อภินัทธ์ งามพันธุ์ไพศาล*, สุพิชชา ฉันทวรางค์, อชิรญาณ์ สุวรรณรัตน์, จตุพร พันตรี
โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ อำเภอพุทธมณฑล จังหวัดนครปฐม
Email:
ทำความรู้จักกับเสียงมนุษย์
เสียงพูดของมนุษย์เป็นเสียงที่เราได้ยินกันอยู่ทุกวัน ฟังดูเป็นสิ่งที่เรียบง่าย แต่จริง ๆ แล้วมีความซับซ้อนเป็นอย่างมาก เนื่องจากมีองค์ประกอบที่หลากหลาย ทั้งลักษณะของการเปล่งเสียงที่เป็นผลมาจากลักษณะทางกายวิภาคของการออกเสียง ความไม่ต่อเนื่องของคำ ความสั้นหรือยาวของเสียง โทนเสียง และโดยเฉพาะอย่างยิ่งปริมาณเชิงฟิสิกส์อย่างเช่นความดังและความถี่ของเสียง เทคโนโลยีการหักล้างเสียงรบกวนที่มีอยู่ในปัจจุบัน เช่น Active Noise Cancellation (ANC) จึงสามารถตัดเสียงรบกวนได้เฉพาะเสียงที่มีคุณสมบัติเชิงฟิสิกส์ค่อนข้างคงที่ เช่น มีความถี่ที่ไม่ผันแปรมากนัก การหักล้างเสียงพูดของมนุษย์จึงยังคงเป็นเทคโนโลยีที่อยู่ในระหว่างการพัฒนา
การทดลองกับเสียงมนุษย์
เนื่องจากเสียงพูดของมนุษย์มีความซับซ้อนขององค์ประกอบมาก ในการศึกษาคุณสมบัติเชิงฟิสิกส์นั้น ผู้เขียนจึงได้เลือกศึกษาองค์ประกอบพื้นฐานของการออกเสียงก่อน นั่นคือ เสียงสระ โดยผู้เขียนเลือกเสียงสระอา (/a/) ด้วยเหตุว่า เสียงสระอา (/a/) มักเป็นเสียงที่ประกอบเป็นคำที่เราพบเจอได้บ่อยครั้งในชีวิตประจำวัน และเพื่อให้การศึกษาเป็นไปอย่างรัดกุม ผู้เขียนจึงได้ทำการศึกษาเสียงสระอา (/a/) จากแต่ละคน โดยให้ผู้พูดมีลักษณะการพูดในโทนเดียวกันหลาย ๆ ครั้ง จากนั้นนำมาสร้างเป็น spectral slice เพื่อเปรียบเทียบและวิเคราะห์ชุดของความถี่ที่เป็นองค์ประกอบของเสียงสระอา (/a/) ที่บุคคลคนนั้นเปล่งออกมา
ผู้เขียนสังเกตได้ว่า แต่ละบุคคลจะมีองค์ประกอบของความถี่ที่เฉพาะตน เมื่อสังเกตได้ดังนั้น ผู้เขียนจึงสงสัยในปัจจัยที่มีผลต่อความถี่เสียงของบุคคลนั้น โดยสนใจเรื่องของโทนเสียง ซึ่งพบว่ายิ่งโทนเสียงสูงจะยิ่งมีระยะห่างระหว่างแต่ละความถี่มากขึ้นดังแสดงในรูปที่ 1 – 3 นอกจากนี้ความถี่ที่เป็นองค์ประกอบในย่านความถี่สูงจะยิ่งมีความเข้มสูงขึ้นตามไปด้วย จึงได้ทดลองกับผู้พูดที่ต่างเพศกัน โดยสันนิษฐานว่าเพศหญิงจะมีโทนเสียงที่สูงกว่า ดังนั้นระยะห่างระหว่างความถี่น่าจะมากกว่าเพศชาย
ผลลัพธ์ที่ได้พบว่าผู้พูดเพศหญิงมีระยะห่างระหว่างความถี่องค์ประกอบมากกว่าเพศชายจริง นอกจากนี้ยังพบว่ามีจำนวนความถี่องค์ประกอบที่น้อยกว่าเพศชายดังแสดงในรูปที่ 4 – 5 ทำให้ผู้เขียนทราบว่าเสียงของมนุษย์นั้นแท้จริงแล้วสามารถคาดเดาองค์ประกอบเชิงฟิสิกส์บางองค์ประกอบได้
ทฤษฎีคลื่นกับการหักล้าง
ตามทฤษฎีการแทรกสอดของคลื่น (Wave Interference) เมื่อมีคลื่นสองคลื่นที่มีความถี่เดียวกันมาแทรกสอดกัน จะทำให้แอมพลิจูดของคลื่นนั้นเพิ่มขึ้นหรือลดลงจนกลายเป็นศูนย์ได้ และเนื่องจากเสียงเป็นคลื่น เราจึงใช้คุณสมบัตินี้ของคลื่นในการศึกษาการหักล้างของเสียงมนุษย์ โดยหากทั้งสองคลื่นนั้นมีเฟสที่ตรงข้ามกัน เมื่อเกิดการสอดแทรกกันแล้วน่าจะสามารถทำให้คลื่นเสียงหายไปอย่างสมบูรณ์
ผู้เขียนจึงได้ทดลองโดยอ้างอิงจากทฤษฎีนี้ โดยบันทึกเสียงจริงจากผู้พูด จากนั้นนำมาวิเคราะห์หาความถี่ที่เป็นองค์ประกอบ แล้วสร้างคลื่นเสียงเฟสตรงข้ามทีละความถี่ด้วย python จากนั้นนำไปทดลองการหักล้างเสียงในพื้นที่เปิด โดยการเปิดคลื่นเสียงต้นฉบับและเสียงสังเคราะห์ (เสียงเฟสตรงข้าม) ผ่านลำโพงที่ถูกติดตั้งให้หันหน้าเข้าหากัน โดยมีไมโครโฟนวางไว้ตรงกลางเพื่อบันทึกเสียงลัพธ์จากการแทรกสอด
ผลการศึกษา
จากการทดลองพบว่าสามารถลดความดังของเสียงสระอา (/a/) ที่ใช้ในการทดลองได้มากถึง 49.4% อีกทั้งยังพบว่าเมื่อทดลองใช้เสียงสังเคราะห์ (เสียงเฟสตรงข้าม) ดังกล่าวหักล้างกับเสียงจากการเปล่งเสียงพูดคำที่ประกอบด้วยเสียงสระอา (/a/) แล้วฟังเสียงลัพธ์ที่ได้ พบว่าการหักล้างเฉพาะเสียงสระอา (/a/) สามารถทำให้คำพูดนั้นมีเสียงที่เปลี่ยนไปอย่างเห็นได้ชัด
ประโยชน์
ผู้เขียนเชื่อว่าหากศึกษาเสียงพูดของมนุษย์ให้ลึกขึ้น การหักล้างเสียงพูดของมนุษย์นั้นไม่ใช่เรื่องที่เกินความเป็นจริง และสามารถนำเอาเทคนิคนี้ไปประยุกต์ใช้กับเสียงอื่น ๆ ที่ไม่ใช่เสียงมนุษย์แต่มีความซับซ้อนมากกว่าเสียงรบกวน หรือ noise ได้ หรือหากนำหลักการนี้ไปใช้ร่วมกับเทคโนโลยี ANC ที่มีอยู่แล้วในหูฟัง ก็สามารถทำให้ประสิทธิภาพของการหักล้างเสียงดีขึ้นอีกด้วย
อ้างอิง
สิทธิชัย กุลศรี. (2544). เครื่องขจัดเสียงรบกวนแบบปรับตัวได้ [วิทยานิพนธ์ปริญญามหาบัณฑิต, มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์]. https://kb.psu.ac.th/psukb/bitstream/2016/10936/1/218551.pdf
Colin, H. H. (2003). Understanding Active Noise Cancellation. Taylor & Francis e-Library.
Hao, Z. & DeLiang, W. (2021). Deep ANC: A Deep Learning Approach to Active Noise Control. ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0893608021001258?via%3Dihub
Nelson, A. et al. (2008). Interpolation. SciPy. https://docs.scipy.org/doc/scipy/tutorial/fft.html
Srijomkwan, K., Weerasakul, C., Kittiweerawong, S., & Puntree, J. (2019). The Cancellation of Human Sounds Using Synthesized Soundwaves. Journal of Physics: Conference Series, 1380,https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1380/1/012123
