การกระจายของเสียง (Diffusion of Sound)

ประเมินการแพร่กระจายเสียงภายในห้อง (Evaluating Diffusion in a Room)

การกระจายของเสียง สามารถวัดได้โดย สร้างสัญญาณความถี่เสียงผ่านลำโพง และวัดสัญญาณที่ได้ โดยใช้ไมโครโฟนภายในห้อง อย่างไรก็ตาม การตอบสนองของเสียงภายในห้อง ไม่เคยราบเรียบเท่ากับการตอบสนองของอุปกรณ์ไฟฟ้า ความเบี่ยงเบนเหล่านี้ส่วนหนึ่งเกิดจาก สภาวะที่เสียงไม่กระจายตัวภายในห้อง

การแพร่กระจายที่พอเหมาะ จะช่วยโอบล้อมผู้ฟังในสนามเสียง ในทางกลับกัน การแพร่กระจายที่มากเกินไป อาจทำให้การระบุแหล่งที่มาของเสียงทำได้ยากขึ้น

การวัดสภาวะคงที่ (Steady-State Measurements)

ภาพแสดงการตอบสนองในสภาวะคงที่ ของสตูดิโอขนาดเล็กที่มีปริมาตร 12,000 ลูกบาศก์ฟุต

ในตัวอย่างนี้ ลำโพงถูกวางไว้ที่มุมล่างของห้อง ส่วนไมค์จะตั้งอยู่ที่อีกมุม ในแนวทแยงขึ้นด้านบน ห่างจากแต่ละพื้นผิวทั้งสามด้านประมาณ 1 ฟุต เลือกตำแหน่งเหล่านี้เนื่องจาก Room modes ทั้งหมดจะสิ้นสุดที่มุมห้อง

Swept sine-wave ที่ 30 ถึง 250 Hz จะเห็นความผันผวนในการตอบสนองความถี่ ครอบคลุมช่วงประมาณ 35 dB ความห่างของช่องว่างและพีคที่แคบ แสดงหลักฐานของ Single modes ที่มี Mode bandwidth ของห้องใกล้กับ 4 Hz พีคที่กว้างกว่าเป็นเพราะผลรวมของ Modes ที่อยู่ติดกันหลาย ๆ Modes

การเพิ่มขึ้นของความดันเสียงในความถี่จาก 30 ถึง 50 Hz เกิดจากการตอบสนองของลำโพงเป็นหลัก และจุดสูงสุดที่เพิ่มขึ้นอีก 9dB ระหว่าง 50 ถึง 150 Hz เกิดจากสนามเสียงที่ไม่กระจายอย่างสมบูรณ์

การตอบสนองในรูปที่วัดได้ เป็นเรื่องปกติแม้แต่ในสตูดิโอที่ดีที่สุด การตอบสนองที่แปรผันดังกล่าว เป็นหลักฐานของสนามเสียงที่ไม่กระจายอย่างสมบูรณ์ การตอบสนองในสภาวะคงที่เช่นนี้ แม้ในห้องที่ไม่มีเสียงสะท้อน ก็สามารถแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงได้ แต่จะมีแอมพลิจูดที่ต่ำกว่า ส่วนห้องที่มีเสียงก้อง จะแสดงการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดที่สูงกว่านี้

บีทในการสลายตัว (Decay Beats)

รูปแสดงการสลายของย่านความถี่เสียงอ็อกเทฟ จาก 63 Hz ถึง 8 kHz ที่วัดในสตูดิโอขนาด 2,921 ลูกบาศก์ฟุต

เปรียบเทียบความราบเรียบ (Smooth decay) ของการสลายตัวจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่สูงขึ้น เกิดจากจำนวน Modes ภายในช่วงอ็อกเทฟที่เพิ่มขึ้นอย่างมากตามความถี่ และยิ่งความหนาแน่นของ Modes มากขึ้นเท่าใด การสลายตัวก็จะยิ่งราบเรียบขึ้น ความแปรปรวนของข้อมูล ในการวัดแต่ละตำแหน่งก็จะมีน้อยลง

หากการสลายทั้งหมดมีลักษณะเดียวกันในทุกความถี่ และราบเรียบ จะเกิดการแพร่กระจายแบบสมบูรณ์ แต่ในทางปฏิบัติ (รูปด้านบน) Beats การสลายเกิดความไม่ราบเรียบในช่วง 63 และ 125 Hz แสดงถึงความแปรปรวนของข้อมูล เมื่อวัดเสียงในแต่ละจุด

ข้อมูล Beats ของเสียงก้องกังวานในแต่ละความถี่ จึงสามารถตัดสินระดับการแพร่กระจายได้ด้วยนั่นเอง

การสลายตัวแบบทวีคูณ (Exponential Decay)

การสลายตัวแบบ Exponential สามารถมองในลักษณะเส้นตรงความดันเสียง เทียบกับเวลา

ความชันของเส้นที่แสดงสามารถอธิบายได้ว่า เป็นอัตราการสลายในหน่วยเดซิเบลต่อหน่วยเวลา (วินาที) หรือเรียกว่าเวลาของเสียงก้องในหน่วยวินาที

ในรูปคือตัวอย่างการสลายตัวแบบ Exponential ความถี่เสียงอ็อกเทฟที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ 250 Hz มีความชันแบบ double-slope ความชันเริ่มต้นจะให้เวลาก้องกังวาน 0.35 วินาที และความลาดชันสุดท้ายจะมีเวลาก้องกังวานอยู่ที่ 1.22 วินาที

การลดลงของเสียงก้องอย่างช้า ๆ เมื่อระดับเสียงต่ำลง อาจเป็นเพราะมีการดูดซับเสียงที่ต่ำ ไม่ว่าจะโดยการที่เสียงกระแทกตัวดูดซับที่มุม หรือกระแทกในที่มีการดูดซับเพียงเล็กน้อย สิ่งเหล่านี้เป็นเรื่องปกติของ การสลายแบบ Nonexponential ประเภทหนึ่ง

รูปแสดงการสลายแบบ Nonexponential การตอบสนองเบี่ยงเบนจากความชันที่เป็นเส้นตรง ความถี่เสียงอ็อกเทฟที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ 250 Hz ในโบสถ์ขนาด 400 ที่นั่ง ที่มีโครงสร้างหลังคาเป็นลักษณะเว้า บ่อยครั้งความเบี่ยงเบนจากเส้นตรงจะยิ่งมากขึ้น เมื่อร่องรอยการสลายเป็นแบบ Nonexponential แสดงถึงไม่มีการกระจาย

ความสม่ำเสมอเชิงพื้นที่ของเวลาก้อง (Spatial Uniformity of Reverberation Time)

คือความสม่ำเสมอของเสียงก้อง ในการวัดจากตำแหน่งต่าง ๆ ภายในห้อง

ตัวอย่างแสดงผลการวัดเสียงก้องในสตูดิโอขนาด 22,000 ลูกบาศก์ฟุต ที่ใช้ผนังแบบบานพับ เปิด/ปิดได้ โดยด้านเปิดออกคือดูดซับ และด้านที่ปิดคือสะท้อน มีการบันทึกการสลายของเสียงก้องหลายครั้ง ที่ตำแหน่งไมโครโฟน 3ตำแหน่ง ในลักษณะ “แผงสะท้อน” และ “แผงดูดซับ”

จุดโปร่งและทึบ แสดงค่าเฉลี่ยสำหรับสภาวะสะท้อนและดูดซับ ตามลำดับ ส่วนเส้นทึบ เส้นประ และจุด แสดงเวลาเสียงก้องเฉลี่ยที่ตำแหน่งไมโครโฟนทั้ง 3 ตัว

จะเห็นได้ชัดว่า สนามเสียงของห้องนี้ไม่ได้เป็นเนื้อเดียวกันอย่างสมบูรณ์ เวลาของเสียงก้องแตกต่างกันไปในแต่ละจุดของห้อง ความแปรผันของเวลาก้องกังวานนี้ ระบุถึงสภาวะที่ไม่กระจาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่ต่ำ

ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน (Standard deviations) ของเวลาที่ก้องกังวาน ทำให้ยังสามารถเข้าถึงข้อมูลการแพร่กระจายตามที่วัดในตำแหน่งต่าง ๆ ภายในห้องได้ หลังจากคำนวณเป็นค่าเฉลี่ยออกมาแล้ว โดยข้อมูลที่ได้จะเป็นค่าบวก และลบอย่างละ 1 ค่า

จากตัวอย่างการใช้ “แผงสะท้อน” ที่ 500 Hz เวลาก้องกังวานเฉลี่ยคือ 0.56 วินาที ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานเท่ากับ 0.06 วินาที โดยค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานคิดมาจาก ค่าความต่างของเวลาก้องกังวานเฉลี่ยลบกับจุดที่อยู่ต่ำสุด คือ 0.50 หรือจุดสูงสุด คือ 0.62 วินาที และส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน 0.06 นั้น ถือเป็น 11% ของเวลาก้องกังวานเฉลี่ย(Standard Deviation % of Mean) คือ 0.56 วินาที

นำ Standard Deviation % of Mean พล็อตในกราฟ ความแปรปรวนของค่าเวลาก้องกังวาน ที่ความถี่สูงจะอยู่ที่ประมาณ 3 ถึง 6% เพราะแต่ละอ็อกเทฟความถี่สูงมี Mode จำนวนมากที่ส่งผลให้เกิดการสลายตัวที่ราบรื่น

สรุปได้ว่าที่ความถี่เสียงที่สูง โดยพื้นฐานแล้วเงื่อนไขการแพร่กระจายมีความแปรปรวนเพียง 3 ถึง 6%

ที่ความถี่ต่ำความแปรปรวนจะสูงกว่า เป็นผลลัพธ์จากระยะห่างของ Mode ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในเวลาก้องกังวาน จากตำแหน่งหนึ่งไปอีกตำแหน่งหนึ่ง

อย่างไรก็ตาม ระหว่างตำแหน่งการวัดทั้งสาม เวลาก้องกังวานต่างกันมากที่ความถี่ต่ำ ดังนั้นสำหรับสตูดิโอนี้ ที่สภาพการดูดกลืนเสียงแตกต่างกัน (แผงเปิด/ปิด) การแพร่กระจายจะไม่ดีที่ 63Hz ค่อนข้างดีกว่าที่ 125 Hz และดีพอสมควรที่ 250 Hz ขึ้นไป

ความผิดปกติทางเรขาคณิต (Geometrical Irregularities)

นักวิจัยได้ศึกษาว่าส่วนที่ยื่นออกมาของผนังประเภทใดให้ผลการกระจายตัวได้ดีที่สุด

Somerville และ Ward รายงานว่า องค์ประกอบการกระจายเชิงเรขาคณิตช่วยลดความผันผวน โดยทดสอบการวัดสภาวะคงที่แบบ Swept-sine

ความลึกของ Diffusers เชิงเรขาคณิต ดังกล่าวต้องมีความยาวอย่างน้อยหนึ่งในเจ็ดของความยาวคลื่น พวกเขาศึกษาองค์ประกอบทรงกระบอก สามเหลี่ยม และสี่เหลี่ยม พบว่าด้านตรงของดิฟฟิวเซอร์รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าให้ผลดีที่สุด สำหรับปรากฏการณ์ทั้งสภาวะคงตัวและปรากฏการณ์ชั่วคราว

การดูดซับเสียงในแผ่นแปะพื้นผิว (Absorbent in Patches)

การใช้แผ่นดูดซับเสียงแปะบนพื้นผิวทั้งหมด จะไม่ทำให้เกิดสภาวะแบบกระจาย และการดูดซับเสียงก็ไม่ได้เป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ

พิจารณาผลการทดลองที่แสดงผลของการกระจายตัวดูดซับ ห้องทดลองผนังมีขนาดกว้าง ยาว ด้านละ 10 ฟุต จำนวน 4 ด้าน และห้องปูกระเบื้อง (แน่นอนว่าไม่เหมาะสำหรับห้องบันทึกเสียงหรือห้องฟัง แต่ยอมรับได้สำหรับการทดลองนี้)

การทดสอบที่ 1 เวลาของเสียงก้องสำหรับห้องเปล่าถูกวัด และพบว่าเป็นเวลา 1.65 วินาทีที่ 2 kHz

การทดสอบที่ 2 ใช้ตัวดูดซับเสียงทั่วไปกับ 65% ของผนังด้านหนึ่ง (65 ft²) และพบว่าเวลาของเสียงก้องที่ความถี่เดียวกัน จะอยู่ที่ประมาณ 1.02 วินาที

การทดสอบที่ 3 ให้แบ่งพื้นที่ของตัวดูดซับออกเป็น 4 ส่วน โดยแต่ละส่วนติดตั้งบนพื้นผิวผนังทั้งสี่ด้านของห้อง สิ่งนี้ลดเวลาก้องกังวานเหลือประมาณ 0.55 วินาที

จะเห็นได้ว่า พื้นที่ของตัวดูดซับเท่ากันระหว่างการทดสอบที่ 2 และ 3 แตกต่างที่การทดสอบที่ 3 ตัวดูดซับถูกแบ่งเป็น 4 ส่วน และกระจายออกผนังแต่ละด้าน ปรากฎว่าเวลาของเสียงก้องลดลงเกือบครึ่งหนึ่ง

การใส่ค่าของเวลาก้อง 1.02 และ 0.55 วินาที พร้อมปริมาตรและพื้นที่ของห้องลงใน สมการซาบีน จะพบว่าค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนเฉลี่ยของห้องเพิ่มขึ้นจาก 0.08 เป็น 0.15 และจำนวนการดูดซับ หน่วยจาก 48 เป็น 89 sabins

การดูดซับพิเศษนี้เกิดจากเอฟเฟกต์ที่ขอบของแผ่นซับเสียงในเรื่อง การเลี้ยวเบนของเสียง ซึ่งทำให้แผ่นซับเสียงมีประสิทธิภาพมากขึ้น

กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ประสิทธิภาพการดูดซับเสียงของวัสดุดูดซับขนาด 65 ตารางฟุต 1 ชิ้น อยู่ที่ประมาณครึ่งหนึ่งของชิ้นส่วนขนาด 16 ตารางฟุต จำนวน 4ชิ้น ที่กระจายไปทั่วห้อง เพราะขอบของวัสดุดูดซับเสียงทั้ง 4ชิ้นนั้น รวมกันได้ประมาณ 2เท่าของขอบวัสดุขนาด 65 ตารางฟุตเพียงชิ้นเดียว

ดังนั้น ข้อดีอย่างหนึ่งของการกระจายตัวดูดซับภายในห้องคือ ประสิทธิภาพการดูดซับเสียงจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก อย่างน้อยก็ในบางความถี่ ข้อความก่อนหน้านี้เป็นจริงสำหรับ 2 kHz แต่ที่ 700 Hz และ 8 kHz ความแตกต่างระหว่างชิ้นส่วนขนาดใหญ่หนึ่งชิ้น และชิ้นส่วนที่กระจายสี่ชิ้น มีความแตกต่างเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

พื้นผิวเว้า (Concave Surfaces)

พื้นผิวเว้าดังในรูป (A) มีแนวโน้มที่จะโฟกัสพลังงานเสียง ดังนั้นควรหลีกเลี่ยง เนื่องจากการโฟกัสเป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามกับการแพร่กระจาย รัศมีความโค้งเป็นตัวกำหนดระยะโฟกัส ควรหลีกเลี่ยงในห้องฟัง และสตูดิโอ ส่วน (B) พื้นผิวนูนมีแนวโน้มที่จะกระจายเสียง

พื้นผิวนูน: ตัวกระจายรูปทรงกระบอก (Convex Surfaces: The Polycylindrical Diffuser)

ตัวกระจายเสียง Polycylindrical Diffuser (Poly) เป็นองค์ประกอบกระจายตัวที่มีประสิทธิภาพ และสร้างได้ค่อนข้างง่าย

3 สิ่งที่สามารถเกิดขึ้นได้ เมื่อเสียงตกลงมาบนพื้นผิวทรงกระบอก ที่ทำจากไม้อัดหรือฮาร์ดบอร์ด

องค์ประกอบทรงกระบอกดังกล่าว ทำหน้าที่ให้เสียงสามารถสะท้อน กระจายออกไปได้ตามรูป ดูดซับเสียง และแผ่รังสี

(A) เมื่อได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสม ตัวกระจายเสียงทรงกระบอกจะมีประสิทธิภาพมาก ในการกระจายเสียงแบบแถบกว้าง 120 องศา

(B) องค์ประกอบที่แบนจะกระจายในมุมที่แคบกว่ามาก ประมาณ 20 องศา

ดังนั้นลักษณะการสะท้อน การดูดกลืน และการแผ่รังสีจึงเอื้อต่อการใช้พื้นผิวทรงกระบอก Poly ที่ใช้งานได้จริง โดยประสิทธิภาพ ขนาดต้องเทียบได้กับความยาวคลื่นของเสียงที่กำลังพิจารณา ความยาวคลื่นของเสียงที่ 1,000 Hz นั้นมากกว่า 1 ฟุตเล็กน้อย และที่ 100 Hz จะอยู่ที่ประมาณ 11 ฟุต องค์ประกอบ Poly 3 หรือ 4 ฟุต จะมีผลที่ 1,000 Hz ซึ่งน้อยกว่ามากที่ 100 Hz

สิ่งสำคัญคือองค์ประกอบที่ใช้ในการกระจาย จะต้องมีลักษณะแบบสุ่ม ผนังที่ปูด้วย Poly ยาว 2 ฟุตทั้งหมด และมีความลึกเท่ากัน อาจดูสวยงาม แต่ไม่มีประสิทธิภาพในการกระจายของเสียงมากนัก ซึ่งส่งผลต่อความถี่หนึ่ง ในลักษณะที่แตกต่างจากความถี่อื่นมาก ขัดกับอุดมคติของการแพร่กระจายความถี่ที่กว้าง

สรุป สนามเสียงกระจายที่สมบูรณ์แบบ (The Perfectly Diffuse Sound Field)

เป็นเรื่องที่ยากที่จะบรรลุถึง สนามเสียงกระจายที่สมบูรณ์แบบได้ แต่อย่างไรก็แล้วแต่ สิ่งเหล่านี้ยังคงเป็นสิ่งที่ต้องคำนึง โดย Randall และ Ward ได้แนะนำไว้ว่า

• การวัดในสภาวะคงที่ จะต้องไม่มีความผิดปรกติ ในเชิงความสัมพันธ์ระหว่าง ความถี่เสียงกับพื้นที่
• จังหวะในลักษณะการสลายตัวจะต้องราบเรียบ
• การสลายตัวของเสียง จะต้องเป็นแบบเลขชี้กำลังสมบูรณ์ (Perfectly exponential)
• เวลาเสียงก้อง จะต้องเท่ากันทุกตำแหน่งภายในห้อง
• ลักษณะของการสลายตัว จะต้องเหมือนกันในทุกความถี่
• ลักษณะของการสลายตัว จะไม่ขึ้นกับลักษณะทิศทางของไมโครโฟนที่ใช้วัด

บทความที่แนะนำให้อ่านต่อ Comb Filters คืออะไร?