หูได้ยินเสียงอย่างไร
ก่อนจะไปสู่ประเด็นอื่นที่น่าสนใจเกี่ยวกับหูฟังมีเรื่องพื้นฐานที่เราควรรู้เกี่ยวกับการได้ยินของหูมนุษย์ และการรับรู้เสียงของมนุษย์ ไว้ด้วย เนื่องจากเป็นความเข้าใจพื้นฐานที่ทำให้เราทราบถึงผลกระทบด้านต่างๆ ของเสียงที่มีต่อมนุษย์
หูได้ยินเสียงผ่านกลไกการได้ยิน [1] ที่เกิดจากการสั่นของโมเลกุลอากาศทำให้มีการกระเพื่อมขึ้นลงของความดันอากาศ (Sound pressure) เมื่อความดันอากาศที่เปลี่ยนแปลงนั้นเดินทางไปกระทบกับใบหู (Pinna) ก็ถูกส่งต่อเข้าไปในรูหู (Ear canal) ส่งพลังงานต่อให้กับเนื้อเยื่อแผ่นบางๆ ที่เรียกว่า เยื่อแก้วหู (Eardrum) สั่นตามจังหวะของการสั่นกระเพื่อมของโมเลกุลของอากาศ การสั่นได้ถูกส่งต่อไปให้กระดูกเล็กๆ สามชิ้น กระดูกค้อน (Malleus) ที่อยู่เชื่อมติดกับเยื่อแก้วหูก่อน แล้วส่งต่อการสั่นนั้นไปให้กระดูกทั่ง (Incus) และกระดูกโกลน (Stapes) ตามลำดับ ซึ่งกระดูกโกลนอยู่เชื่อมติดหูชั้นในกับอวัยวะที่เรียกว่า “Oval window” ที่เชื่อมต่อกับท่อคอเคลีย (Cochlear duct) ที่ห่อหุ้มไว้ด้วย “Vascular duct” ซึ่งภายในคอเคลียก็จะมีเนื้อเยื่อที่มีลักษณะเป็นเส้น (Basila membrane) แล้วมีเซลล์ขน (Hair cell) อยู่ในนั้น โดยแต่ละเซลล์ขนจะทำหน้าที่รับรู้การสั่นที่ส่งทอดกันมาจากเยื่อแก้วหูไปตามความถี่ของการสั่นแต่ละความถี่ แล้วส่งต่อไปยังระบบประสาทคู่ที่แปดที่ส่วนหนึ่งทำหน้าที่แปลผลการรับรู้การได้ยินเสียงของคนทำให้เข้าใจว่า เสียงที่ได้ยิน นั้นคือเสียงอะไร
หูของคนจึงได้ยินเสียงผ่านกระบวนการที่กล่าวมาข้างต้นซึ่งเป็นการเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและมีความไวต่อการกระเพื่อมของการเปลี่ยนแปลงความดันอากาศที่น้อยมากๆ ทำให้หูของคนได้รับเสียงและคนรับรู้เสียงนั้น
เสียงที่คนได้ยินจึงมีข้อมูลสองส่วนควบคู่กันอยู่ตลอดเวลา คือ ความดันเสียงที่เปลี่ยนไป ที่เรารับรู้ว่า “ดัง” หรือ “เบา” หมายถึง ช่วงระดับความดันเสียงตั้งแต่ที่มากกว่า 0 ไปจนถึงประมาณ 120 เดซิเบลเอ (deciBel, dBA) และการรับรู้ความถี่ของการสั่น หรือที่เรารับรู้ว่า เสียงนั้น “ทุ้ม” หรือ “แหลม” หมายถึง ช่วงความถี่ 20-20,000 เฮิร์ตซ (Hz) รวมกันแล้ว นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า ช่วงที่หูของคนได้ยินเสียง (Audible range) ดังแสดงในรูปที่ 1
รูปที่ 1 Robinson-Dadson Equal Loudness Curves
ภาพโดย Booby at English Wikibooks, Public domain, via Wikimedia Commons
กราฟนี้สะท้อนธรรมชาติการได้ยินเสียงของมนุษย์ แกนนอนคือความถี่หน่วยเป็น Hz แกนตั้งคือระดับเสียงหน่วยเป็น dB SPL เส้นแต่ละเส้นในกราฟหมายถึงเสียงที่มนุษย์ได้ยินเท่ากัน ยกตัวอย่างเช่นเส้นที่ 40 หมายความว่าเราได้ยินเสียงความถี่ 1 kHz ที่มีระดับเสียง 40 dB SPL ดังพอ ๆ กับเสียงที่ความถี่ 20 Hz ที่มีระดับเสียงเกือบ 90 dB SPL เรียกระดับความดังเท่า ๆ กันอ้างอิงที่ 1 kHz ในตัวอย่างนี้ว่า 40 phons ส่วนเส้นล่างสุดคือระดับความดัง 0 phon ถือว่าเป็นระดับเสียงต่ำสุดที่มนุษย์จะได้ยิน สังเกตว่าเราจะไวต่อความถี่กลาง ๆ นี้มากกว่าความถี่ต่ำมาก ๆ หรือความถี่สูงมาก ๆ
กราฟนี้เขียนมาจากผลการทดลองให้คนที่เข้าร่วมทดสอบจำนวนมากทีละคนฟังเสียงของความถี่ต่างๆ และระดับความดันเสียงต่างๆ ในห้องที่ทำขึ้นไว้เฉพาะแล้วให้ผู้ฟังที่เข้าร่วมการทดสอบบอกว่าได้ยินเสียงนั้น เสียงนั้นดังเท่ากันหรือหรือไม่ เส้นกราฟที่เขียนขึ้นจากการทดลองนี้ เรียกว่า “Equal Loudness Contours” มีหน่วยเป็น “Phon” การทดลองนี้มีการทำการทดลองเพื่อทดสอบซ้ำในช่วงเวลาหลายสิบปีจนกระทั่งประกาศเป็นมาตรฐาน ISO 226 ในที่สุด
เสียงในช่วงที่คนได้ยินมีความหลากหลายทั้งในด้านระดับเสียงและความถี่ ได้แก่ ช่วงเสียงที่ถูกใช้เป็นสื่อกลางในการสื่อสารกันของมนุษย์ ผ่านการสนทนาในภาษาต่างๆ (Speech range) และช่วงเสียงดนตรีที่ถูกใช้ในการสื่อสารอีกรูปแบบหนึ่งเพื่อการพักผ่อนหย่อนใจ (Musical range) ดังรูปที่ 2 สังเกตได้ว่ากลไกหูมนุษย์มีศักยภาพที่จะรับเสียงในช่วงกว้างทั้งในแง่ระดับเสียง (ดัง-เบา) และความถี่เสียง (ทุ้ม-แหลม)
รูปที่ 2 ย่านการได้ยินเสียงของมนุษย์และย่านที่มนุษย์ใช้งานเพื่อการสื่อสารด้วยคำพูด (สีดำ) กับสื่อสารด้วยดนตรี (สีเทา)
ภาพโดย Hoerflaeche.svg: TehdogLukeTriton, Public domain, via Wikimedia Commons
เส้นสีดำด้านล่างเป็นระดับเสียงต่ำสุดที่มนุษย์จะได้ยินเสียง เรียกว่า hearing threshold เป็นเส้นเดียวกันกับเส้น 0 phon ในรูปที่ 1 เสียงที่มีระดับเสียงต่ำกว่านี้เราจะไม่ได้ยิน ส่วนเส้นสีดำด้านบนคือระดับความดังที่จะทำให้การได้ยินกลายเป็นความเจ็บปวด เรียกว่า threshold of pain อย่างไรก็ตามพึงทราบว่าระดับเสียงที่เป็นอันตรายต่อสุขภาพการได้ยินกันต่ำกว่า threshold of pain อยู่มาก
ปัจจุบันยังมีงานวิจัยใหม่ๆ ที่ศึกษาการได้ยินเสียงของมนุษย์เพื่อสร้างเส้นกราฟนี้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องเพื่อศึกษาการได้ยินและเขียนกราฟให้ใกล้เคียงกับการได้ยินของมนุษย์ให้ได้มากที่สุด ผลที่ได้จะนำไปสู่การปรับปรุงเอกสารในมาตรฐานระหว่างประเทศที่เกี่ยวข้องกับเรื่องของกราฟ “Equal Loudness Contours” [2][3]
[1] คัดลอกบางส่วนและดัดแปลงโดยผู้เขียนเอง มาจาก https://soundgoodproject.wordpress.com/2015/09/04/เสียงนั้นสำคัญไฉน/ สืบค้นเมื่อวันที่ 21 มิถุนายน พ.ศ. 2564
[2] http://www.iso.org/iso/catalogue_detail.htm?csnumber=34222
[3] http://www.sengpielaudio.com/Acoustics226-2003.pdf
