การตรวจวัดเสียงจากอุตสาหกรรม (1/2)

                                                                      
โดย อาจารย์ปราโมช เชี่ยวชาญ

        เสียงจัดเเป็นมลพิษ (pollution)  ที่สำคัญอย่างหนึ่ง ดังนั้น ในบางประเภทอุตสาหกรรม บางกระบวนการผลิตจึงยากที่จะหลีกเลี่ยงที่จากมลพิษทางเสียง  จุลสารฉบับนี้จะทบทวนความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับเสียง  ก่อนจะกล่าวถึงกฏหมายประเทศไทยที่เกี่ยวข้องกับการตรวจวัดเสียงจากอุตสาหกรรมในฉบับต่อไป

ความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับเสียง

        คำว่า “เสียง” โดยทั่วไปภาษาอังกฤษใช้คำว่า “Sound” อย่างไรก็ตาม เสียงที่ไม่ต้องการได้ยินหรือไม่พึงประสงค์จะรับรู้ (Unwanted or Undesirable Sound) ภาษาอังกฤษจะใช้คำว่า Noise (มลพิษทางเสียงจึงเรียกว่า Noise Pollution) แต่หากพิจารณาในเรื่องคุณสมบัติทางกายภาพ (Physics Properties) แล้ว ทั้งคำว่า Sound และ Noise มีคุณสมบัติทางกายภาพเหมือนกันทุกประการ

        เสียงเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของอนุภาคของต้นกำเนิดเสียงหรือแหล่งกำเนิดเสียง ซึ่งพลังงานจากการสั่นสะเทือนของต้นกำเนิดเสียงนี้จะถ่ายทอดผ่านตัวกลางหรืออากาศ ทำให้อนุภาคของตัวกลางหรืออากาศสั่นไปมา ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความดันของตัวกลางหรืออากาศ และทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของเสียงในลักษณะของคลื่น (Wave) ที่เรียกว่า “คลื่นเสียง”

        การเกิดคลื่นเสียง ประกอบด้วย องค์ประกอบที่สำคัญ   3 องค์ประกอบ คือ แหล่งกำเนิดของเสียง (Sources) ตัวกลางที่คลื่นเสียงผ่าน (Medium for Transmission) และตัวรับ (Receiver) โดยต้นกำเนิดเสียง หมายถึง วัตถุหรือสสารต่างๆ ที่มีการสั่น ซึ่งการสั่นของสสารอาจเกิดจากการสั่นของพื้นผิวของแข็ง ที่เรียกว่า “Mechanical Noise” เช่น การสั่นของตัวเครื่องจักร หรืออาจเกิดจากการเคลื่อนที่ของของไหลที่เรียกว่า “Fluid Noise” เช่น การเกิดเสียงจากระบบนิวแมติก (Pneumatic tools) เครื่องอัดอากาศ (Compressors) สำหรับตัวกลาง หมายถึง สสารที่นำพาคลื่นเสียงเคลื่อนที่จากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง ซึ่งตัวกลางดังกล่าวต้องมีคุณสมบัติดังนี้คือ มีความยืดหยุ่น (Elasticity) มีมวล (Mass) และมีความเฉื่อย (inertia) ตัวกลางโดยทั่วไปหมายถึงอากาศ (หรือก๊าซ) อย่างไรก็ตาม ตัวกลางอาจเป็นของเหลวหรือของแข็งก็ได้ ส่วนตัวรับ หมายถึง การรับรู้ของหูและสมองมนุษย์ หรือเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในการวัดเสียงที่เรียกว่า “เครื่องวัดระดับเสียง”

        ในการศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพของเสียงเพื่อให้ง่ายต่อการทำความเข้าใจ จึงกล่าวถึงคลื่นเสียงในรูปแบบของ Sine Wave    คุณสมบัติทางกายภาพของเสียงที่สำคัญมีหลายพารามิเตอร์ เช่น แอมพลิจูด (Amplitude ) หรือความสูงของคลื่นเสียง  ความยาวคลื่น (Wave length) ความถี่ ( Frequency ) คาบ (Period ) อัตราเร็วของเสียง (Speed of Sound) กำลังเสียง (Sound Power, W)  ความเข้มเสียง (Sound Intensity ; I) ความดันเสียง (Sound Pressure) เป็นต้น ในที่นี้จะขอกล่าวถึงบางพารามิเตอร์ที่จำเป็น เพื่อเป็นความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการตรวจวัดเสียง ดังนี้

1.  กำลังเสียง

        กำลังเสียง (Sound Power, W) หมายถึง พลังงานเสียงที่เกิดขึ้นที่แหล่งกำเนิดเสียงต่อหน่วยเวลาสามารถคำนวณได้จากสมการ
                                               ……………(1)
เมื่อ      W  คือ กำลังเสียง, วัตต์ (W)
E   คือ พลังงานเสียง, จูล (J)
t   คือ เวลา, วินาที (s)
ดังนั้น กำลังเสียงจึงมีหน่วยเป็นจูลต่อวินาที หรือวัตต์ นอกจากนี้ ในการคำนวณกำลังเสียงจากแหล่งกำเนิดที่วางอยู่ในที่โล่งโดยไม่มีผนังกั้นทางเดินของเสียง สามารถคำนวณได้จากการรวมพลังงานเสียงทั้งหมดที่อยู่แต่ละพื้นที่ผิวของทรงกลมที่มีรัศมี เท่ากับ r  (เนื่องจากเสียงเคลื่อนที่จากแหล่งกำเนิดเป็นทรงกลมโดยรอบแหล่งกำเนิด) จากสมการ
กำลังเสียง          =        พื้นที่ผิวของทรงกลม × ความเข้มของเสียง
หรือ
                                               …………(2)

2. ความเข้มเสียง

        ความเข้มเสียง (Sound Intensity ; I) หมายถึง พลังงานเสียงที่ตกกระทบในแนวตั้งฉากกับพื้นที่ผิวรับเสียงต่อหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยเวลา หรือหมายถึง กำลังเสียงต่อหน่วยพื้นที่ของผิวรับเสียงสามารถคำนวณได้จากสมการ
                                                  ……….(3)
เมื่อ       I           คือ  ความเข้มเสียง, วัตต์ต่อตารางเมตร (W/m2)
E          คือ พลังงานเสียง, จูล (J)
A         คือ พื้นที่ผิวรับเสียง ตารางเมตร (m2)
t          คือ เวลา, วินาที (s)
W        คือ กำลังเสียง, วัตต์ (W)
นอกจากนี้ ความเข้มเสียงเป็นปฏิภาคโดยตรงกับกำลังสองของความดันเสียง จึงสามารถคำนวณความเข้มเสียงได้ ดังสมการ
                                             …………….(4)
เมื่อ      I           คือ ความเข้มเสียง (W/m2)
P          คือ ความดันเสียง ปาสคาล (Pa)
r         คือ ความหนาแน่นของตัวกลางที่เสียงเคลื่อนที่ผ่าน (kg/m3)
C         คือ อัตราเร็วของเสียงในตัวกลางที่เสียงเคลื่อนที่ผ่าน (m/s)

3. ความดันเสียง

        ความดันเสียง (Sound Pressure) คือ ค่าความดันของอากาศที่เป็นตัวกลางของคลื่นเสียงที่เปลี่ยนแปลงไปจากความดันบรรยากาศปกติขณะที่ไม่มีคลื่นเสียง หรืออาจกล่าวได้ว่า คือ ค่าความแตกต่างระหว่างความดันที่จุดใดๆ เมื่อมีเสียงและไม่มีเสียงนั่นเอง และค่าความดันที่เปลี่ยนแปลงไปมากที่สุด ก็คือ ค่าแอมพลิจูด โดยทั่วไปค่าความดันเสียงจะวัดเป็นค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยกำลังสอง (Root Mean Square: Prms) หน่วยที่นิยมใช้วัด คือ นิวตันต่อตารางเมตรหรือปาสคาล (Pascal; Pa) ซึ่ง Prms จะมีค่าประมาณ 0.707 ของ Pmax (ความดันสูงสุด)

ระดับและเดซิเบล

        มาตรที่ใช้วัดและคำนวณเกี่ยวกับเสียงจำเป็นต้องกำหนดให้ใช้เป็นระดับ (Level) เนื่องจากการตอบสนองต่อเสียงของหูมนุษย์ตอบสนองในช่วงที่กว้างมาก  รวมทั้งสเกลปกติ ไม่สะดวกที่จะใช้ จึงจำเป็นต้องใช้สเกลลอการิทึม (Logarithmic) ซึ่งค่อนข้างสอดคล้องกับการตอบสนองของหูมนุษย์ โดยหลักการของสเกลลอการิทึมและระดับ เป็นการเปรียบเทียบอัตราส่วน (Ratio) ของปริมาณที่กล่าวถึงกับปริมาณอ้างอิง (Reference Quantity) ทำให้อัตราส่วนของปริมาณดังกล่าวไม่มีหน่วย ดังนั้น จำเป็นต้องนิยามหน่วยที่ใช้วัดและคำนวณเกี่ยวกับเสียงขึ้นมาใหม่เรียกว่า “เบล (Bel)”การตั้งชื่อหน่วยนี้ เพื่อเป็นเกียรติแก่อเล็กซานเดอร์ เกรแฮม เบลล์ ผู้ประดิษฐ์โทรศัพท์

        อย่างไรก็ตาม หน่วยเบลค่อนข้างใหญ่เกินไปสำหรับการตอบสนองเสียงที่หูมนุษย์ได้ยินจำเป็นต้องแปลงจากหน่วยเบลให้เล็กลงโดยใช้ตัวอุปสรรค (Prefix) คือ เดซิ (Deci) เป็นคำนำหน้าหน่วย ได้เป็นหน่วยเดซิเบล (Decibel, dB) แทน ซึ่งเดซิเบลมีค่าเป็น 1 ใน 10 ของหน่วยเบล
การคำนวณระดับเสียงมีพารามิเตอร์ที่สำคัญในการคำนวณ ดังนี้
1 ) ระดับกำลังเสียง (Sound Power Level, Lw) มีสมการคำนวณ ดังนี้
            หรือ      ……… (5)
เมื่อ      Lw        คือ ระดับกำลังเสียง (เดซิเบล, dB)
W        คือ กำลังเสียง (วัตต์; W)
Wref      คือ กำลังเสียงอ้างอิง ซึ่งมีค่าเท่ากับ 10-12 วัตต์

2 )ระดับความเข้มเสียง (Sound Intensity Level, LI) มีสมการคำนวณ ดังนี้
            หรือ        …..… (6 )
เมื่อ    LI         คือ ระดับความเข้มเสียง (เดซิเบล, dB)
I           คือ ความเข้มเสียง (W/m2)
Iref        คือ ความเข้มเสียงอ้างอิง ซึ่งเท่ากับ 10-12 W/m2

3 )ระดับความดันเสียง (Sound Pressure Level, LP or SPL) มีสมการการคำนวณ ดังนี้
(เนื่องจาก I a P2)
                   ..………… (7)
                                    ………….. (8)
                           ………….. (9)
เมื่อ      LP หรือ SPL    คือระดับความดันเสียง (เดซิเบล, dB)
P          คือ ความดันเสียง (ปาสคาล)
Pref       คือ ความดันเสียงอ้างอิง ซึ่งเท่ากับ 2 x 10-5 Pa หรือเท่ากับ 20 m Pa

        ค่าปริมาณอ้างอิงที่กล่าวถึงข้างต้น เกิดจากการตกลงร่วมกันระหว่างนานาชาติ (International Agreement) ซึ่งกำหนดให้ใช้ค่าปริมาณต่ำสุดที่หูมนุษย์ในวัยหนุ่มสาวได้ยินปกติ (Normal Threshold of Hearing) เช่น ความดันเสียงต่ำสุดเท่ากับ 20 m Pa ที่ความถี่ 1,000 เฮิร์ตซ์ เป็นต้น

        จากสมการข้างต้น จะเห็นได้ว่ามีพารามิเตอร์หรือสมการที่ใช้ในการคำนวณระดับเสียงมี 3 สมการ คือ ระดับกำลังเสียง ระดับความเข้มเสียง และระดับความดันเสียง อย่างไรก็ตาม ค่าที่สำคัญและนิยมใช้ในทางปฏิบัติเกี่ยวกับการตรวจวัดเสียงนั้น จะใช้ค่าระดับความดันเสียง โดยใช้เครื่องวัดระดับเสียง (Sound Level Meter) ด้วยเหตุผลที่ว่า การวัดค่าระดับความดันเสียงสามารถทำการตรวจวัดได้ง่ายกว่า รวมทั้งเครื่องมือมีราคาถูกกว่า และบำรุงรักษาได้ง่ายกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับการตรวจวัดค่าระดับความเข้มเสียง ส่วนการตรวจวัดค่าระดับกำลังเสียงนั้นไม่สามารถตรวจวัดได้โดยตรง ดังนั้น เมื่อกล่าวถึง ระดับเสียง (Sound Level) โดยทั่วไปจึง หมายถึง ระดับความดันเสียง  ( Sound Pressure Level or SPL)

การตอบสนองต่อเสียงของมนุษย์

        นอกจากหน่วยการตรวจวัดเสียงที่กล่าวถึงข้างต้นแล้ว   ยังมีการศึกษาเกี่ยวกับการตอบสนองต่อเสียงของมนุษย์ โดยการศึกษาเป็นการนำเรื่องคุณลักษณะของหูมนุษย์เกี่ยวกับการได้ยิน และเรื่องจิตวิทยา (Psychology) หรือความรู้สึก (Sensation) ที่ตอบสนองต่อเสียงของมนุษย์เข้ามาร่วมพิจารณาด้วย และในการพิจารณาดังกล่าวมีกำหนดพารามิเตอร์ขึ้นมาใหม่ คือ ความดัง (Loudness)  ทั้งนี้ความดังเป็นความรู้สึกของคนในการรับรู้ต่อระดับความดันเสียง หรือความเข้มเสียงที่ความถี่ต่าง ๆ

        จากการศึกษาของ Fletcher และ Muson ในปี ค.ศ. 1933 ซึ่งศึกษาเกี่ยวกับความรู้สึกต่อความดังของเสียงบริสุทธิ์ (Pure tones) ที่ระดับความดันเสียงในแต่ละความถี่ ในกลุ่มคนหนุ่มสาวที่มีการได้ยินปกติหลายพันคน พบว่า หูมนุษย์ตอบสนองต่อเสียงขึ้นกับระดับความดันเสียงและความถี่ของเสียง ซึ่งสัมพันธ์กับการสั่นไหวของเซลล์ขนในหูชั้นในและมีความสัมพันธ์แบบไม่เป็นเส้นตรง (Non Linear Relationship) กล่าวคือ ที่ระดับความดันเสียงเท่ากัน หูมนุษย์จะได้ยินหรือตอบสนองต่อเสียงในรูปของความดังที่ไม่เท่ากันในแต่ละความถี่  ผลการศึกษาดังแสดงในภาพที่ 1 โดยแกนเอ็กซ์( X ) แสดงความถี่ของเสียง (เฮิร์ตซ์) แกนวาย ( Y) แสดงระดับความดันเสียง (เดซิเบล)  และเส้นโค้ง (Curve) ในภาพแสดงเส้นระดับความดังที่เท่ากัน (Equal Loudness Level) และเรียกเส้นระดับเหล่านี้ว่า “ระดับความดัง (Loudness Level)” มีหน่วยเป็นโฟน (Phon)ในการพิจารณากำหนดระดับความดังของเส้นโค้งดังกล่าว พิจารณาที่ความถี่ 1,000 เฮิร์ตซ์ เป็นหลัก โดยระดับความดังจะเท่ากับระดับความดันเสียงที่ความถี่ 1,000 เฮิร์ตซ์ ยกตัวอย่างเช่น จากภาพที่ 1 เห็นได้ว่า ระดับความดัง 10 โฟน ที่ความถี่ 1000 เฮิร์ตซ์มีระดับความดันเสียง เท่ากับ 10 เดซิเบล ระดับความดัง 60 โฟน พบว่า ที่ความถี่ 1000 เฮิร์ตซ์ มีระดับความดันเสียง เท่ากับ 60 เดซิเบล เป็นต้น

ภาพที่ 1  เส้นโค้งระดับความดังเท่ากันของเสียงบริสุทธิ์
ที่มา: John E.K. Foreman, Sound Analysis and Noise Control, 1990

        นอกจากพารามิเตอร์ ระดับความดังที่มีหน่วยเป็นโฟน ดังกล่าวมาแล้วนั้น ยังมีพารามิเตอร์อีกพารามิเตอร์ที่สำคัญ คือ ความดัง (Loudness) ซึ่งเป็นการแปลงค่าระดับความดังซึ่งอยู่สเกลล็อกการิทึม (Logarithm Scale) ให้มาอยู่ในรูปของสเกลเส้นตรง (Linear Scale)  ความดังมีหน่วยเป็นโซน (Sone) โดยมีนิยามว่า 1 โซนจะเท่ากับระดับความดัง 40 โฟนและสามารถคำนวณค่าความดังเมื่อทราบค่าระดับความดังได้จากสมการ
                                         .............. (10)
โดย   S คือ ความดัง (โซน)
P คือ ระดับความดัง (โฟน)
หรือสามารถคำนวณค่าระดับความดังเมื่อทราบค่าความดังได้จากสมการ
                                 ……….. (11)
ในที่นี้ที่กล่าวถึงการตอบสนองต่อเสียงของมนุษย์ร่วมด้วย เพราะมีประเด็นสำคัญที่ต้องการให้พิจารณา ดังนี้

1) ในภาษาไทยการใช้คำว่า “ระดับเสียง” กับคำว่า “ความดัง” ควรให้ความระมัดระวังในการใช้เพื่อป้องกันความสับสนที่อาจจะเกิดขึ้นได้     เพราะจากที่มาซึ่งได้อธิบายไว้ข้างต้นพบว่า โดยแท้จริงแล้ว ในทางปฏิบัติ สำหรับการตรวจวัดเสียงใช้เครื่องตรวจวัดระดับเสียง (Sound Level Meter)หรือเรียกสั้น ๆว่า เครื่องวัดเสียง ในการตรวจวัดค่าระดับความดันเสียง (Sound Pressure Level) ซึ่งมีหน่วยเป็น เดซิเบล   แตกต่างจากคำว่า ความดัง(Loudness) หรือระดับความดัง (Loudness Level) ซึ่งมีหน่วยเป็นโซน (Sone) และโฟน (Phon) ตามลำดับ  ดังนั้น ในการตรวจวัดระดับเสียงควรใช้คำว่า ค่าระดับสียงที่ตรวจวัดได้เท่ากับกี่เดซิเบล ไม่ควรใช้คำว่า ความดังเท่ากับกี่เดซิเบล (ขอให้สังเกตจากกฏหมายฉบับใหม่ ๆ จะพบว่า การกำหนดมาตรฐานเสียงตามกฎหมายต่าง ๆ ของประเทศไทยจะใช้คำว่า ค่าระดับเสียง โดยไม่ใช้คำว่าความดัง เพราะอาจทำให้สับสนกับคำว่า Loudness)

        จากการศึกษาเรื่องการตอบสนองต่อเสียงของมนุษย์ ทำให้เข้าใจที่มาของวงจรถ่วงน้ำหนักความถี่ (Frequency Weighting Network) ในเครื่องวัดระดับเสียง ที่สำคัญ คือ วงจรถ่วงน้ำหนักความถี่แบบเอ เนื่องจากถูกพัฒนาหรือสร้างขึ้นมาให้ตอบสนองต่อการได้ยินได้ใกล้เคียงกับหูมนุษย์มากที่สุด ดังนั้น ในการตรวจวัดระดับเสียงที่เกี่ยวข้องกับมนุษย์ (ทั้งในงานอาชีวอนามัยและงานสิ่งแวดล้อม) ในการตรวจวัดจึงกำหนดให้ตรวจวัดโดยใช้วงจรถ่วงน้ำหนักความถี่แบบเอ และค่ามาตรฐานตามกฎหมายจึงกำหนดไว้เป็นค่าเดซิเบลเอ [dB(A)]

ในฉบับนี้ได้กล่าวถึงความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับเสียงมาพอสังเขป ฉบับหน้าจะกล่าวถึงกฏหมายประเทศไทยที่เกี่ยวข้องกับการตรวจวัดเสียงจากอุตสาหกรรม 

-โปรดอดใจรอ-

...................................................
เอกสารอ้างอิง

กรมควบคุมมลพิษ . (2544). มลพิษทางเสียง. กรุงเทพมหานคร: บริษัทซิลค์คลับ จำกัด.
ปราโมช เชี่ยวชาญฬ. (2551). เอกสารการสอนชุดวิชาสุขศาสตร์อุตสาหกรรม: การประเมิน. นนทบุรี:  สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยสุโขทัยธรรมาธิราช
สราวุธ  สุธรรมาสา.  (2547). การจัดการมลพิษทางเสียงจากอุตสาหกรรม. กรุงเทพมหานคร: บริษัทซีแอนด์ เอส พริ้นติ้ง จำกัด
Cyril, M. Harris. (eds.). (1991). Handbook of Acoustical Measurements and Noise Control. 3rd ed. New York : McGraw Hill Inc.
John, E.K. Foreman. (1990). Sound Analysis and Noise Control. New York: Van Nostrand Reinhold.
Lawrence, K. Wang, Norman, C. Pereira and Yung-Tse,  Hung (eds). (2005). Advanced Air and Noise Pollution Control. New Jersy: Humana Press Inc.
WHO. (2001). Occupational  Exposure to Noise: Evaluation, Prevention and Control. ค้นคืนเมื่อ  พฤษภาคม 2555 จาก http//www.mne.psu.edu/lamancusa/me458/

ภาพประกอบ banner จาก http://www.evltesting.com/instrument.asp