าดังขึ้น นั้น ยิ่งดังขึ้น มากขึ้นเรื่อยๆ นั้นต้องใช้แรงดัน ที่เพิ่มขึ้น มากกว่า ตอนที่เรารู้สึกว่ามันดังในช่วง เสียงที่ยังเบาอยู่ มีลักษณะเป็น Logarithm (เป็นการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ที่เป็นฟังก์ชันผกผันของ ฟังก์ชันเลขชี้กำลัง ค่าลอการิทึมของจำนวนหนึ่งโดยกำหนดฐานไว้ให้ จะมีค่าเทียบเท่ากับ การเอาฐานมายกกำลังค่าลอการิทึม ซึ่งจะให้คำตอบเป็นจำนวนนั้น) อ่านมาถึงตรงนี้ ก็อาจจะเริ่มปวดหัวได้ เอาเป็นว่า เราเลยเอาค่า dB spl มาอธิบาย เรื่อง แรงดันเสียง ในอากาศ กับการได้ยิน ของคนเรา นั้น จะง่ายกว่า เอาหน่วย ปาสกาล มาอธิบายแล้วกัน ตัวเลชมันจะได้ไม่ต้องเยอะแยะมากมาย ชวนปวดมากไปกว่านี้

และ ขออนุญาติ ไม่อธิบายเรื่อง ลอการิทึม เดี๋ยวจะกลายเป็นการมาเรียน คณิตศาสตร์เอา จะผิดวัตถุประสงคของผม ที่จะอธิบายเร่อง ระบบเสียง เสียเปล่า

ย้อนกลับมา เรื่องเดซิเบล dB spl ที่เราใช้เป็นหน่วย วัดความดังของเสียง อย่าที่เราเข้าใจกันโดยทั่วไปนั่นแหละ ซึ่งอย่างที่กล่าวไว้ในตอนแรกแล้วว่า dB นั้น ใช้ในการเปรียบเทียบ ค่าความต่างของตัวเลข “สองจำนวนเสมอ” ว่า มันต่างกันเท่าไหร่ (ต่างกันกี่ dB spl) จุดเริ่มต้น ที่เราใช้กำหนด ในการเริ่มวัดแรงดันเสียงในอากาศ กับการได้ยินของคนเรา นั้น เราเริ่มต้นกันที่ แรงดันที่มากพอ ที่คนเราจะเริ่มรับรู้ได้ ว่ามีเสียง เกิดขึ้นณ ตรงจุดนี้ เราเรียกว่า Threshold of hearing จุดเริ่มต้นแห่งการได้ยิน หรือ เรียกว่า เกณฑ์การได้ยิน

ณ จุดที่คนเราได้ยินเป็นเสียงที่เบาที่สุดนั้น เราให้ค่า หน่วยวัด เป็น 0 dB spl อันนี้ ต้องจำให้ดีนะครับ เพราะ ในระบบเสียงนั้น เรายังใช้ หน่วยเดซิเบล dB ที่แตกต่างกัน ไม่ว่า จะเป็น dB volt หรือเป็นเดซิเบล dB watt ซึ่งจะเอาไว้อธิบาย ในครั้งต่อๆไป ในตอนนี้ เอา dB spl ก่อน

จากนี้ คือเรื่องที่ต้อง จำให้เป็นหลักพื้นฐาน ในการทำงาน

- - 0 dB spl คือ จุดเริ่มต้น ที่เราได้ยินเสียงมี่เบาที่สุด
  - 3 dB spl คือ ระดับการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน ที่ทำให้ คนรับรู้ได้ว่า มีระดับเสียงมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น
  - 10 dB spl คือ เมื่อมีการเปลี่ยนแปลง ของแรงดันขึ้น ทุก 10 dB เราจะรู้สึกว่า เสียงนั้นดังขึ้น อีก 1 เท่าเสมอ

ทีนี้เรามาดู ตารางระดับ dB spl ว่า มันทำให้คนเรารู้สึกว่ามันเกิดเป็น ความดังของเสียงขนาดไหน เราเทียบ กับ 0 dB spl เป็นหลัก

จากตาราง dB spl ด้านบน เราจะเห็น ระดับความดังต่าง ที่เราพบเจอได้ในชีวิตทั่วไป ในช่วงที่เป็นสีเขียว เป็นช่วง ความดังที่ปลอดภัย ต่อ ระบบประสาทการได้ยิน ของคนเรา ในช่วงสีเหลืองไปส้ม นั้นเป็นช่วงที่ความดัง ปลอดภัย แต่ก็ ควรระมัดระวัง ในเรื่อง ระยะเวลา ในการได้ยินเสียง ในช่วงสีส้ม ยิ่งนานยิ่งไม่ค่อยดีนัก ส่วนในช่วงสีแดงนั้น เป็นช่วงค่อนข้างเสียดัง และอันตราย ในการรับฟัง ความดังระดับนี้

แล้ว ระยะเวลาที่เหมาะสม ในการฟังเสียงดังระดับไหน ควรฟังนานได้แค่ไหน เราถึงจะยังคงปลอดภัยจากความดังของเสียง

- - 90 dB spl เราสามารถฟังได้ ต่อเนื่อง 8 ชั่วโมง โดยปลอดภัย
  - 95 dB spl ฟังได้ ต่อเนื่อง 4 ชั่วโมง
  - 100 dB spl ฟังได้ ต่อเนื่อง 2 ชั่วโมง
  - 105 dB spl ฟังได้ ต่อเนื่อง 1 ชั่วโมง
  - 110 dB spl ฟังได้ ต่อเนื่อง 30 นาที
  - 115 dB spl ฟังได้ ต่อเนื่อง 15 นาที
  - 120 dB spl ฟังได้ ต่อเนื่อง 7 นาที

เราจะสังเกตุได้ว่า การฟังระดับเสียงที่ดัง ต่อเนื่อง นั้น ทุกๆ 5 dB spl ที่เพิ่มขึ้น นั้น เวลาในการฟังต่อเนื่อง ที่ปลอดภัย จะลดลงครึ่งหนึ่งเสมอ ดังนั้นการใช้ ระดับความดัง ในการแสดง นั้นต้องใช้ อย่างเหมาะสมเพื่อความปลอดภัย ต่อระบบประสาทหู

ทีนี้ มาดูเรื่อง ประสาทหู กันบ้าง ในระบบหูชั้นใน ที่เราเห็นเป็นก้นหอยสีม่วงๆ นั้น เรียกว่า Cochlea อัน เป็นอวัยวะ ที่บรรจุ ระบบประสาท ในการแยกแยะ เสียงเป็น การรับรู้ รายความถี่ ตั้งแต่ ความถี่ต่ำ 20 Hz ไล่ไปเรื่อย ไปจนถึงความถี่สูง 20,000 Hz อันเป็นช่วง ที่คนเรา สามารถรับรู้ รับฟังได้ เป็นเสียง เวลาถ้าเราฟังเสียงที่มีความดังมาก และ เป็นเวลานาน ก็ ทำให้ Cochiea เกิดความเสียหายได้ ถ้า เสียหายไม่มากนัก ก็อาจพอรักษาฟื้นคืนมาได้ แต่ถ้าเสียหายมาก อันนี้ ไม่มีทางรักษา เราก็จะสูญเสียการได้ยินไป หรือ อาจสูญเสียง การได้ยิน ในรายความถี่ โดยเฉพาะ ความถี่เสียงสูง ที่มีผลต่อ ความกระจ่างชัด ในการสื่อสาร ดังนั้น เราต้องระมัดระวัง ในการดูแล ระบบประสาทหู ของเราให้ดี อย่าฟังอะไร ที่ มีความดังมาก และ อย่าฟังนานจนเกินไป

จากภาพซ้าย เป็น Cochlea ที่สมบูรณ์ปรกติ ส่วนรูปทางขวา เป็น Cochlea ที่เกิดความเสียหาย

การตอบสนองรับรู้ ของคนเรา ตามระดับความดัง โดยแบ่ง เป็นรายความถี่ 20 - 20,000 Hz ถ้าเราเอาความถี่เสียง มาแยกแยะ ในรายละเอียด ตามความถี่ เราจะพบว่า ถ้าเราจะสามารถรับรู้ ได้ยิน ในแต่ละความถี่ ให้ดังเท่าๆกันนั้น ปรากฎว่า แรงดัน ที่ต้องใช้ในแต่ละ ความถี่นั้น ต้องใช้ ไม่เท่ากัน แตกต่างกันถ้าเอามาเขียนเป็น กราฟ ก็จะเห็นได้ง่ายชัดเจน โดยแบ่งตามระดับ ความดังใน scale dB spl

จากภาพ ในแกน X เป็น dB spl ในแกน Y เป็น ความถี่ ให้เริ่มที่ เส้น 0 dB spl เราจะเห็นว่าความถี่แรก ที่เราจะได้ยินง่ายสุด จะอยู่ที่ความถี่ 4,000 Hz และ ความถี่ข้างเคียงบริเวณนั้น ซึ่งธรรมาชาติ ให้คนเราค่อนข้างไว ต่อการได้ยิน เสียงในช่วงนี้ ซึงเราจะรู้สึก ฟังแล้ว เสียดหู บาดหูได้ง่าย เมื่อฟัง ความถี่เหล่านี้ดังๆ และ ช่วงความถี่แถวนี้ ก็จะเป็นช่วงของ เสียง เด็กทารก ร้อง จะเล็กๆ และแหลม ทำให้เรา ได้ยินได้ง่ายและ ไปดูแล เพื่อความปลอดภัย ตามธรรมชาติ

ทีนี้เรามาดู ที่ความถี่ต่ กันบ้าง ดูที่ ความถี่ 20 Hz เราดูที่เส้นล่างสุด ที่เป็นเดียวกับจุด 4,000Hz ที่เราดูกัน ในจุดแรกที่ได้ยินกันนั่นแหละครับ เราจะเห็นว่า ที่ความถี่ 20 Hz นั้น เส้นมันลากมาหยุดตรงแถวๆ 70 กว่าๆ dB spl นั่นหมายความว่า ถ้าเราได้ยิน 4,000 Hz ที่ แรงดัน 0 dB spl หากเราจะได้ยิน 20 Hz ดังเท่ากับ 4,000 Hz นั้น ต้องใช้แรงดัน 70 dB spl กว่าๆ ที่ 20 Hz เราถึงจะรู้สึกว่า 20 Hz กับ 4,000 Hz นั้น ดังเท่ากัน สรุปว่า ถ้าแยกเป็นรายความถี่ เราจะเห็นว่า ต้องใช้ พลังงานแรงดัน ไม่เท่ากัน จึงจะทำให้รู้สึกว่าดังเท่ากันได้

ส่วนเส้นต่างๆที่เราเห็นที่อยู่ถัดขึ้นไปหลายๆเส้น ในแต่ละเส้น จะบอกถึง เมื่อระดับความดังเปลี่ยนไป ยิ่งดังขึ้น มากเท่าไหร่ ความสัมพันธ์ ในการได้ยิน รายความถี่ กับ แรงดันนั้นจะเปลี่ยนไปด้วย ถึงแม้ว่า จะดูแล้ว ในภาพรวมๆ จะใกล้เคียงกัน เกือบทุกเส้น ว่า ความถี่ต และ ความถี่สูงๆ ต้องใช้ “แรงดัน” มากกว่า ความถี่ ช่วง 4,000 Hz จึงจะรู้สึกว่า แต่ละความถี่ นั้นดังเท่าๆกัน

ถ้าสังเกตุอีกนิด เราจะเห็นว่า ถ้าเสียงดังๆมากขึ้น อัตราความแตกต่าง dB spl ระหว่างความถี่นั้นจะน้อยลงกว่า ตอนเสียง เบาๆ นี่คือ เหตุผล ว่า เสียงที่ดังกว่า ให้ความชัดเจน มากกว่า ทำให้เราได้ยิน ราละเอียด ในแต่ละความถี่ มากกว่านั่นเอง

ดังนัน เวลาเราเปิดเครื่องเสียงเบาๆ เรามักจะได้ยินเสียงในความถี่ กลางๆ มากกว่า เสียงในช่วงความถี่ต่ำๆ และ ความถี่ที่สูงมากๆ ในเครื่องเสียงที่ใช้กันตามบ้าน ทั่วไป หลายยี่ห้อหลายรุ่น จึงมีปุ่ม ในการปรับ Tone เมื่อเปิดฟังในความดังเบาๆ ที่เรียกกันว่า Loudness เมื่อเราใช้งาน มันจะทำหน้าที่ ยกความถี่ ในช่วงความถี่เสียงต่ และช่วงความถี่เสียงแหลม ให้ดังขึ้น เราจึงรู้สึกว่า ถึงจะฟังในความดังไม่มากนัก ก็ยังรู้สึก เสียงมีความหนักแน่น และชัดเจน

มีอีกเรื่องที่ อยากจะกล่าวถึงในเรื่อง ธรรมชาติ ของความดัง ของเสียงที่จะลดลง ตามระยะทางที่เพิ่มขึ้นไกลขึ้น จากแหล่งกำเนิดเสียง โดย เราเรียกกฎ นี้ว่า Inverse square law โดย กฎนี้มีอยู่ว่

เมื่อระยะทาง เพิ่มมากขึ้น อีก 1 เท่า ความดังของเสียง (แรงดัน) จะลดลง - 6 dB spl

เช่น ถ้าเรายืนห่าง จากแหล่งกำเนิดเสียง 10 เมตร แล้วเราได้ยินเสียงดัง 100 dB spl ถ้าเราเพิ่มระยะเข้าไปอีก 1เท่า นั้นก็คอ + เข้าไปอีก 10 เมตร เราก็จะไปยืนที่ระยะ 20 เมตร ห่างจากแหล่งกำเนิดเสียง ความดังที่เราจะได้ยินนั้น จะลดลงไป - 6 dB spl ความดังที่เราจะได้ยินคือ 94 dB spl ที่ระยะ 20 เมตร ถ้าเราเพิ่มระยะ เข้าไปอีก 1เท่า นั่นคือ เราเพิ่มระยะเข้าไปอีก +20 เมตร เราก็จะไปยืนที่ 40 เมตร ความดังก็จะลดลงไปอีก - 6 dB จากความดัง 94 dB spl เราก็จะได้ยิน เหลือ 88 dB spl

“โดย Inverse square law นั้น มีเงื่อนไข ว่า ต้องอยู่ในที่โล่ง ไม่มีสภาพแวดล้อมที่สะท้อน เพิ่ม หรือลด ความดัง ของเสียง”

ในชีวิตจริง เราจะใช้ Inverse square law เป็น แนวทาง ในการคำนวณ ความดังที่ ตำแหน่งการฟังไกลๆได้ ว่าจะ ได้ยินความดัง ที่กี่ dB ใน ระยะต่างๆ ที่ห่างไปจากแหล่งกำเนิดเสียง โดยมีสูตรคำณวณ คือ

dB distant = 20 log (D0÷D1)

เริ่มต้น เราต้องรู้ค่า ระยะที่เราจะเปรียบเทียบกันในที่นี คือ D0 และ D1 โดยค่า D1 คือ ระยะทาง ที่มากกว่าและ D0 คือระยะทางที่สั้นกว่า เอามาเปรียบเทียบกันว่า มันต่างกันกี่ dB spl ยกตัวอย่างเช่น จะเปรียบเทียบ ที่ระยะ 2 เมตร กับที่ระยะ 1 เมตร

=20 x log x (D0 ÷ D1)

= 20 x log x (1เมตร ÷ 2 เมตร)

= - 6.02 dB spl

นั่นหมายถึง ที่ระยะ 2 เมตร จะมีความดังลดลง - 6 dB spl นั่นเอง

ตัวอย่างใช้งาน สมมุติ ว่าเราใช้ลำโพง ที่มีความดัง 98 dB spl ที่ระยะ 1 เมตร เราอยากรู้ว่า ที่ระยะ 12 เมตร ความดังจะลดลงไป เท่าไหร

= 20 x log x (1เมตร ÷ 12 เมตร)

= - 21.5 dB spl

นั่นคือ ที่ ระยะ 12 เมตร ความดังละลดลง - 21 dB spl เรามาลบกับความดังที่ 1 เมตร 98 dB spl = 77 dB spl

ขอขอบคุณ บทความจาก พี่แอ๊ด เท็นเยียร์ส อาฟเตอร์