การสะท้อนของเสียง (Reflection)

ลองนึกภาพแหล่งกำเนิดเสียงใน Free field ที่เสียงออกมาจากแหล่งกำเนิดในทุกทิศทาง Direct sound จากต้นทางจะเคลื่อนที่ผ่านคุณไป และไม่มีวันย้อนกลับ ปราศจาก การสะท้อนของเสียง

เมื่อนำแหล่งกำเนิดเสียงเดียวกัน มาไว้ภายในห้อง Direct sound เคลื่อนที่ผ่านคุณ แล้วตกกระทบกับห้อง จะเกิดการสะท้อน ดังนั้นเสียงจะเคลื่อนผ่านคุณไปครั้งหนึ่ง ที่เป็น Direct sound และอีกหลาย ๆ ครั้ง จากการสะท้อนไปมา จนกว่าเสียงจะหายไป

เสียงที่ประกอบด้วยการสะท้อนหลาย ๆ ครั้ง ให้เสียงที่แตกต่างจากเสียงใน Free field เป็นอย่างมาก

เสียงสะท้อนยังสามารถบอกถึง ขนาด ลักษณะ รูปทรง และองค์ประกอบของห้อง เสียงสะท้อนสามารถเพิ่มความสุขให้กับผู้ฟังได้ แต่ในทางกลับกัน การสะท้อนอาจทำให้คุณภาพของเสียงลดลงได้เช่นกัน

การสะท้อนของแสง (Specular Reflections)

กลไกสำคัญของการสะท้อนจากพื้นผิวเรียบนั้นเรียบง่าย จากรูป แสดง การสะท้อนของเสียง (Point source) จากผนังแนวระนาบ และมีความแข็ง

เสียงถูกส่งออกจาก Point source (เส้นทึบ) กระทบกำแพงและสะท้อน (เส้นประ) เสียงสะท้อนจะถูกส่งกลับไปยังแหล่งที่มา ซึ่งมีพฤติกรรมเหมือนกับแสงสะท้อนกระจก

อธิบายโดยกฎของสเนลล์ (Snell’s law)

เสียงใช้กฎเดียวกับแสง คือ มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน จากรูปมุมของ θi เท่ากับมุมสะท้อน θr

“เมื่อเสียงตกกระทบ มากกว่าหนึ่งพื้นผิว การสะท้อนหลายครั้ง จะทำให้เกิดอะไร ?​”

พิจารณา​ตัว​อย่าง​ ผนังสองด้านขนานกันตามรูป เสียงจากต้นทาง ตกกระทบทางซ้ายกำแพง แล้วสะท้อนกลับมาในระยะทางที่เพิ่มขึ้น สามารถสร้างแบบจำลอง เสมือนภาพแหล่งกำเนิดอยู่ที่ I_L = 10 เมตรจากทางด้านซ้าย

ในทำนองเดียวกัน เสียงจากต้นทาง ตกกระทบทางขวากำแพง แล้วสะท้อนกลับมาในระยะทางที่เพิ่มขึ้น สามารถสร้างแบบจำลอง เสมือนภาพแหล่งกำเนิดอยู่ที่ I_R = 20 เมตรจากทางด้านขวา

เสียงจะยังคงสะท้อนไปมา ระหว่างผนังคู่ขนาน เช่น เสียงจะตีไปทางซ้ายกำแพง กำแพงด้านขวา กับกำแพงด้านซ้ายอีกครั้ง ไปเรื่อย ๆ

สังเกตว่า

ในตัวอย่างนี้ ผนังทั้ง 2 ด้าน ห่างกัน 15 หน่วย ดังนั้นภาพลำดับแรก (I_RL และ I_LR ) จึงห่างเท่ากัน 30 หน่วย และภาพลำดับที่ 2 จะห่างกัน 60 หน่วย ภาพลำดับที่ 3 จะห่างกัน 90 หน่วยไปเรื่อย ๆ

ด้วยเทคนิคการสร้างแบบจำลองนี้ สามารถเพิกเฉยต่อกำแพงได้ และถือว่าเสียงมาจากแหล่งเสมือนมากมาย ที่อยู่ห่างไกลออกไป และมีเวลาที่ล่าช้า ตามระยะห่างจากแหล่งที่มา

ในห้องสี่เหลี่ยมจะมี 6 ด้านพื้นผิว ทำให้เกิดการซ้อนทับของคลื่นเสียงจำนวนมาก ในเวลาที่ต่างกัน การคำนวณความเข้มเสียง ประเด็นที่ต้องคำนึงถึงคือ การซ้อนทับของภาพเหล่านี้

Flutter Echoes

จากการสะท้อนเสียงของผนัง สังเกตว่าผนังคู่ขนานจะส่งให้เกิดปัญหา หากระยะห่างระหว่างผนังมีความกว้างที่เพียงพอ

จะทำให้เวลาระหว่างการสะท้อนอยู่นอกเขตการรวมเสียงของหู Haas Effect คือ 35 ms (อ่านเพิ่มเติมได้ที่ ความสามารถในการรับรู้ และแบ่งแยกเสียง) เสียงสะท้อนจะถูกสร้างขึ้น

เนื่องจากความสม่ำเสมอของการสะท้อนเหล่านี้ ที่เกิดจากผนังที่ขนานกัน เสียงสะท้อนจะโดดเด่นมาก และไม่เป็นที่น่าปรารถนาอย่างยิ่ง

ตามทฤษฎีแล้ว ผนังที่สะท้อนเสียงได้อย่างสมบูรณ์ จะมีเป็นภาพจำนวนอนันต์ แต่ในทางปฏิบัติ ภาพจะถูกลดทอนลง เนื่องจากการดูดซับ หรือการแพร่กระจายที่ผนัง

เป็นไปได้ควรหลีกเลี่ยงผนังแบบคู่ขนาน และเมื่อหลีกเลี่ยงไม่ได้ก็ควรปิดไว้ ด้วยวัสดุการดูดซับ หรือกระจายเสียง การพ่นกำแพงด้วยจำนวนเล็กน้อย บางที 5° หรือ 10° ยังสามารถหลีกเลี่ยงเสียงสะท้อน Flutter Echoes ได้

เมื่อเสียงกระทบพื้นผิว พลังงานเสียงบางส่วนจะถูกส่งผ่าน หรือดูดซับโดยพื้นผิว และบางส่วนจะสะท้อนกลับ พลังงานสะท้อน จะน้อยกว่าพลังงานที่ตกกระทบเสมอ

พื้นผิวที่ทำจากวัสดุหนัก (วัดจากน้ำหนักพื้นผิว) มักจะสะท้อนได้มากกว่าวัสดุที่เบา ซึ่งจะมีการดูดซับที่มากกว่า

เสียงอาจเกิดการสะท้อนได้หลายครั้ง เช่น เด้งไปรอบ ๆ ห้อง พลังงานที่สูญเสียไปในการสะท้อนแต่ละครั้ง จะส่งผลให้ในที่สุดก็สิ้นเสียงนั้น

การสะท้อนจะขึ้นอยู่กับขนาดของวัตถุสะท้อน เสียงสูงจะมีการสะท้อนได้ง่าย เมื่อถูกสิ่งกีดขวาง แตกต่างจากเสียงต่ำ ที่มักอ้อมผ่านสิ่งกีดขวางได้ดี

การสะท้อนจากพื้นผิวนูน (Reflections from Convex Surfaces)

Wave front source คลื่นเสียงแนวระนาบที่กระทบกับพื้นผิวแบบนูน มักจะกระจัดกระจายไปในมุมกว้าง หากขนาดของความความนูน มีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับความยาวของคลื่นเสียง

การสะท้อนจากพื้นผิวเว้า (Reflections from Concave Surfaces)

ระนาบคลื่นที่กระทบพื้นผิวเว้า มักจะโฟกัสไปที่จุด ความแม่นยำในการโฟกัสเสียงนั้นพิจารณาจากรูปร่าง และขนาดสัมพัทธ์ของพื้นผิวเว้า

ตัวอย่างเช่น อยากทำให้ไมโครโฟนรับเสียงได้ครอบคลุม และทั่วพื้นที่ โดยสามารถวางไมโครโฟนไว้ที่จุดโฟกัส ก็จะเป็นการเพิ่มความสามารถ การรับเสียงของไมโครโฟน

ประสิทธิภาพของตัวสะท้อนเว้านั้น ขึ้นอยู่กับขนาดของตัวสะท้อนเอง ที่สัมพันธ์กับความยาวคลื่นของเสียง

พื้นผิวสถาปัตยกรรมเว้า เช่น เพดานโดม ซุ้มประตูในโบสถ์ หอประชุม สามารถเป็นต้นเหตุของปัญหาร้ายแรงได้ เนื่องจากทำให้เกิดความเข้มข้นของเสียงเฉพาะที่ ซึ่งตรงข้ามกับเป้าหมายของการกระจายเสียงในห้องอย่างสม่ำเสมอ

การสะท้อนจากพื้นผิวพาราโบลา (Reflections from Parabolic Surfaces)

พาราโบลาเกิดจากสมการ y = x²

มีลักษณะเฉพาะของการโฟกัสเสียงที่จุดอย่างแม่นยำ เหมือนกับใน การสะท้อนจากพื้นผิวเว้าก่อนหน้านี้ แต่พื้นผิวพาราโบลาจะ “ลึกมาก” แสดงคุณสมบัติทิศทางได้ดีกว่าพื้นผิวที่ตื้น

จากเรื่อง การสะท้อนจากพื้นผิวเว้า คลื่นระนาบที่กระทบกับตัวสะท้อนเสียงดังกล่าว เสียงจะถูกนำไปยังจุดโฟกัส

แต่ในทางกลับกัน เสียงที่เปล่งออกมาที่จุดโฟกัสของตัวสะท้อนเสียงพาราโบลา จะสร้างระนาบคลื่นเสียงได้เช่นกัน

Whispering Galleries

มหาวิหารเซนต์ปอลในลอนดอน ,มหาวิหารเซนต์ปีเตอร์ในนครวาติกัน ,วิหารแห่งสวรรค์ในกรุงปักกิ่ง, หอรูปปั้นในอาคารรัฐสภาสหรัฐ และอื่น ๆ

โครงสร้างมี Whispering Galleries กลไกเสียงถูกวาด จะเห็นได้ว่าจุดโฟกัสที่อยู่ทั้ง 2 ฝั่ง สามารถพูด และฟังโต้ตอบกันได้ เป็นปรากฏการณ์ที่ได้รับความช่วยเหลือ จากผนังรูปพาราโบลา

แม้ว่าจะเป็นสถาปัตยกรรมที่น่าสนใจ แต่เอฟเฟกต์การโฟกัสเสียงนั้น ตรงกันข้ามกับเป้าหมายปกติ ในการให้เสียงที่สม่ำเสมอ และกระจายไปทั่วพื้นที่

การสะท้อนเข้ามุม (Corner Reflectors)

เสียงสะท้อนก็เกิดขึ้นที่มุมห้องเช่นกัน โดยจากรูป เสียงจากแหล่งกำเนิดที่  1 สะท้อน 2 ครั้ง กับผนังทั้ง 2 ด้าน และส่งเสียงสะท้อนกลับไปทางแหล่งกำเนิด

เสียงที่แหล่งกำเนิดที่ 2 จะสะท้อนพื้นผิวสองด้าน และตรงกลับไปยังแหล่งที่มา ในทำนองเดียวกันกับ แหล่งกำเนิดที่ 3

“เสียงสะท้อนมุมจึงมีคุณสมบัติ ในการสะท้อนเสียงกลับไปทางแหล่งที่มา”

การสะท้อนมุม จะสะท้อนกับพื้นผิวทั้ง 2 ด้าน ซึ่งมีแนวโน้มที่รุนแรงน้อยกว่า การสะท้อนปกติที่ด้านเดียวในเวลาเดียวกัน

การรับรู้เสียงสะท้อน (Perception of Reflected Sound )

เริ่มต้นโดยผู้ฟัง จะต้องนั่งอยู่อย่างสมมาตร ระหว่างลำโพง 2 ใบ ทั้ง ซ้าย และขวา เสียงจากลำโพงตัวหนึ่งถูกกำหนดให้เป็นเสียงตรง และลำโพงอีกตัวหนึ่ง คือเสียงดีเลย์ (เสียงสะท้อน) โดยหน่วงเวลาเพิ่ม 10ms ให้เป็นลำโพงเสียงสะท้อน ทีนี้จะสังเกตุออกว่าลำโพงข้างที่ไม่ ดิเลย์ เสียงจะมาถึงก่อน และเอียงไปทางนั้น ต่อมาค่อย ๆ เพิ่มความดังลำโพงเสียงสะท้อน จนกว่าจะพบความแตกต่าง และได้ยินเสียงสะท้อนที่ไม่ต่อเนื่อง สิ่งนี้มีคุณค่าในทางปฏิบัติอย่างไร

ในห้องที่เปิดเพลง รูปแสดงผลของ การสะท้อนเสียงจากด้านข้าง ที่เพิ่มเข้าไปในเสียงโดยตรงจากลำโพง ความหมายคือ ถ้าเสียงสะท้อนที่ต่ำกว่าเกณฑ์การรับรู้นั้นใช้ไม่ได้ และการสะท้อนที่รับรู้ว่า เป็นเสียงสะท้อนที่ไม่ต่อเนื่องก็ใช้ไม่ได้เช่นกัน

พื้นที่ใช้งาน คือ พื้นที่ไม่แรเงา โดยมีค่าต่ำสุดไม่เกิน A และค่าสูงสุดไม่เกิน C ถือว่าใช้ได้ การคำนวณ สามารถให้ประมาณการของระดับความดัง และความล่าช้าของการสะท้อนใด ๆ โดยต้องรู้ ความเร็วของเสียง ระยะทางที่เดินทาง และการใช้กฎกำลังสองผกผัน

โดยสมการ

Reflection delay = ((Reflected path) – (Direct patch)) / 1,130

และ Reflection level at listening position = 20 log(Direct path / Reflected path)

ตัวอย่างในห้องประชุม เช่น สามารถออกแบบเพื่อให้ การหน่วงเวลาน้อยกว่า 50 ms และอยู่ในโซนที่ดี

พิจารณา เสียงโดยตรงมีเส้นทางความยาวที่ 50 ฟุต และการสะท้อนในช่วงต้นด้วยความยาวเส้นทางสูง 75 ฟุต ทั้งสองเข้าถึงผู้ฟัง

จาก Reflection delay = ((Reflected path) – (Direct patch)) / 1,130

0.022 = 75 – 50 / 1130

เกิดความล่าช้าของเวลา 22 มิลลิวินาที

และจาก Reflection level at listening position = 20 log(Direct path / Reflected path)

-3.5 = 20 log 50 / 75

ความดังของเสียงสะท้อนต้องอยู่ที่ -3.5 dB

เมื่อดูในรูปด้านบน เมื่อความล่าช้าเกิดที่ 22 ms ความดังเสียงสะท้อนลดลง -3.5 dB ถือว่าดี แต่สำหรับเสียงพูด อนุญาตให้ยืดหยุ่นสูงสุด ที่ไม่เกิน 80 ms

การรับรู้ถึงความกว้างขวาง ภาพ และเสียงสะท้อน (Perception of Spaciousness, Images, and Echoes)

หน่วงเวลาการสะท้อนจากด้านข้าง 10 มิลลิวินาที เมื่อระดับเสียงการสะท้อนอยู่ในระดับที่ต่ำมาก การสะท้อนจะไม่ได้ยิน

เมื่อระดับเสียงการสะท้อนเพิ่มขึ้น ในที่สุดจะได้ยินเมื่อระดับถึง 15 เดซิเบลต่ำกว่าสัญญาณ Direct และเมื่อระดับเสียงการสะท้อนเพิ่มขึ้นอีก จะรับความรู้สึกของเสียงที่กว้างขึ้น

ตัวแปลจะขึ้นอยู่กับ ระยะเวลา ความดังของเสียงสะท้อน ที่ทำให้รับรู้ถึงทิศทาง และความกว้างของเสียง

โดยมีข้อแม้ว่า เสียงสะท้อนจะต้องไม่ดังเกิน 10 dB จากเสียง Direct sound และระยะเวลาที่ห่าง จะต้องไม่เกิน 35 ms เนื่องจากเกินระยะเวลาการรวมเสียงของหูมนุษย์ และเสียงสะท้อนที่ไม่ต่อเนื่องดังกล่าว จะสร้างความเสียหายต่อคุณภาพของเสียง

สรุป การสะท้อนของเสียง

ผู้ที่สนใจในการสร้างเสียงที่มีความเที่ยงตรงสูง จะเห็นผลจากการศึกษา การสะท้อนของเสียง เหล่านี้ในทางปฏิบัติ ความกว้างขวางของห้องฟัง และความคมชัดของเสียงสเตอริโอ สามารถปรับแต่งเสียงสะท้อนด้านข้างอย่างระมัดระวัง สิ่งนี้เป็นเทคนิคทั้งการมิกซ์เสียง ตลอดจนการออกแบบห้องทาง Acoustic ที่ใช้งานได้จริง ซึ่งจะกล่าวในบทถัด ๆ ไป

บทความที่แนะนำให้อ่านถัดไป Standing wave และ Room mode เบื้องต้น