ความเข้มเสียงและระดับความเข้มเสียง

1. ความเข้มเสียง

เสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุต้นกำเนิดเสียง        ถ้าแหล่งกำเนิดเสียงสั่นแรงจะทำให้มีแอมปลิจูดมากและถ้าสั่นเบา แอมปลิจูดน้อย เมื่อมีโมเลกุลของอากาศที่อยู่รอบๆแหล่งกำเนิดเสียง และจะเกิดการถ่ายโอนพลังงานเสียงไปสู่ผู้ฟัง  ผู้ฟังจะได้ยินเสียงดังหรือเบาขึ้นกับพลังงานเสียงที่ถ่ายโอนผ่านโมเลกุลอากาศมาว่ามีพลังงานถ่ายโอนมามากหรือน้อย  นอกจากนั้นยังมีเรื่องระยะทางในการถ่ายโอนพลังงานเสียงซึ่งจะมีผลต่อการได้ยินเสียงดังหรือเบาอีกด้วย

กำลังเสียง ( Power of sound wave )

อัตราการถ่ายโอนพลังงานเสียงของแหล่งกำเนิดเสียง คือพลังงานเสียงที่ส่งออกมาจากแหล่งกำเนิดในหนึ่งหน่วยเวลา เรียกว่า กำลังเสียง มีหน่วยเป็น  จูลต่อวินาที หรือ วัตต์(watt)  

สำหรับแหล่งกำเนิดเสียงที่เป็นจุด ถือว่าหน้าคลื่นเสียงจะแผ่ออกไปโดยรอบเป็นรูปทรงกลม โดยมีแหล่งกำเนิดคลื่นเป็นจุดศูนย์กลางของทรงกลมนั้น

จากรูป แสดงการแผ่ของหน้าคลื่นเสียงออกจากแหล่งกำเนิดที่จุดศูนย์กลางทรงกลม  ยิ่งไกลจากแหล่งกำเนิดพื้นที่ผิวทรงกลมที่คลื่นเสียงตกกระทบยิ่งมีค่ามาก

กำลังเสียงที่แหล่งกำเนิดเสียงส่งออกไปต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ผิวทรงกลม     เรียกว่า     ความเข้มเสียง ( intensity of a sound wave) ถ้าให้กำลังเสียงที่ส่งออกจากแหล่งกำเนิเสียงมีค่าคงตัว จะได้ความสัมพันธ์ว่า





จากสมการความเข้มเสียง จะเห็นความสัมพันธ์ว่า  

• ความเข้มเสียง แปรผันตรงกับกำลังเสียงของแหล่งกำเนิด (กำลังเสียงแหล่งกำเนิดมาก ได้ความเข้มเสียงมาก)
• ความเข้มเสียง แปรผกผันกับขนาดพื้นที่ผิวทรงกลมรับเสียง (พื้นที่รับเสียงมาก ความเข้มเสียงน้อย)
• ความเข้มเสียง แปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างจากแหล่งกำเนิดเสียง  (ยิ่งไกล ความเข้มเสียงยิ่งลดลง)
• ถ้ามีต้นกำเนิดเสียงหลายแหล่ง  สามารถหาความเข้มเสียงรวมที่ปรากฏที่จุดหนึ่งได้จากการรวมแบบปกติ   โดยความเข้มเสียงรวม = I1 + I2 + I3 + ...

สมการเปรียบเทียบความเข้มเสียง 2 ค่า    



ความเข้มเสียงแปรผันตรงกับค่าแอมปลิจูดของคลื่นเสียงยกกำลังสอง  ความเข้มเสียงมากจะได้เสียงดัง  ความเข้มเสียงน้อยจะได้เสียงเบา 

ตัวอย่าง  แหล่งกำเนิดสียงมีกำลังเสียง 12.75 วัตต์ ที่ระยะห่างออกไปจากแหล่งกำเนิดเสียง 1 เมตร และ 2 เมตร  ความเข้มเสียงใดจะมากกว่า และมากกว่ากันกี่เท่า   และที่ระยะห่างแหล่งกำเนิด 10 เมตร มีค่าความเข้มเสียงกี่วัตต์ต่อตารางเมตร

แนวคิด   ใช้สมการ 

ที่ระยะห่าง 1 เมตร  มีความเข้มเสียงมากกว่าความเข้มเสียงที่ระยะ 2 เมตร เมื่อ P คงตัว  I แปนผกผันกับรัศมี r ยกกำลังสอง  หาอัตราส่วนความเข้มเสียง ได้ว่า

  

หาความเข้มเสียงที่ระยะห่าง 10 เมตร  แทนค่าในสมการ



2. ระดับความเข้มเสียง

การบอกความดังหรือเบาของเสียงด้วยความเข้มเสียงที่ผ่านมานั้นจะเห็นว่าช่วงจากเสียงเบาที่สุด ไปหาดังที่สุด มีช่วงมากกว่ากันถึง 10 ยกกำลัง 12  เท่า  จึงไม่เหมาะจะใช้บอกถึงความดังหรือเบา จึงเปลี่ยนมาใช้การบอกดัง หรือเบา ด้วยค่า ระดับความเข้มเสียง โดยเทียบมาจากความเข้มเสียง  โดยระดับความเข้มเสียง จะมีลักษณะคล้ายค่าลอกการิทึม ในวิชาคณิตศาสตร์  โดยระดับความเข้มเสียงมีความสัมพันธ์กับความเข้มเสียงต่ำสุด ได้ว่า

จากสมการ ระดับความเข้มเสียง เมื่อแทนค่าความเข้มเสียงสูงสุดที่ทนฟังได้ เมื่อแก้สมการ จะได้ค่าระดับความเข้มเสียงสูงสุดที่ทนฟังได้เท่ากับ 120  dB  และแทนค่าความเข้มเสียงน้อยสุดที่ได้ยินลงไปแล้วแก้สมการ จะได้ระดับความเข้มเสียงน้อยที่สุด 0 dB  ดังนั้นเมื่อบอกระดับความเข้มเสียงจะทำให้ระดับความเข้มเสียงสูงสุดและต่ำสูงต่างกันอยู่เพียง 120 dB หรือ 12 B เท่านั้น

ถ้ามีการสังเกตที่ 2 ตำแหน่ง ซึ่งมีค่าระดับความเข้มเสียงแตกต่างกัน สามารถเขียนสมการผลต่างของระดับความเข้มเสียงได้ดังนี้

3. มลภาวะของเสียง

ถ้าเสียงที่มีพลังงานมากๆ เข้าสู่หูซึ่งเป็นอวัยวะรับเสียง อาจทำให้เกิดความเจ็บปวดหู หรือเกิดความรำคาญ เสียงจึงเป็นสิ่งที่อาจทำให้เกิดอันตรายได้ เช่น มีผลต่ออารมณ์ ความรู้สึก ตลอดจนตอบสนองต่อสิ่งเร้า ทำให้รู้สึกได้ถึงแหล่งกำเนิดเสียง เช่น เสียงด่า เสียงโกรธ  เสียงไพเราะ  ถ้าเสียงที่ได้ยินทำให้เกิดผลเสียต่อผู้ฟังไม่ว่าจะด้านร่างกายหรือจิตใจ ถือว่าเป็นมลพิษอย่างหนึ่ง

ในปัจจุบัน ขณะที่เทคโนโลยี่พัฒนามากขึ้น ทำให้เราต้องได้รับมลพิษทางเสียงมากขึ้น  ในการป้องกันมลพิษทางเสียง ได้มีประกาศเกี่ยวกับความปลอดภัยในการทำงานในบริเวณที่มีเสียงดัง ของกระทรวงมหาดไทย ดังนี้

4. หูกับการได้ยิน

เสียงเกิดจากการสั่นของแหล่งกำเนิดเสียง ดังนั้นถ้าวัตถุสั่นด้วยพลังงานมากแอมปลิจูดของการสั่น ก็จะมาก ถ้าพลังงานที่ใช้ในการสั่นมีค่าน้อย แอมปลิจูดของการสั่นก็จะน้อย การสั่นของแหล่งกำเนิดจะ ถ่ายโอนพลังงานของการสั่นผ่านตัวกลางมายังผู้ฟังในการได้ยินเสียงครั้งหนึ่งๆ จะมีองค์ประกอบ   3  อย่าง คือ ต้นกำเนิดเสียง  ตัวกลาง  และประสาทรับ       เสียงของผู้ฟัง  ในการได้ยินเสียงครั้งหนึ่งๆ ความรู้สึกในการได้ยินเสียงของมนุษย์โดยทั่วไปแยกออก เป็นลักษณะต่างๆ ดังนี้ 1.  ความรู้สึกดัง-ค่อยของเสียง ขึ้นอยู่กับ แอมปลิจูดและความเข้มเสียง 2.  ความรู้สึกทุ้ม-แหลมของเสียง ขึ้นอยู่กับความถี่ของเสียง 3.  ความไพเราะของเสียง ขึ้นอยู่กับคุณภาพเสียง           เมื่อเสียงจากแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ผ่านอากาศมาถึงหูเราคลื่นเสียงทำให้ลำอากาศในหูสั่นก็จะ ทำให้เยื่อแก้วหู (ซึ่งมีความไวมาก) สั่น การสั่นเพียงเล็กน้อยของเยื่อแก้วหูก็ส่งผลต่อไปยังประสาท รับรู้ในการได้ยินของคนเรา ซึ่งแสดงส่วนประกอบต่างๆ ของหู และการได้ยินของคนเรา  ขอบเขตความสามารถการได้ยินเสียงของหูมนุษย์ขึ้นอยู่กับระดับความเข้มเสียง (0 - 120 เดซิเบล) และความถี่ของเสียง (20 - 20000 Hz)

5. เวลาก้องเสียง    Tr เป็นเวลาที่นับจากขณะที่เสียงออกจากแหล่งกำเนิดจนมีพลังงานลดลง  60 dB  และระยะเวลาที่ เสียงจากแหล่งกำเนิดและเสียงสะท้อนมาถึงหูผู้ฟัง (ไม่ใช่  Tr) มีค่าน้อยกว่า  0.1  วินาที่ หูของมนุษย์ จะแยกไม่ออก แต่ถ้าเวลาต่างกันมากขึ้น หูของคนเราก็จะแยกออกเป็นเสียงคนละเสียงดังแสดงใน รูปข้างล่าง  รูป แสดงการเกิดเสียงก้องจากการสะท้อน