รูปแบบของคลื่นเสียง

พื้นฐานความรู้เกี่ยวกับเสียงเสียง

นั้นจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อโมเลกุลของอากาศ ถูกรบกวนด้วยระบบการเคลื่อนไหวบางอย่าง ซึ่งเกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ อาจเป็นสายกีตาร์ เส้นเสียงของคน มันถูกทำให้เคลื่อนไหว เพราะมีการใช้พลังงานทำให้มันเกิดการเคลื่อนไหว เช่น สายกีตาร์ถูกดีดโดยใช้ปิค หรือนิ้วดีด หรือเส้นเสียงสั่นเมื่อเราใช้ลมผ่านที่เส้นเสียงทำให้เกิดเสียง ซึ่งทั้งสองลักษณะจะเกิดเสียงได้ ก็ต่อเมื่อมีการสั่นสะเทือนด้วยอัตราที่เร็วและแรงพอ จนทำให้เกิดเสียงให้เราได้ยิน แต่ถ้ามันไม่เร็วและแรงพอเราก็จะไม่ได้ยินเสียงเลย แต่ถ้าเกิดการสั่นสะเทือนนั้นอย่างน้อย 20 ครั้งต่อวินาทีและโมเลกุลของอากาศมีการเคลื่อนไหวพอเราก็จะได้ยินเสียง

ตัวอย่างของเสียงกีตาร์

เพื่อความเข้าใจขบวนการนี้ให้ดีขึ้น เราจะมาดูให้ใกล้ชิดเข้าไปถึงการสั่นของสายกีตาร์ สายกีตาร์ทั้งสายจะเคลื่อนตัวกลับไป-มาในอัตราที่แน่นอน ซึ่งอัตรานี้เราเรียกว่าความถี่ของการสั่นสะเทือน [Frequency Of Vibration] เพราะว่าการเคลื่อนไหวกลับไป-มาเรียกว่ารอบ [Cycle] ซึ่งเราใช้วัดความถี่ ที่มีหน่วยวัดว่ารอบต่อวินาที [Cycles Per Second] หรือมีตัวย่อว่า cps. ซึ่งการวัดแบบนี้ที่เรารู้จักกันที่เรียกว่าเฮิรตซ์ [Hertz] มีตัวย่อว่า Hz บ่อยครั้งความถี่ของจุดกำเนิดเสียงสั่นเร็วมากเป็นพันรอบต่อวินาที เราเรียกว่า กิโลเฮิรตซ์ [Kilohertz] หรือ kHz

ระยะของการเคลื่อนตัวของสายกีตาร์เราเรียกว่า การเคลื่อนตัว [Displacement] ซึ่งขึ้นอยู่กับลักษณะการดีดสายอย่างไร? ถ้าการดีดทำให้มีการเคลื่อนตัวที่กว้างก็จะได้เสียงที่ดังกว่า การดีดที่ทำให้เกิดการเคลื่อนตัวแคบ ๆ และการเคลื่อนตัวของสายกีตาร์จะเปลี่ยนไปขณะที่สายกีตาร์สั่น ดังรูป

ในส่วนที่จุด A แทนตำแหน่งที่สายกีตาร์ เคลื่อนตัวกลับไปหลังจากใช้นิ้วดีดสาย จุด B แสดงการเคลื่อนตัวกลับมาที่จุดหยุดนิ่งของสาย จุด C แสดงตำแหน่งที่สายเคลื่อนตัวกลับมา และจุด D แสดงการเคลื่อนตัวของสายกลับมาที่จุดหยุดนิ่งของสายอีกครั้ง ซึ่งลักษณะการเกิดในรูปแบบนี้ จะเกิดซ้ำ ๆ และต่อเนื่อง จนกว่าความแรงของโมเลกุลในอากาศค่อย ๆ ลดลง จนทำให้สายกีตาร์หยุดนิ่งในขณะที่สายกีตาร์สั่น มันเป็นสาเหตุทำให้โมเลกุลของอากาศรอบ ๆ สายเกิดการสั่นด้วย ซึ่งการสั่นสะเทือนนี้จะถูกผ่านไปในอากาศทำให้เกิดเป็นลักษณะคลื่นที่เราเรียกว่า คลื่นเสียง [sound Wave] เมื่อการสั่นสะเทือนเข้ามาที่หูของคุณ มันทำให้แก้วหูของคุณสั่นและคุณก็จะได้ยินเสียง ในลักษณะเดียวกัน ถ้าการสั่นของอากาศกระทบกับไมค์ มันเป็นเหตุให้ไมค์สั่นและส่งสัญญาณไฟฟ้าออกมาเป็นเสียงตามหลักทฤษฎีของเสียง คนเราจะได้ยินเสียงที่มีย่านความถี่ในช่วง 20Hz ถึง 20kHz แต่ในความเป็นจริงในช่วงความถี่สูงนั้นเราจะได้ยินประมาณที่ความถี่ 15 หรือ 17kHz ส่วนในสัตว์ต่าง ๆ และไมโครโฟนมีย่านความถี่ที่แตกต่างกันออกไปการเคลื่อนไหวกลับไป-มาของสายกีตาร์นั้นเป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ รวมทั้งรูปแบบของการสร้างเสียง ดังนั้นเครื่องดนตรีประเภทสายทั้งหมด ก็จะมีลักษณะการเกิดเสียงเหมือนกัน แน่ล่ะ! ในกฎเกณฑ์ทางฟิสิกส์การเกิดของเสียง มันไม่ง่ายแบบนี้ ซึ่งในความเป็นจริงการสั่นสะเทือนนั้นไม่ได้ที่ความถี่เท่ากันตลอดทั้งสายของกีตาร์ แต่จะเกิดที่ 1/2, 1/3, 1/4, 1/5 ....และต่อ ๆ ไป ซึ่งการสั่นสะเทือนนั้นจะมากขึ้นเรื่อย ๆ ทำให้เกิดเสียงที่เรารู้จักกันในลักษณะของโอเวอร์โทน [Overtones] ซึ่งความถี่ที่เกิดทีหลังจะมากกว่าความถี่ตอนเริ่มต้นสั่นสะเทือน [Fundamental Frequency] ซึ่งมันสั่นไม่แรงพอ จึงทำให้หูของเราไม่ได้ยินย่านความถี่ของความถี่ใดความถี่หนึ่งโดยเฉพาะ ถ้าหูของเราได้ยินแต่ละความถี่ชัดเจนก็คงวุ่นวายน่าดู! เพราะแต่ละครั้งที่สายกีตาร์เส้นเดียวถูกดีดเราจะได้ยินเสียงตัวโน้ตหลายๆ ตัว คงจะสนุกไปอีกแบบ ก็ถือเป็นความโชคดีที่ธรรมชาติที่ทำให้ความถี่ทั้งหมดรวมกันออกมาให้เราได้ยินเป็นโน้ตตัวเดียว ดังรูป

คลื่นเสียงต่างๆ ที่เกิดขึ้นนั้นเราจะไม่ได้ยิน ถ้าไม่มีส่วนประกอบที่เราเรียกว่าที่ดูดซับเสียง [Resonator] ตัวอย่างเช่น กีตาร์ก็จะมีตัวกีตาร์เป็นกล่องไม้กลวงๆ ไว้มาดูดซับเสียงที่เกิดจากการสั่นสะเทือน ทำให้เรายินเป็นเสียงกีตาร์ออกมาเมื่อเราดีดสายกีตาร์

คลื่นเสียง [Waveform]คลื่นเสียงสามารถแสดงออกในหลายๆ ลักษณะที่แตกต่างกัน อาจเป็นในรูปแบบของคณิตศาสตร์, ลำดับของตัวเลขหรือเป็นลักษณะรูปกราฟฟิกของคลื่นเสียง [Waveform]

ซึ่งจะแสดงขนาดหรือแอม ปลิจูด [Amplitude] หรือความดังของการสั่นสะเทือนตามระยะเวลา ดังรูป

รูปแบบของคลื่นเสียงทีแสดงดังรูปนั้น มีลักษณะที่แตกต่างกันชัดเจน ทั้งลักษณะของคลื่นเสียงที่เราได้ยินแต่ละคลื่นเสียงจะมีเอกลักษณ์และรูปร่างของคลื่นเสียงของตัวมันเอง ที่เรียกว่าเอนเวลโลป [Envelope] และแต่ละคลื่นเสียงมีการเชื่อมต่อของความถี่ที่ซับซ้อน ซึ่งสามารถเปลี่ยนความสั้น-ยาวของเสียงได้เส้นตรงกลางของคลื่นเสียงนั้น เป็นตำแหน่งของค่าเท่ากับ ศูนย์ [0] ซึ่งแสดงตำแหน่งของการหยุดนิ่ง ไม่มีการสั่นที่ทำให้เกิดเสียง [ค่าของ Displacement = 0] การเคลื่อนไปข้างหน้าหลังจากใช้นิ้วดีดสายกีตาร์ มีค่าเป็นบวก [Positive] ด้านบนของรูป ส่วนการเคลื่อนตัวกลับมามีค่าเป็นลบ [Negative] ด้านล่างของรูป [ดูรูปข้างล่างประกอบ]

รูปแบบของคลื่นเสียงข้ามเส้นกลาง [ค่า=0] 2 ครั้ง เป็นรอบการสั่นสะเทือนที่สมบูรณ์แต่ละครั้ง จุดของตำแหน่งของค่า=0 [Zero Crossing] มันสำคัญมากในขบวนการของระบบออดิโอ [Digital Audio] ซึ่งเป็นตำแหน่งที่ดีในการตัด-ต่อ คลื่นเสียงเข้าด้วยกัน ถ้าคลื่นเสียงถูกตัด-ต่อในตำแหน่งอื่นๆ ก็อาจทำให้เกิดเสียงขาดหายหรือสะดุดได้ ค่าแอมปลิจูดก็เป็นส่วนสำคัญอีกตัวหนึ่งเพราะถ้าค่าแอมปลิจูดมาก ก็จะเป็นตัวบ่งชี้ถึงความดังของเสียงนั้นๆ

เรื่องที่ผมสนใจ

คือผมได้เคยศึกษาและหาข้อมูล งานกลุ่มอยู่ คือ contemporary swiss graphic design และก็เคยสงสัยและตั้งคำถามในกลุ่ม ว่า ทำไม วัฒนธรรมกราฟฟิคของ สวิส ซึ่งดีอยู่แล้ว จึงมีคนที่พยามยามที่จะทำสิ่งใหม่ๆ ให้แตกต่างไปอีก
และก็พอได้คำตอบมาว่า ในสมัยนั้นกราฟฟิคที่ดีอยู่แล้ว เริ่มมีการเข้ามาของกราฟฟิค ต่างๆ มากขึ้น อาจรับมาจากต่างประเทศ ซึ่งมีความใหม่มากขึ้น อย่างเช่น งานพวกสื่อ หรือ โปสเตอร์ คนสวิสจึงเริ่มที่จะมาประยุกต์ และพยายามทำงานกราฟฟิคของตัวเองให้มีความ ทันสมัย และเข้ากับงานสมัยใหม่ มากขึ้น คือเริ่มที่จะทำงานแปลกใหม่ขึ้น

หลังจากผมได้ศึกษาเรื่องนี้แล้ว ผมจึงสนใจกับคำว่า ประยุกต์

ผมลองศึกษาหาคำว่า ประยุกต์ ซึ่งหมายถึง นําความรู้ในวิทยาการต่าง ๆ มาปรับใช้ให้เป็นประโยชน์. ว. ที่นําความรู้มาปรับใช้ให้เป็นประโยชน์ เช่น วิทยาศาสตร์ประยุกต์ จิตวิทยาประยุกต์
แต่ผมลองตีความจากความหมายนี้คือ ประยุกต์นั้นก็เหมือนกับการ ทำสิ่งๆเก่า ให้เกิดการพัฒนาหรือทำ ให้เกิดสิ่งใหม่ อาจจะด้วยวิธี ดัดแปลง แก้ไขหรือหาสิ่งใหม่เขามาผสมผสานเข้ากับสิ่งเก่า

ผมจึงคิดว่าน่าจะนำ ประยุกต์ มาทำงานให้เกิดการพัฒนา จากสิ่งเก่าๆ ไปยังสิ่งใหม่ๆ หรือพัฒนาการใช้งาน หรือ กราฟฟิค มาทำให้มันดีขึ้น สะดวกขึ้น หรือว่าง่ายขึ้น






รูปที่ 1
การต่อเชื่อมเครื่องกำเนิดรูปคลื่นประกอบ โมเดล 2414B






การประยุกต์ใช้งาน สามารถประยุกต์ใช้งานได้หลายกรณีได้แก่
การควบคุมเสียง และป้องกันเสียงสะท้อน เครื่องกำเนิดรูปคลื่นประกอบ TEGAM-Pragmatic ใช้สำหรับทดสอบการบิดเบี้ยวของสัญญาณที่เกิดจากสัญญาณข้างเคียง (intermodulation distortion), ข้อบกพร่องของสัญญาณคลื่นเสียง (audiological deficiency), การจำลองสัญญาณคลื่น sonar, การวิเคราะห์ระดับสูง – ต่ำของพื้นผิวโลก, การประเมินเรื่องความผิดพลาด(bearing failure assessment), การทดสอบความเป็นเชิงเส้นของตัวขยายสัญญาณ, การคำนวณผลตอบสนอง multi-tone, การวัดตัวแปรอื่น ๆที่ต้องการความละเอียดของรูปคลื่นมาก ๆ
เภสัชกรรม/การแพทย์ ใช้ในสำหรับการทดสอบระดับ threshold และการคำนวณระดับการแสดงค่าหน้าจอแสดงผล เครื่องกำเนิดรูปคลื่นประกอบ สามารถนำมา ประยุกต์ใช้ได้หลายลักษณะ ไม่ว่าจะเป็นการวัดสภาพจิต, การจำลองการตอบสนองของร่างกาย, การทดสอบหน้าจอแสดงสภาพคนไข้, การจำลองการทำงานแบบ arrhythmia, การรับรองระดับ EKG ที่ใช้ในการผลิต, การสอบเทียบต่าง ๆ
การทดสอบเครื่องรถยนต์ นำเครื่องกำเนิดรูปคลื่นไว้ใช้กับระบบป้องกัน airbag, การเข้ารหัสทางอิเลกโทรนิกส์เพื่อความปลอดภัย การให้สัญญาณการจุดระเบิด เครื่องยนต์ การเร่งเรื่องของ suspension การจำลองการทำงานระบบเบรค ABS ที่ต้องการความละเอียดรูปคลื่นสูง และมี delays ที่ยาวนานของการจัดลำดับรูปคลื่น การทดสอบอายุการใช้งานของเครื่องยนต์ และใช้ประโยชน์ในการรับรองประสิทธิภาพของเครื่องยนต์
กำลังงาน ใช้ประโยชน์กับการทดสอบมิเตอร์วัดค่า และการจำลองสภาวะรบกวน ที่มีความสำคัญในการใช้งานแบบ single- และ multi- phase waveform generators ทั้งยังมีความสำคัญ ในการให้กำเนิดฮาร์มอนิก, การควบคุมมุมเฟสที่ได้ค่าเที่ยงตรง, การจัดลำดับรูปแบบสัญญาณรบกวน, ใช้ประโยชน์ในการสอบเทียบมิเตอร์ และ การทดสอบการทำงานที่ไม่เกิดการติดขัดของแหล่งจ่ายไฟ
การสื่อสาร ประยุกต์ใช้งานในการทดสอบโมเดม, modulation แบบ I และ Q, การจำลองข้อมูลทางวิทยุ, การวัดค่า modulator phase sensitivity, รูปแบบรหัส pseudo-random การบิดเบี้ยวของสัญญาณเนื่องจากสัญญาณข้างเคียง รูปแบบ Modulation อื่น ๆรวมถึง CDMA, W-CDMA, QPSK, MSK, FSK, AM, FM และอื่น ๆ อีกมากมาย
การใช้งานทางด้าน อุปกรณ์ Semiconductor และ อุปกรณ์ทางด้านโลหะอุตสาหกรรม ใช้งานแบบประยุกต์ในด้านความหลากหลายของรูปคลื่นที่ใช้งานทางวิทยาศาสตร์ ใช้สำหรับย่านการทดสอบจอ LCD, การใช้งานเรื่อง SEM lithography, การทำความสะอาดแผ่นเวเฟอร์ด้วย ultrasonic, การคำนวณเกี่ยวกับอุปกรณ์ semiconductor, คุณลักษณะแบบ FeRAM การวัดความต้านทานแผ่นเวเฟอร์ การควบคุม ลำแสงเลเซอร์ และการแสดงผลการไหลของเหลวโดยใช้รูปคลื่นในหลายย่านความถี่,


แต่งานที่ผมสนใจและคิดว่าที่จะมาทํางานคือเรื่องของการ คุมเสียง หรือ เรื่องของคลื่นเสียง โดยคลื่นเสียงมีด้วยกันหลายชนิด มีการทําให้เกิดเสียงได้หลายอย่าง ไม่ว่าจะเป็น การดีด หรือ การเคาะก็จะทําให้เกิดเสียงที่แตกต่างกัน โดยคลื่นเสียงเมื่อมีเสียงออกมา กราฟ ของเสียงก็จะเปลี่ยนไปในรูปแบบต่างๆ