สัดส่วนห้องที่เหมาะสมในด้านเสียง

สัดส่วนห้องที่เหมาะสมในด้านเสียง

รูปทรงของห้อง ส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของเสียง ห้องส่วนใหญ่มักถูกสร้างเป็นสี่เหลี่ยม เนื่องจากประหยัดงบประมาณในการก่อสร้าง และมีข้อดีตรงที่ Axial Mode, Tangential Mode และ Oblique Mode สามารถคำนวณได้โดยไม่ยากนัก นำมาสู่ สัดส่วนห้องที่เหมาะสมในด้านเสียง (บทความที่แนะนำให้อ่านก่อน เรโซแนนซ์ในพื้นที่ปิด)

ซึ่งวิธีเริ่มต้นที่ดีคือ การพิจารณาเฉพาะ Axial Mode เนื่องจากสามารถระบุข้อบกพร่องของห้องได้อย่างชัดเจน

สัดส่วนความสัมพัทธ์ของความยาว กว้าง และสูงของห้อง ถือเป็นข้อสำคัญ ที่ต้องพิจารณาเมื่อต้องการสร้างห้อง โดยห้องที่มีขนาดกว้าง ยาว สูงที่เท่ากัน ถือเป็นสิ่งที่ต้องห้าม

สัดส่วนห้องที่เหมาะสมในด้านเสียง (Bolt area)

Bolt area คือสัดส่วนห้องสี่เหลี่ยม ที่เหมาะสำหรับสร้างห้อง ทำให้มีความราบรื่นในความถี่ต่ำ

โดยจะมีสัดส่วนต่าง ๆ ตามนักวิจัยแต่ละท่าน ซึ่งสัดส่วน 2:3:5 จะเป็นของ Volkmann

Boner แนะนำอัตราส่วน  1:1.26:1.59 ว่าเหมาะสมที่สุด

Sepmeyer และ Louden แนะนำอัตราส่วนหลายแบบที่น่าพอใจ

ตารางแสดงสัดส่วนห้องสี่เหลี่ยมที่ดี จากการแนะนำของเหล่าผู้วิจัย

แผนภูมิแสดงสัดส่วนความเหมาะสมของห้อง สำหรับข้อกำหนดของ Bolt area  และอื่น ๆ

การวิเคราะห์ Axial Mode สามารถทำได้ โดยแสดงโหมดผลลัพธ์ สำหรับอัตราส่วนขนาดห้อง A ถึง H ตามตารางด้านบน โดยให้เพดานสูง 10 ฟุต

ด้วยเพดานสูง 10 ฟุต ทำให้ห้องมีขนาดค่อนข้างเล็ก ห้องขนาดเล็กทั้งหมดประสบปัญหาเดียวกัน คือ Axial Mode ที่ทับซ้อน

แต่ในทางตรงกันข้าม ยิ่งระยะห่าง Axial Mode มีมาก จะช่วยให้ลดปัญหานี้ได้ โดยโหมดที่เป็นปัญหาจะระบุด้วยตัวเลข “2” หรือ “3” ด้านบน เพื่อบอกถึงโหมดที่ทับซ้อน ซึ่งมาจากผนังทั้ง 3 คู่ และสามารถนำปัญหามาได้

ในตัวอย่างนี้ อาจปฏิเสธห้อง G เนื่องจากโหมดทับซ้อนกันถึง 3 โหมด และเกิดขึ้นกับ 2 ความถี่ และอาจปฏิเสธห้อง F เนื่องจากโหมดทับซ้อนกันถึง 2 โหมด และเกิดขึ้นกับ 3 ความถี่

สามารถละเลยผลกระทบของโหมดทับซ้อน 2 ครั้ง ใกล้กับ 280 Hz ใน D เนื่องจากเลยช่วงความถี่ Schroeder ไปพอสมควร

การวิเคราะห์อย่างง่ายของการกระจายโหมดนี้ จะพิจารณาเฉพาะ Axial Mode เท่านั้น

สำหรับห้องที่สร้างใหม่ จะทำให้มีอิสระในการกำหนดขนาดห้อง เพื่อปรับปรุงการกระจาย เป้าหมายหลักคือ การหลีกเลี่ยงโหมดทับซ้อนของ Axial Mode

ตัวอย่างเช่น หากวิเคราะห์ปริมาตรลูกบาศก์ที่มีด้านกว้าง ยาว สูงเท่ากัน โหมดที่เกิดจะตรงกัน สิ่งนี้ทำให้เกิดโหมดทับซ้อนถึง 3 เท่าในแต่ละความถี่ ไม่ต้องสงสัยเลยว่า เสียงในปริมาตรลูกบาศก์ดังกล่าว จะมีเสียงที่แย่มาก โดยโหมดห้องควรเว้นระยะห่างเท่า ๆ กัน ในแต่ละความถี่เท่าที่เป็นไปได้

ตัวอย่างเช่น ห้องที่มีขนาด ยาว 19 ฟุต 5 นิ้ว, กว้าง 14 ฟุต 2 นิ้ว, และสูง 8 ฟุต จะมี Axial Mode จำนวน 22 โหมด ระหว่าง 29.1 ถึง 316.7 Hz

Axial Mode โหมดมีระยะห่างตั้งแต่ 3.2 Hz ถึง 29.1 Hz อย่างไรก็ตาม  คู่ที่ใกล้เคียงที่สุดห่างกัน 3.2 Hz ทำให้ห้องนี้ไม่มีความความถี่ทับซ้อน แม้ว่าสิ่งนี้จะไม่ได้เป็นสัดส่วนที่ดีที่สุด แต่ห้องนี้ยังคงให้คุณภาพเสียงที่ใช้งานได้อยู่

ในการปรับปรุงห้องที่มีอยู่ อาจไม่มีอิสระในการปรับสัดส่วนห้อง อย่างไรก็ตาม การศึกษา Axial Mode ยังคงมีประโยชน์มาก ตัวอย่างเช่น หากการวิเคราะห์เผยให้เห็น Axial Mode ที่อยู่ใกล้กัน จะทำให้เข้าใจในสาเหตุ และวิธีหนึ่งที่ใช้ในการแก้ปัญหา คือ Helmholtz Resonator อาจถูกปรับให้เข้ากับความถี่ที่ใกล้กัน เพื่อควบคุมผลกระทบ

Bonello Criterion

Bonello เสนอวิธีการตรวจสอบเสียง ของสัดส่วนห้องสี่เหลี่ยม โดยแบ่งช่วงความถี่ต่ำสุดที่ได้ยินออกเป็นแถบความถี่กว้าง 1/3 อ็อกเทฟ และพิจารณาจำนวนโหมดในแต่ละย่านความถี่ที่ต่ำกว่า 200 Hz

โดยเหตุผลที่เลือกแถบความถี่ 1/3 อ็อกเทฟ เพราะเป็นแถบวิกฤตของหูมนุษย์

เพื่อให้เป็นไปตามเกณฑ์ของ Bonello แต่ละ 1/3 อ็อกเทฟควรมีโหมดมากกว่าโหมดก่อนหน้า หรืออย่างน้อยก็จำนวนเท่ากัน

ยกตัวอย่าง ห้องขนาด 15.4 × 12.8 × 10 ฟุต มีคุณสมบัติเมื่อพิจารณาโหมดทั้งหมด ตามเกณฑ์นี้อย่างไร

รูปแสดงว่าผ่านการทดสอบนี้ โหมดมากขึ้นกว่าก่อนหน้าไปเรื่อย ๆ โดยไม่มีความผิดปกติ ส่วนที่ 40 Hz ยังอยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้

แม้ว่าผู้เขียนหลายคน ได้แนะนำอัตราส่วนขนาดห้องต่าง ๆ เพื่อให้การตอบสนองเหมาะสมที่สุด แต่สิ่งสำคัญคือ การแสวงหาอัตราส่วนที่สมบูรณ์แบบนั้น เป็นไปได้ยากในห้องจริง โครงสร้างของห้องที่ไม่สม่ำเสมอ ตำแหน่งแหล่งกำเนิดเสียงที่กำหนด โหมดต่าง ๆ จะไม่ถูกกระตุ้นเท่า ๆ กัน และผู้ฟังแบบนั่งจะได้ยินเพียงไม่กี่โหมดเท่านั้น

กล่าวอีกนัยหนึ่ง การทำงานจากแนวทางปฏิบัติ การตอบสนองแต่ละห้อง จะต้องพิจารณาเป็นรายกรณีไป

การปรับผนังห้องลาดเอียง

Flutter echoes สามารถควบคุมได้โดยการ ปรับด้านใดด้านหนึ่งของกำแพงที่อยู่ตรงข้ามกัน ให้เกิดความลาดเอียง ใช้ในการออกแบบห้องควบคุม บันทึกเสียง ซึ่งจะกล่าวในเรื่องถัดไป

ห้องไม่เหลี่ยม

ประโยชน์ด้านเสียงที่ได้จากการใช้ห้องรูปทรงที่ไม่เหลี่ยม ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ ดังที่ Gilford ระบุไว้ การเอียงผนังเพื่อหลีกเลี่ยงพื้นผิวขนาน ไม่ได้ขจัดข้อบกพร่องของ timbre และมันทำให้คาดเดาได้ยากขึ้น

ทีนี้เกิดอะไรขึ้น กับสนามเสียงความถี่ต่ำในห้องที่ไม่เป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ผลการศึกษาที่ดำเนินการโดย van Nieuwland และ Weber สนับสนุนคำกล่าวทั่วไปว่า การปรับระดับผนังเล็กน้อยช่วยให้ห้องดีขึ้น แต่จำเป็นต้องปรับอย่างน้อย 5% ขึ้นไป  เมื่อเทียบกับผนังด้านตรงข้าม

การควบคุมโหมดปัญหา

ดังที่กล่าวไว้ Helmholtz Resonator เป็นหนึ่งทางเลือกที่เป็นไปได้ สำหรับการควบคุมโหมดห้อง โดยเพิ่มการดูดซับในแบนด์วิดท์ที่แคบ หากเป้าหมายคือการทำให้โหมด หรือกลุ่มของโหมดเว้นระยะห่าง ตำแหน่งของ Resonator จึงมีความสำคัญ

จากรูปโหมด (2, 1, 0) จำเป็นต้องดูดกลืนคลื่นความถี่แคบ เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด ควรวาง Helmholtz Resonator ไว้ในบริเวณที่มีแรงดันเสียงสูง(1.0) สำหรับความถี่ที่ต้องการปรับ หากวางไว้ที่แรงดันเป็น 0 จะมีผลเพียงเล็กน้อย

การสร้าง Resonator เพื่อการปรับจูนความถี่ที่คม Q สูง (แคบ) การโก่งของกล่องไม้ และความไม่สม่ำเสมอ จะทำให้ค่า Q ต่ำลง เพื่อให้ได้ค่า Q ที่สูง ช่อง Helmholtz Resonator จะต้องทำจากคอนกรีต เซรามิก หรือวัสดุแข็งอื่น ๆ

การดูดซับเสียงที่อ็อกเทฟต่ำสุด มักจะทำได้ยาก Bass traps มักใช้ในห้องควบคุมสตูดิโอบันทึกเสียง เพื่อลดโหมดห้องที่ความถี่เสียงเบส โดยต้องใช้ความลึกของ Bass traps ขนาดใหญ่ สำหรับการดูดซับความถี่เสียงเบสที่ต่ำมาก เพดานห้องควบคุมที่ไม่ได้ถูกใช้งาน จึงมักถูกใช้เป็นพื้นที่สำหรับ Bass traps

การวิเคราะห์ Axial Mode แบบง่าย

ตัวอย่างขนาดของห้อง คือ 28 × 16 × 10 ฟุต ความยาว 28 ฟุต เรโซแนนซ์ที่ 565/28 = 20.2 Hz ผนังสองข้างที่ห่างกัน 16 ฟุต จะเรโซแนนซ์ที่ 565/16 = 35.3 Hz และเพดานพื้นจะเรโซแนนซ์ ที่ 565/10 = 56.5 Hz

รูปแสดงเรโซแนนซ์ใน Axial Mode ทั้ง 3 คู่ ให้ความถี่เรโซแนนซ์ Axial Mode ต่ำกว่า 300 Hz สำหรับแบบฝึกหัดนี้ Tangential Mode และ Oblique Mode ที่อ่อนแอกว่าจะถูกละเว้นไว้

ข้อบกพร่องของ Timbre ระยะห่างจะถูกตรวจสอบอย่างละเอียด

ตารางแสดงรูปแบบที่สะดวก สำหรับการวิเคราะห์แบบง่ายของ Axial Mode ความถี่เรโซแนนซ์จากคอลัมน์ L, W และ H ถูกจัดเรียงจากน้อยไปหามาก ทำให้ง่ายต่อการตรวจสอบปัจจัยสำคัญของระยะห่างของ Axial Mode

เรโซแนนซ์ L ที่ f7 เท่ากับ 141.3 Hz เกิดขึ้นพร้อมกับเรโซแนนซ์ W ที่ f4 เท่ากับ 141.3 Hz ด้วย ซึ่งหมายความว่า Axial Mode ทั้งสองนี้ ทับซ้อนกัน และที่ความถี่ 282.5 Hz เห็นความเสื่อมถึง 3 เท่าของโหมด จึงเป็นสาเหตุของข้อบกพร่องของห้อง

การปรับขนาดของห้องที่เหมาะสม จะเลี่ยงปัญหานี้ได้ แต่สำหรับห้องที่มีอยู่แล้ว การวาง Helmholtz resonator ซึ่งได้รับการปรับจูนอย่างดี และอยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสม ก็จะช่วยลดปัญหานี้ได้เช่นกัน

สรุป สัดส่วนห้องที่เหมาะสมในด้านเสียง

• เรโซแนนซ์ โดยทั่วไปเรียกว่าโหมดปกติ หรือคลื่นนิ่ง มีอยู่ตามธรรมชาติ มักพบเห็นได้ในห้องปิด ซึ่งจะทำให้การกระจายพลังงานไม่เท่ากันทั่วทั้งพื้นที่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่ต่ำในห้อง

• ห้องขนาดเล็กที่มีขนาดเทียบได้กับความยาวคลื่นของเสียงที่ได้ยิน อาจมีปัญหาเรื่องการแยกระหว่างโหมดต่าง ๆ มากเกินไป

• เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น จำนวนโหมดจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในห้องส่วนใหญ่ ที่ความถี่สูงกว่า 300 Hz ระยะห่างโหมดโดยเฉลี่ยจะเล็กมาก จนการตอบสนองของห้องมีแนวโน้มที่จะราบรื่นขึ้น

• ระยะห่างความถี่ของโหมดห้อง ถูกกำหนดโดยขนาดสัมพัทธ์ของห้อง ด้วยการเลือกสัดส่วนห้องที่เหมาะสม จะสามารถวางโหมดต่าง ๆ เพื่อหลีกเลี่ยงการทับซ้อนกันของโหมดได้

• Axial Mode ประกอบด้วย 2 คลื่น ที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม แล้วกระทบกับผนังเพียง 2 ด้านเท่านั้น Axial Mode มีส่วนสำคัญต่อลักษณะทางเสียงของพื้นที่ เนื่องจาก 3 แกนภายในห้องสี่เหลี่ยม กว้าง ยาว และสูง จึงเกิดความถี่ Axial Mode พื้นฐาน 3 ความถี่ และแต่ละ Axial Mode มีชุดโหมดของตัวเอง

• Tangential Mode เกิดเรโซแนนซ์จากผนัง 4 ด้าน มีพลังงานเพียงครึ่งเดียวของ Axial Mode และแต่ละโหมดจะมีชุดโหมดของตนเอง Tangential Mode ส่งผลต่อห้องรองลงมาจาก Axial Mode

• Oblique Mode เกิดเรโซแนนซ์จากผนัง 6 ด้าน มีพลังงานเพียง 1/4 ของ Axial Mode จะมีความโดดเด่นน้อยกว่าอีก 2 โหมด

• Axial Mode ,Tangential Mode และ Oblique Mode จะสลายตัวในอัตราที่ต่างกัน เพื่อให้มีประสิทธิภาพในการดูดซับโหมดที่กำหนด วัสดุดูดซับจะต้องอยู่บนพื้นผิวที่มีแรงดันสูง

• การคาดคะเนการตอบสนองห้องเป็นเรื่องยากมาก การทำงานบนหลักเกณฑ์ จะต้องพิจารณาเป็นกรณีไป