การรับรู้ความดังกับระบบเสียง (Loudness and sound system)

การรับรู้ความดังกับระบบเสียง กลไกการได้ยินเสียงของมนุษย์ เป็นวิชาที่มีมูลค่ามหาศาลในตัวเอง การวิจัยยังคงมีการดำเนินอย่างต่อเนื่องจนถึงปัจจุบัน โดยเนื้อหาเหล่านี้ได้กล่าวถึงก่อนหน้าแล้วบางส่วนในบทที่ 1 เรื่อง การได้ยินเสียงและองค์ประกอบของหู และ ความสามารถในการรับรู้ และแบ่งแยกเสียง ซึ่งจะแตกต่างจากบทนี้ ที่จะจำกัดขอบเขตเนื้อหาให้เหลือเพียงปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบระบบเสียง และการปรับใช้ให้เหมาะสมที่สุดสำหรับงานด้าน Sound System Engineer

สำหรับรายการที่ยกเว้นจะหมายถึง รายการที่ไม่จำเป็นต้องสำรวจในเชิงลึกใด ๆ เนื่องจากมีความเท่าเทียมกันสำหรับผู้ฟังทุกคน หรือไม่เกี่ยวข้องกับการตัดสินใจ ยกตัวอย่างเช่น ลักษณะทางกลของหู เนื่องจากผู้ฟังต่างมีกายวิภาคที่เหมือนกัน เป็นต้น

ความดัง (Loudness)

การรับรู้ความดังนั้นเกิดจาก การรวมกันของระดับความดันเสียงและระยะเวลาที่หูได้ยิน “หูตอบสนองความดังในระยะเวลาสั้นและยาวต่างกันอย่างไร ?”

ตัวอย่างเช่น การเปิดเสียงในเวลา 3 ms จะต้องเปิดเสียงระดับสูงกว่าเกือบ 20 dB จึงจะได้ความดังเท่ากับเปิดเสียง 5 dB ที่ระยะเวลา 500 ms

เมื่อเสียงเกิดขึ้นมาในเวลาที่น้อยกว่า 100 ms  จะต้องเพิ่มระดับความดังเสียงให้สูงกว่าปรกติ เพื่อให้ความดังเท่ากับเสียงที่เกิดขึ้นในระยะยาว

100 ms ดูเหมือนจะเป็นเวลารวมสูงสุดก่อนกลับสู่ภาวะคงที่ แสดงว่าหูมนุษย์จะไวน้อยต่อภาวะเสียงดังในช่วงเวลาสั้น ๆ เช่น Peak ในระดับสัญญาณเสียง เป็นต้น

ขอบเขตในงานเราส่วนใหญ่ จะจำกัดอยู่เพียงความกังวลเกี่ยวกับการรับรู้เสียงจากลำโพง

จุดสนใจรองลงมาจะอยู่ที่ระดับเสียง Noise Floor ซึ่งจะจำกัดขอบเขตไดนามิกของการได้ยินให้น้อยลง โดย Noise Floor ในสถานที่โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 50 dB พอจะกล่าวได้ว่า การพูดคุยในความดัง 30 dB SPL จะเป็นการเปล่าประโยชน์เนื่องจากจะถูกกลบด้วยเสียงรบกวน

ความสนใจจะอยู่ที่ ความสามารถสูงสุดของระดับเทียบกับ Noise Floor

ช่วงไดนามิกจริงที่ใช้จะเป็นเรื่องทางศิลปะของ Mix Engineer แต่งานของเราคือการจัดหาระบบที่สามารถเข้าถึงระดับสูงสุด โดยมีการบิดเบือนน้อยที่สุด และมีช่วงไดนามิกต่ำที่สูงกว่า Noise Floor ของสถานที่จัดงาน หากตรงตามเงื่อนไขเหล่านี้ ก็มีโอกาสที่ผู้ฟังจะรับรู้เฉพาะเนื้อหาการแสดงจากแหล่งกำเนิดเสียง ไม่ใช่ระบบเสียงที่ถูกติดตั้ง

ความดังและ dB SPL (Loudness and dB SPL)

การวัด dB SPL เป็นเรื่องง่าย แต่การวัดนี้ไม่สอดคล้องกับประสบการณ์ความดังของเราโดยตรง เนื่องจากความดังจริง ๆ แล้ว คือการแสดงออกถึงการรับรู้ของมนุษย์

หูรวมระดับเสียงในช่วงเวลาประมาณ 100 ms สำหรับกลับสู่ภาวะคงที่ ดังนั้นประสบการณ์ความดังจึงขึ้นอยู่กับระยะเวลาของสัญญาณ การระเบิดระยะสั้นที่ระดับสูง จะถูกมองเท่ากับการระเบิดในเวลานานที่ระดับต่ำกว่า

โดยทั่วไปจะมีค่าที่แตกต่างกันสองค่าสำหรับ dB SPL คือค่า Peak และ Continuous โดยค่า Peak แสดงถึงแรงดันสูงสุดโดยไม่คำนึงถึงระยะเวลา ในขณะที่ค่า Continuous แสดงถึงค่าที่คงอยู่ในช่วงเวลามากกว่า 100 ms

คลื่น Sine Wave มีความแตกต่างระหว่าง Peak และ Continuous : อยู่ที่ 3 dB Crest Factor ส่วน Pink Noise มีความแตกต่างระหว่าง Peak และ Continuous : อยู่ที่ 12 dB โดยที่ Crest Factor เพลงทั่ว ๆ ไปจะมีอยู่ในช่วงนี้

เสียงพูดมีค่า Crest Factor สูงต่ำที่เปลี่ยนไปได้ ยกตัวอย่างในภาษาอังกฤษ สระจะมีค่า Crest Factor ที่ใกล้เคียงกับ Sine Wave มากที่สุด ซึ่งมีค่า Crest Factor ที่ต่ำ ในขณะที่พยัญชนะเป็นแบบ Transients ที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้

ระบบที่ไม่สามารถสร้าง Transients ที่เปลี่ยนแปลงได้ จะสูญเสียความแตกต่างระหว่างพยัญชนะ ทำให้สูญเสียการเปล่งเสียงเนื่องจากพยัญชนะไม่ชัดเจน ต่อมาเกิดเป็นดัชนีการวัดความชัดเจนของคำพูด ซึ่งแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของการสูญเสียเสียงที่เปล่งออกของพยัญชนะ (%ALCONS)

ความเกี่ยวข้องของสิ่งนี้กับงานระบบเสียงคือ เราจะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าระบบมีความสามารถ SPL ทั้งแบบ Continuous และ Peak ที่จำเป็นในการสร้างการรับรู้ความดังที่เหมาะสมกับเนื้อหา โดย Limiter ในการป้องกันลำโพงจะตรวจสอบสิ่งเหล่านี้ว่า ส่งผลต่อการรับรู้ได้อย่างไร

การรับรู้เกี่ยวกับความเสี่ยงของระดับ เมื่อหูสัมผัสได้ว่าระดับดังกล่าวสูงจนเป็นอันตราย กล้ามเนื้อหูทั้งสองข้างที่เรียกว่า “Tensor tympani” จะหดตัว สิ่งนี้ทำให้แก้วหูกระชับและลดความไว ผลที่ได้คือความดังที่รับรู้ลดลง ต่อมาพอระดับลดลงเพียงพอให้กล้ามเนื้อได้ผ่อนคลาย ช่วงไดนามิกของหูก็จะกลับมาเต็มอีกครั้ง ถ้าไม่เช่นนั้น ช่วงไดนามิกจะถูกจำกัดและการรับรู้ Crest Factor จะถูก Compress

เกณฑ์เมื่อเริ่มมีอาการของ Tensor tympani ใกล้เคียงกับ Compressor ที่ช้ามากกว่า Peak Limiter

High Peaks สามารถทนได้โดยไม่ต้องเกร็งกล้ามเนื้อ แต่หากใช้เวลานานอาการเกร็งจะเริ่มทำงาน

Mix Engineer ควรพิจารณาการทำงานของกล้ามเนื้อ Tensor tympani เพื่อตัวเองและผู้ชม หากบทเพลงที่มิกซ์ต้องการช่วงไดนามิกที่สูง เมื่อใช้ความดังมากต่อเนื่องจน Tensor tympani หดตัว ย่อมส่งผลกระทบที่สูงต่อบทเพลงนั้น ๆ และความดังที่เพิ่มต่อมาจะไม่ได้รับการรับรู้ แม้ว่าระบบจะมี Headroom เหลือในการส่งเสียงก็ตาม !!

การทำงานของระบบเสียงที่ถึงจุดโอเวอร์โหลด สามารถตกอยู่ในวงจรของการ Compression ที่เพิ่มขึ้นได้ เมื่อระบบถูกส่งไปที่จุด Clipping และ Limiting มักมีโอกาสมากขึ้นที่จะทำให้ Compression ของหูทำงาน เนื่องจากระดับ Continuous ที่สูงขึ้นเรื่อย ๆ จากการสูญเสีย Crest Factor โดยการสูญเสียไดนามิกจะทำให้ต้องการระบบเสียงที่มากขึ้น สำหรับใช้กู้คืนการรับรู้ไดนามิกที่สูญเสียไป

เมื่อการ Compression เพิ่มขึ้นทั้งในระบบส่งและรับสัญญาณเสียง การให้ Tensor tympani ทำงานอย่างต่อเนื่องจะทำให้กล้ามเนื้อตึงและส่งผลให้เกิดอาการเหนื่อยล้าทางหู

ระบบที่มีพลังงานไม่มาก มีโอกาสโอเวอร์โหลดอย่างต่อเนื่องจนทำให้หูเหนื่อยล้า และมีแนวโน้มว่าจะถูกมองว่าดังมากกว่าระบบกำลังสูง ที่สามารถใช้ Crest Factor ได้อย่างเต็มที่โดยไม่มีการบีบอัด

กรณีที่แย่ที่สุดคือระบบที่มีพลังงานสูงทำงานจนเกิดโอเวอร์โหลด และเป็นผลลัพธ์ที่สามารถพบเห็นได้บ่อย ๆ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้คือมาตารฐานการปฏิบัติงาน ซึ่งต้องอยู่ภายใต้การควบคุมของ Mix Engineer

รูปทรงความดังที่เท่ากัน (The Equal Loudness Contours)

การรับรู้ความดังกับระบบเสียง หูไม่สามารถรักษาการตอบสนองความถี่ที่คงที่เหนือระดับเสียง โดยเมื่อมีระดับเสียงมาถึงหูที่ต่ำ เสียงกลางจะมีความไวมากกว่าเสียงต่ำและเสียงสูง

มีกลุ่มเส้นโค้งที่แสดงความไวในการตอบสนองความถี่ของหูในระดับต่าง ๆ เรียกว่า Equal Loudness Contours เส้นโค้งเหล่านี้จะปรับความดังที่รับรู้ให้สอดคล้องกับ dB SPL ในช่วงเสียงกลาง หน่วยที่ใช้ในการแสดงสิ่งนี้คือ Phons

แต่เดี๋ยวก่อน สิ่งนี้เกี่ยวกับระบบเสียงหรือไม่ ? เกี่ยวข้องก็ต่อเมื่อมีนักออกแบบใช้สิ่งเหล่านี้ สำหรับการตัดสินใจเกี่ยวกับการ Equalization ระบบเสียง

สิ่งนี้สำคัญแค่ไหน ? จะสำคัญมากในกรณีที่ต้องวางแผนที่จะรีเซ็ต Equalizer ของระบบเสียงทุกครั้งที่ระดับเปลี่ยนแปลง

แต่น่าเสียดายที่ Equal Loudness Contours เป็นเพียงลักษณะที่เกิดโดยธรรมชาติของการรับรู้ แต่ไม่ใช่เรื่องทางเทคนิคระบบเสียง

ซึ่งถ้าต้องการที่จะสร้างผลลัพทธ์ที่ขัดแย้ง เท่ากับเป็นการนำตัวแปรที่ไม่เป็นธรรมชาติเข้ามาในสมการ การรักษาสมดุลของโทนเสียงที่เป็นธรรมชาติ ให้มีความเหมาะสมตามไดนามิก จะถือเป็นปัญหาในการปฏิบัติงานสำหรับ Mix Engineer มากกว่า

อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ทำให้สังเกตเห็นได้ว่า เพื่อให้ผู้ฟังในสถานที่ต่างกัน รับรู้ถึงการตอบสนองความถี่เดียวกัน จำเป็นจะต้องจับคู่ทั้งการตอบสนองความถี่และระดับเสียงให้ตรงกัน ซึ่งหากระดับไม่ตรงกัน ผู้ฟังจะรับรู้การตอบสนองความถี่ที่แตกต่างกันออกไป

ด้วยเหตุนี้จึงมีคำถามว่า “เนื่องจากความดังที่ไม่เท่ากันทั่วพื้นที่ จำเป็นหรือไม่ ? ที่ต้องมีเส้นโค้ง Equal Loudness Contours เส้นหนึ่งสำหรับเก้าอี้หน้าเวทีที่ใกล้ และอีกเส้นหนึ่งสำหรับเก้าอี้แถวหลังที่ไกล”

คำตอบคือ ไม่จำเป็น !! การเปลี่ยนแปลงรูปทรง Equal Loudness Contour มีขนาดที่เล็กมากเมื่อเทียบกับความต่างของความดังเสียง โดยพิจารณาในบริบทของการกระจายระดับเสียงทั่วทั้งห้อง ซึ่งสามารถดูได้จากเส้น Normalized Equal Loudness Contours เทียบกับความถี่ 1 kHz แต่หากพื้นที่มีการเปลี่ยนแปลงการตอบสนองความถี่ของหูอย่างมาก นั่นหมายถึง ระบบเสียงกำลังประสบปัญหาที่ร้ายแรงจากการกระจายความดังเสียงมากกว่า

สรุป การรับรู้ความดังกับระบบเสียง

จะเห็นได้ว่าระบบเสียงที่ดี คือระบบเสียงที่สามารถรักษา Crest Factor ที่เหมาะสม มีความดังที่เพียงพอ เสียงรบกวนที่ต่ำ ตลอดจนไม่ทำงานในความดังที่จะทำให้การ Compression ของหูทำงาน เพื่อรักษาไดนามิก ความชัดเจนของเสียงพูด เสียงร้อง เสียงดนตรีได้เป็นอย่างดี