ลำโพง Line array และการเลือกมุมกระจายเสียง

จากบทความ ทฤษฎี Point source และ Line source ทำให้ได้รู้จักกับ แหล่งกำเนิดเสียงแบบเส้น หรือที่มักเห็นบ่อย ๆ คือ ลำโพง Line array ทีนี้ด้วยแนวคิดเรื่องความยาว และมุมองศา ที่มีประสิทธิภาพของ ลำโพงไลน์อาเรย์

จึงต้องมีเกณฑ์ในการตัดสินใจ เพื่อให้แน่ใจว่า จะได้ความดันเสียงที่ลดลง -3 dB ต่อการเพิ่มขึ้น 2 เท่าตัวของระยะทาง และได้โทนเสียงที่ใกล้เคียงกัน ในแต่ละพื้นที่การรับฟังให้ได้มากที่สุด บทความนี้จะพาคุณหนีออกจาก โลกแห่งทฤษฎี กลับมาสู่โลกแห่งความเป็นจริง และนี่คือ ลำโพง Line array

Line Source การควบคุมความดันเสียง

สิ่งแรกที่ต้องคำนึงถึง คือ ลำโพงแต่ละใบ เมื่อมาถึงจุดรับฟัง จะต้องมีเฟสที่ต่างกันไม่เกิน 1ใน 4 ของความยาวคลื่น หรือ 90 องศา เพื่อให้เกิดความสัมพันธ์ของแหล่งกำเนิดเสียงแบบเส้น (Line Source)

ในเรื่องความยาวที่มีประสิทธิภาพของ Line array จึงขอยกตัวอย่างถึง ลำโพง Line array ที่ต่อเรียงกันในแนวตั้ง ทั้งหมดจำนวน 16 ใบ จากนั้นจะให้จุดรับฟัง ลอยอยู่บนอากาศ ตรงกึ่งกลางระหว่างลำโพงใบบนสุด และใบล่างสุด โดยที่ลำโพงอยู่ห่างจากจุดรับฟัง มีรัศมีเท่ากับ r (Staring radius)

ต่อมาลองดูกันว่า ความยาวของ Line array จะส่งผลต่อประสิทธิภาพ สำหรับความถี่เสียงแต่ละความถี่อย่างไร

เริ่มจากเลือกความถี่ที่ต้องการ แล้วนำเข้าสมการ r + 1/4λ = eff length อธิบายง่าย ๆ คือ บวกรัศมีไปอีก 1/4 ของความยาวคลื่น

ตัวอย่างที่ 1 ความถี่ที่ 10 kHz จะบวก r หรือรัศมี เพิ่มขึ้นอีกประมาณ 0.009 เมตร แล้วลากเส้นส่วนโค้งขึ้นตามรูป (เส้นสีเขียว) ตัดกับหน้าตู้ลำโพง จากนั้นลากเส้นจากหน้าตู้ลำโพงมายังจุดรับฟัง จะเห็นได้ว่า แนวตั้ง Line array ยังมีพื้นที่สามารถขยายได้อีก หมายถึง เสียงที่ความถี่ 10 kHz จะมาถึงจุดรับฟัง ลดลงไม่เกิน -3 dB หรือ ความห่างกันของเฟสไม่เกิน 90 องศา

ตัวอย่างที่ 2 ความถี่ที่ 1 kHz จะบวก r หรือรัศมี เพิ่มขึ้นอีกประมาณ 0.09 เมตร แล้วลากเส้นส่วนโค้งขึ้นตามรูป (เส้นสีแดง) ตัดกับหน้าตู้ลำโพง จากนั้นลากเส้นจากหน้าตู้ลำโพงมายังจุดรับฟัง จะเห็นได้ว่า แนวตั้ง Line array ยังมีพื้นที่สามารถขยายได้อีก หมายถึง เสียงที่ความถี่ 1 kHz จะมาถึงจุดรับฟัง ลดลงไม่เกิน -3 dB หรือ ความห่างกันของเฟสไม่เกิน 90 องศา

ตัวอย่างที่ 3 ความถี่ที่ 100 Hz จะบวก r หรือรัศมี เพิ่มขึ้นอีกประมาณ 0.9 เมตร แล้วลากเส้นส่วนโค้งขึ้นตามรูป (เส้นสีน้ำเงิน) ตัดกับหน้าตู้ลำโพง จากนั้นลากเส้นจากหน้าตู้ลำโพงมายังจุดรับฟัง จะเห็นได้ว่า แนวตั้ง Line array เต็มพื้นที่ความยาว ของลำโพงพอดี หมายถึง เสียงที่ความถี่ 100 Hz จะมาถึงจุดรับฟัง ลดลงไม่เกิน -3 dB หรือ ความห่างกันของเฟสไม่เกิน 90 องศา

แต่เมื่อต้องเพิ่มระยะทางออกไปอีก หมายความว่าจะไม่ได้ความเป็น Line Source จาก 100 Hz กลับมา และเข้าสู่กฎ “-6 dB เมื่อเพิ่มระยะทางเป็น 2 เท่า เหมือน Point Source”

ข้อสังเกต คือ การที่จะทำให้เกิดการควบคุมเสียงแบบเส้น หรือ Line source ในความถี่ต่ำได้ จำนวนตู้ลำโพง Line array ที่เลือกใช้ จะต้องมีจำนวนมากขึ้นเช่นกัน

ต่อจากนี้จะอธิบายถึง ลักษณะการแขวนลำโพงในแต่ละแบบ ว่ามีข้อดี ข้อเสีย แตกต่างกันอย่างไร เริ่มจาก

แบบที่ 1 แขวนแบบหน้าตรง (Straight Array)

แม้จะเป็นวิธีที่ไม่ค่อยได้เห็นบ่อย ๆ แต่โดยรวมวิธีนี้ก็มีข้อดีเช่นกัน และที่สำคัญ สามารถนำความเข้าใจ มาปรับ และประยุกต์ใช้ กับการแขวนแบบอื่นได้อีกด้วย

ตัวอย่างที่ 1.1 เมื่อ Distance และ radius เท่ากับ 4 เมตร แทนค่าสมการ r + 1/4λ = eff length ของความถี่ทั้ง 100Hz, 1 kHz และ 10 kHz

วาดส่วนโค้ง จนได้ตามภาพด้านบน ซึ่งแสดงถึงสัดส่วนความยาวของ Line ในแต่ละความถี่เสียง สิ่งที่ได้คือ

l_eff(100 Hz) = 4.90 เมตร, l_eff(1 kHz) = 1.64 เมตร และ l_eff(10 kHz) = 0.52 เมตร

ตัวอย่างที่ 1.2 เพิ่มระยะทางเป็น 2 เท่า radius จะเท่ากับ 8 เมตร เมื่อเปรียบเทียบระหว่างตัวอย่างที่ 1.1 และ 1.2 แสดงให้เห็นความยาวของ Line ความถี่เสียง ที่เพิ่มขึ้นของ 10 kHz, 1 kHz ยกตัวอย่าง 10 kHz เพิ่มขึ้นจาก 0.52 เป็น 0.74 เมตร

แต่ไม่มีการเพิ่มขึ้นของ 100 Hz นั่นหมายความว่า ที่ระยะ 4 เมตรเป็นต้นไป จะไม่ได้ความเป็น Line Source จาก 100 Hz กลับมาเข้ากฎ -6 dB เมื่อเพิ่มระยะทางเป็น 2 เท่า เหมือน Point Source

ตัวอย่างที่ 1.3 เพิ่มระยะทางเป็น 2 เท่า radius จะเท่ากับ 16 เมตร เมื่อเปรียบเทียบระหว่างตัวอย่างที่ 1.2 และ 1.3 แสดงให้เห็นความยาวของ Line ความถี่เสียง ที่เพิ่มขึ้นของ 10 kHz, 1 kHz ยกตัวอย่าง 10 kHz เพิ่มขึ้นจาก 0.74 เป็น 1.04 เมตร

ตัวอย่างที่ 1.4 เพิ่มระยะทางเป็น 2 เท่า radius จะเท่ากับ 32 เมตร เมื่อเปรียบเทียบระหว่างตัวอย่างที่ 1.3 และ 1.4 แสดงให้เห็นความยาวของ Line ความถี่เสียง ที่เพิ่มขึ้นของ 10 kHz, 1 kHz ยกตัวอย่าง 10 kHz เพิ่มขึ้นจาก 1.04 เป็น 1.48 เมตร

ตัวอย่างที่ 1.5 เพิ่มระยะทางเป็น 2 เท่า radius จะเท่ากับ 64 เมตร เมื่อเปรียบเทียบระหว่างตัวอย่างที่ 1.4 และ 1.5 แสดงให้เห็นความยาวของ Line ความถี่เสียง ที่เพิ่มขึ้นของ 10 kHz ยกตัวอย่าง 10 kHz เพิ่มขึ้นจาก 1.48 เป็น 2.08 เมตร

แต่มีการเพิ่มขึ้นของ 1 kHz ที่น้อยมาก นั่นหมายความว่า ที่ระยะ 32 เมตรเป็นต้นไป จะไม่ได้ความเป็น Line Source จาก 1 kHz กลับมาเข้ากฎ -6 dB เมื่อเพิ่มระยะทางเป็น 2 เท่า เหมือน Point Source

จากกราฟจะเห็นได้ว่า ความถี่ที่ 100 Hz สิ้นสุดการ -3 dB ตั้งแต่ระยะ 4 เมตรเป็นต้นไป กลับมาเป็น -6dB ที่ 2 เท่าของระยะทาง และความถี่ที่ 1 kHz สิ้นสุดการ -3 dB ตั้งแต่ระยะ 32 เมตร เป็นต้นไป กลับมาเป็น -6dB ที่ 2 เท่าของระยะทาง แต่ที่ 10 kHz ยังคงการลดลง -3 dB ได้อยู่ที่ระยะทาง 64 เมตร

และจากตาราง ค่าความต่างที่ 1.4 เท่า จะได้ความดันเสียงที่ลดลง -3 dB ต่อการเพิ่มขึ้น 2 เท่าตัวของระยะทาง (ของการแขวนแบบ Straight Array) เช่นที่ระยะ 8 เมตร 1 kHz มีความยาวของ Line เท่ากับ 2.37 เมตร จะเป็น 1.4 เท่าของความยาวก่อนหน้า คือ 1.64 เมตร ที่ระยะ 4 เมตรนั่นเอง

การเป็น 1 ของ 100 Hz หมายถึงการไม่ได้เข้า กฎของการ -3 dB ตั้งแต่ระยะ 4 เมตรเป็นต้นไป และที่ความถี่ 1 kHz จะไม่เข้ากฎนี้ตั้งแต่ระยะ 32 เมตรเช่นกัน

ข้อดี การแขวน Line array แบบหน้าตรง (Straight Array) คือ สามารถส่งเสียงไปได้ในระยะที่ไกลมาก ๆ 

ข้อเสีย มีมุมกระจายเสียงที่แคบมาก ๆ 

แบบที่ 2 แขวนปรับองศาทุกใบเท่า ๆ กัน (Curved Array)

จากรูปแบบการแขวน Line array แบบหน้าตรง จะเป็นการแขวน Line array ที่ปรับองศาตู้ทุกใบเท่า ๆ กัน ซึ่งยกตัวอย่างใบละ 6 องศา แต่ทีนี้ผู้ฟังจะไม่ได้อยู่กลางอากาศอีกต่อไป การเพิ่มขึ้นของระยะทาง 2 เท่า จะเกิดจากบนพื้นดิน และมีรัศมีที่ต่างกันออกไป

จะเห็นได้ว่า ระยะทางส่วนภาคพื้นอยู่ที่ 4 เมตร แต่รัศมีจากจุดรับฟัง ถึงกึ่งกลาง Line array เท่ากับ 10.93 เมตร จากนั้นวาดส่วนโค้ง เช่นเดียวกับรูปแบบที่ 1

จากตารางจะได้ว่า ช่วงที่เสียงลดไม่เกิน -3 dB ประสบความสำเร็จภายในระยะทางสั้น ๆ ที่ 4 – 8 เมตร

หลังจากนั้น เมื่อเพิ่มระยะทางเป็น 2 เท่า เสียงจะลดลง -6 dB เป็นแบบนี้เรื่อย ๆ แม้จะดูความถี่เสียงมีความใกล้เคียงกันในทุก ๆ ระยะทาง แต่วิธีนี้อาจไม่ใช่คำตอบที่ดีที่สุด

ข้อดี การแขวนแบบนี้มีประโยชน์มาก ๆ กับการใช้ระบบเสียงในระยะใกล้ ๆ เช่น การแขวนเติมลำโพง front fill หรือ ร้าน สถานที่ขนาดเล็ก เพราะได้โทนเสียงที่ใกล้เคียงกัน

ข้อเสีย ไม่เหมาะกับการกระจายเสียงในระยะทางไกล ๆ

ต่อมา ลดการแขวน Line array ทุกองศาเท่า ๆ กัน จากใบละ 6 องศาเหลือเพียงใบละ 3 องศา สังเกตผู้ฟังที่ระยะ 4 เมตร กำลังฟังความยาว line เพียงเล็กน้อยของ 10 kHz

นั้นคือสาเหตุการหลุดมุมกระจายเสียงของ Line array ทำให้ที่ระยะ 4 เมตรได้รับความถี่เสียงที่ 10 kHz ได้น้อยมาก ๆ

เมื่อเปรียบเทียบมุมก้มลำโพงแต่ละใบที่ 3 องศา และ 6 องศา จะสังเกตุได้ว่า ที่มุม 6 องศา ระยะ -3 dB จะสิ้นสุดที่ระยะ 8 เมตร

ส่วนที่มุม 3 องศาจะไปได้ไกลกว่า ถึงระยะที่ 16 เมตร แต่กลับมีปัญหาที่ความถี่ 10 kHz และ 1 kHz

เนื่องจากองศาที่น้อยเกินไป ทำให้ความโค้งของตู้ไม่มากพอ ที่ระยะ 4 เมตร

สรุปได้ว่า การปรับองศา Line arry จะทำให้การลดลง -3 dB ต่อระยะทาง มีประสิทธิภาพที่ต่ำลง โดยเฉพาะความถี่เสียงสูง แต่กลับมีประสิทธิภาพสูง กับความถี่เสียงต่ำ

แต่ในกรณีเดียวกัน ถ้าปรับองศาตู้ลำโพงไม่มากพอ ก็จะไม่สามารถครอบคลุมมุมกระจายเสียง ของผู้ฟังที่อยู่ด้านหน้าได้เช่นกัน

แบบที่ 3 แขวนรูปตัว J (J shaped Array)

เมื่อรู้ถึงข้อดี และข้อเสียของการแขวน Line array ทั้ง 2 แบบก่อนหน้า เป้าหมายคือ รักษาความดันเสียงให้สูญเสียที่ -3 dB เมื่อระยะทางเพิ่มขึ้น 2 เท่าตัว และมีการกระจายความถี่ที่สม่ำเสมอให้ได้มากที่สุด เท่าที่เป็นไปได้

การแขวน Line array รูปตัว J ซึ่งหมายถึง ลำโพงส่วนใหญ่ในด้านบนจะปรับองศาน้อย แล้วจะค่อย ๆ ปรับองศาเพิ่มขึ้น จนโค้งงอมากขึ้น จึงเป็นการแขวนลำโพงอีกรูปแบบ

เริ่มต้นจากพื้นที่ 4 เมตร จะเห็นได้ว่าพื้นที่ครอบคลุมเพียงพอ จากความยาวแนวเส้น Line array ของแต่ละความถี่ นั่นหมายความว่า Line array ชุดนี้สามารถครอบคลุมได้ตั้งแต่ระยะที่ 4 เมตร เสร็จแล้วทำเช่นเดียวกับ แบบที่ 1

ซึ่งเมื่อเทียบกับระยะทางที่เพิ่มขึ้น จะสามารถรักษาความดันเสียงให้ลดลง -3 dB ได้ถึงระยะทางที่ 16 เมตร ทั้ง 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz ส่วนที่ 32 เมตร จะได้ทั้ง 1 k และ 10 kHz ส่วนที่ 64 เมตร จะเหลือแค่ 10 kHz ที่ยังคงสามารถรักษาความดันเสียงให้ลดลง -3 dBไว้ได้

แม้ระยะทางสิ้นสุดความเป็น Line source จะสิ้นสุดไม่เท่ากัน แต่ด้วยระยะทางที่มาก ในการกระโดดเป็นระยะทาง 2 เท่าตัว ช่วง 16 เมตร ไปที่ 32 เมตร แล้วไป 64 เมตร ทำให้โทนเสียงไม่ต่างกันมาก และยังสามารถรักษาความดันเสียง และมุมกระจายเสียง ครอบคลุมพื้นที่ด้านหน้าที่ระยะ 4 เมตรได้ด้วย

ซึ่งในลักษณะการแขวนแบบ J shaped Array จึงอยู่กึ่งกลาง ระหว่าการแขวนแบบหน้าตรง (Straight Array) และ แขวนปรับองศาทุกใบเท่า ๆ กัน (Curved Array) นั่นเอง

สรุป ลำโพง Line array และการเลือกมุมกระจายเสียง

การเลือกใช้การแขวน ตู้ลำโพง Line array ความจริงแล้วไม่มีลักษณะแบบไหน ที่ถูก หรือผิด เพียงแต่ผู้ใช้งานจะต้องเข้าใจ ลักษณะพื้นที่ จำนวนอุปกรณ์ที่มี และเลือกวิธีใช้งานอย่างเหมาะสม แม้วิวัฒนาการด้านเทคโนโลยีเรื่องเสียง จะไปไกลมากแค่ไหมก็ตาม สุดท้ายยังต้องอาศัยมันสมองของมนุษย์ ในการตัดสินใจ และเลือกสิ่งที่เหมาะสมอยู่เสมอ

บทความที่แนะนำให้อ่านต่อ SUBWOOFER การวางและการควบคุมเสียง