ความครอบคลุมและมุมเล็งสำหรับลำโพงเดี่ยว

ลำโพงของเรามีระดับกำลังขับที่ต้องการแล้ว ต่อจากนี้ไปสิ่งที่ต้องการคือรูปร่างของพื้นที่ เราต้องการความกว้างเท่าไหร่? สำหรับกระจายเสียงไปทั่วหรือแค่บางพื้นที่ สิ่งนี้ขึ้นอยู่กับรูปร่างของเป้าหมายและมุมมองของเราที่มีต่อสิ่งนั้น แล้วเราควรเล็งลำโพงไปที่ตรงไหน? สามารถหาคำตอบได้ที่นี่กับวิธีหา ความครอบคลุมและมุมเล็งสำหรับลำโพงเดี่ยว

มุมครอบคลุมแนวนอน (Horizontal coverage angle)

เริ่มจากลำโพงที่อยู่ตรงกึ่งกลางห้องสี่เหลี่ยมกันก่อน จะมีจุดสามจุดในการประเมินความครอบคลุม นั่นคือ จุดเริ่มต้น ตรงกลาง และจุดท้ายสุด โดยหากเราเลือกลำโพงที่กว้างพอที่จะครอบคลุมแถวหน้าสุดทั้งหมด ผลลัพทธ์ที่ได้มันจะกว้างเกินไปสำหรับแถวอื่นๆ !!

วิธีนี้ให้ความแปรปรวนของระดับเสียงน้อยที่สุดสำหรับทุกแถว แต่ความแปรปรวนของระลอกคลื่นจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะบริเวณด้านข้างของห้อง (หากห้องนั้นมีผนังด้านข้าง) หลักการ TANSTAAFL และ triage นำมาใช้ได้กับสิ่งนี้

ในทางตรงข้ามคือการใช้แถวสุดท้ายเป็นเป้าหมายในการครอบคลุม ผลลัพธ์ที่ได้คือ ความครอบคลุมที่เพียงพอเฉพาะแถวสุดท้าย และไม่เพียงพอสำหรับทุกๆ แถว เกิดความแปรปรวนระดับเสียงระหว่างแถวที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่อเราก้าวขึ้นไปข้างหน้า วิธีนี้ความแปรปรวนของระลอกคลื่นจะลดลง แต่แลกกับผู้ชมครึ่งหนึ่งที่ไม่ได้รับการครอบคลุม !!

ตัวเลือกจากข้างต้นจนถึงตอนนี้คือ ความครอบคลุมด้านหน้าที่สมบูรณ์โดยมาพร้อมความครอบคลุมที่มากเกินไป หรือความครอบคลุมด้านหลังที่สมบูรณ์โดยมาพร้อมกับความครอบคลุมด้านหน้าที่น้อยกว่า

เราสามารถปรับสมดุลระหว่างความผิดพลาดจากการครอบคลุมที่ไม่พอและกว้างเกินไปได้ โดยการออกแบบที่ความกว้างของจุดกึ่งกลาง มุมครอบคลุมที่มีความแปรปรวนต่ำสุดสามารถหาได้โดยการจับคู่ค่า FAR (The Forward Aspect Ratio) ของลำโพงให้เข้ากับอัตราส่วนความลึก/กว้างของรูปร่างหรือห้องนั้นๆ

ผลลัพธ์วิธีนี้จะทำให้ความแตกต่างของระดับเสียง (Level variance) และความแตกต่างของสเปกตรัมเสียง (Spectral variance) ที่บริเวณกึ่งกลางของความลึก (Mid-point depth) ลดลงเหลือประมาณ 6 dB โดยครึ่งหน้าของพื้นที่จะมีการครอบคลุมที่ไม่พอ ส่วนครึ่งหลังจะมีการครอบคลุมที่เกินในสัดส่วนที่เท่ากัน (เมื่อเป้าหมายเป็นห้องสี่เหลี่ยมธรรมดา)

สังเกตว่าพื้นที่ของรูปร่าง FAR จะเท่ากับพื้นที่ของรูปร่างห้อง (พื้นที่ครอบคลุมที่ขาดหายไปด้านหน้ามีรูปร่างเหมือนกับพื้นที่ที่ครอบคลุมเกินด้านหลังพอดี) ความเสี่ยงของความแปรปรวนระลอกคลื่นจะเพิ่มขึ้นที่ด้านหลัง ในขณะที่ความเสี่ยงของช่องว่างการครอบคลุมจะเพิ่มขึ้นที่ด้านหน้า

ช่องว่างที่ด้านหน้าสามารถลดลงได้โดยการยกลำโพงให้สูงขึ้น (ส่งผลให้ความกว้างของการกระจายเสียงมีประสิทธิภาพมากขึ้นตามรูปร่างของ Lateral ) หรืออีกทางหนึ่งสามารถเพิ่มลำโพงเสริม (Fill) เพื่ออุดช่องว่างที่มุมด้านหน้าได้ ทั้งนี้ข้อผิดพลาดจากการครอบคลุมที่ไม่พอและเกินจะลดลง หากห้องมีผนังที่ค่อยๆ บานออกไป

การกำหนดมุมครอบคลุมในแนวนอน (สำหรับลำโพงเดี่ยว)

• หาความลึกด้านหน้า-หลัง วัดความยาวตามแนวเส้นกึ่งกลางของห้อง ตั้งแต่ตำแหน่งหน้าลำโพงไปจนถึงแถวสุดท้ายของผู้ฟัง
• วัดความกว้างของห้องโดยยึดแถวสุดท้ายของผู้ฟังด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง ณ เส้นกึ่งกลางของห้อง
• ความลึก/ความกว้าง คือ FAR แล้วแปลง FAR เป็นมุม ด้วยสมการ Coverage Angle = 2asin(1/FAR)

ยกตัวอย่างเช่น พื้นที่ตั้งแต่หน้าลำโพงลึก 20 เมตร กว้าง 10 เมตร FAR จะเท่ากับ 2 และมุมครอบคลุมลำโพงที่ต้องใช้จะหาได้จากสมการ

Coverage Angle = 2asin(1/FAR)

พื้นที่ยาว 20 เมตร กว้าง 10 เมตร จะต้องใช้มุมครอบคลุมลำโพงเท่ากับเท่าใด จาก Coverage Angle = 2asin(1/FAR) โดยที่ FAR =2

Coverage Angle = 2asin(1/2)

Coverage Angle = 2asin(0.5)

Coverage Angle = 2 . 30

Coverage Angle = 60

ดังนั้น พื้นที่ยาว 20 เมตร กว้าง 10 เมตร จะต้องใช้มุมครอบคลุมลำโพงเท่ากับ 60 องศา หรือสามารถดูได้จากตารางด้านล่างเพื่อเปรียบเทียบ Coverage Angle และ Aspect Ratio

รูปร่างที่ไม่เป็นสมมาตรด้านหน้า/ด้านหลัง

ไม่ใช่ว่าทุกพื้นที่ฟังเสียงจะเป็นรูปสี่เหลี่ยม อย่างไรก็ตาม การปรับมุมครอบคลุมที่ดีที่สุดยังคงเชื่อมโยงระหว่างความลึกและความกว้างที่จุดกึ่งกลางอยู่ดี (เหมือนกับกรณีห้องสี่เหลี่ยม)

พื้นที่ฟังเสียงหลายประเภทจะมีความกว้างด้านหลังมากกว่าด้านหน้า ในกรณีที่เราใช้ลำโพงเดี่ยวเพื่อกระจายเสียงไปทั่วถึงห้อง อาจจะไม่สามารถคำนวณหาความกว้างที่เหมาะสมได้อย่างแม่นยำ เนื่องจากรูปทรงห้องที่ไม่สมมาตร แต่เราสามารถประมาณการเบื้องต้นได้ โดยใช้หลักการคำนวณเหมือนกับห้องรูปสี่เหลี่ยม

ตัวอย่าง

การครอบคลุมลำโพงเดี่ยวในระนาบแนวนอน (ด้านหน้า/ด้านหลังไม่สมมาตร)

• (A) รูปทรงสี่เหลี่ยมคางมุม (Trapezoidal shape) มุมกว้าง 120° มีความไม่สมมาตรเล็กน้อย
• (B) รูปทรงสี่เหลี่ยมคางมุม (Trapezoidal shape) มุมกว้าง 100° มีความไม่สมมาตรอย่างชัดเจน

ซ้าย/ขวา ไม่สมมาตร

เพิ่มความท้าทายในการหาตำแหน่งกึ่งกลาง (Middle/Middle) ที่เหมาะสมสำหรับการติดตั้งลำโพง ด้วยความไม่สมมาตรทางซ้าย/ทางขวาเพิ่มอีกขั้น  ตัวอย่างความไม่สมมาตร ได้แก่ ไม่สามารถติดตั้งลำโพงตรงกึ่งกลางห้องที่มีรูปทรงสมมาตร หรือติดตั้งลำโพงไว้ตรงกึ่งกลางของห้องที่มีรูปทรงไม่สมมาตร

แนวคิดยังคงเหมือนเดิม : เล็งลำโพงผ่านตำแหน่งกึ่งกลาง (Middle/Middle) แล้วหา FAR จากอัตราส่วนความลึก/ความกว้าง กุญแจสำคัญในการรักษาความแปรปรวนของระดับเสียงให้ต่ำที่สุดคือ การจับคู่ความสมมาตรกับความสมมาตร หรือชดเชยความไม่สมมาตรด้วยความไม่สมมาตรที่เสริมกัน

ลำโพงที่วางอยู่ที่มุมของสี่เหลี่ยมจะเล็งไปที่มุมตรงข้ามเพื่อรักษาสมดุลที่สมมาตร

การเล็งลำโพงแนวนอน (Horizontal aim)

รูปร่างถูกกำหนดโดยความลึก (ระยะทางตั้งแต่หน้าตำแหน่งลำโพง ไปจนถึงแถวสุดท้ายของผู้ฟัง) และความกว้าง ( ระหว่างที่นั่งด้านนอกสุด กับที่นั่งกึ่งกลาง ตามแนวระยะทางความลึก) เป้าหมายการเล็งลำโพงถูกกำหนดเป็น กึ่งกลาง-กึ่งกลาง (Middle/Middle) หมายถึงตำแหน่งกึ่งกลางของแถวที่นั่งบริเวณกึ่งกลางความลึก (Mid-point depth) ของห้อง

ตัวอย่างการเล็งลำโพงแนวนอน

ลำโพงตรงกลางห้อง (Centered speaker) ในกรณีที่ติดตั้งลำโพงไว้ตรงกึ่งกลางห้อง แนวการเล็งลำโพงก็จะตรงไปตามแนวเส้นกึ่งกลาง ซึ่งครอบคลุมพื้นที่กึ่งกลาง-กึ่งกลาง (Mid-point center) พอดี

ลำโพงไม่ได้อยู่กึ่งกลางห้อง (Off-center speaker) ในกรณีที่ติดตั้งลำโพงไว้ไม่ตรงกึ่งกลางห้อง จำเป็นต้องเล็งลำโพงไปยังพื้นที่กึ่งกลาง-กึ่งกลาง (Mid-point center) เพื่อชดเชยความไม่สมมาตรของตำแหน่งลำโพง (Asymmetric orientation)

มุมครอบคลุมแนวตั้ง (Vertical coverage angle)

ไม่มีประโยชน์ที่จะพูดถึงความสมมาตรสำหรับการครอบคลุมในระนาบแนวตั้ง นอกจากงานนี้จะขายบัตรที่นั่งบนเพดาน เนื่องจากระนาบแนวตั้งเป็นระนาบที่ไม่สมมาตรโดยธรรมชาติ

มุมครอบคลุมแนวตั้งนั่นเป็นเส้นความครอบคลุมแบบเส้นเดียว ไม่ใช่ความลึกและความกว้าง มุมการครอบคลุมถูกกำหนดโดยความแตกต่างระหว่างที่นั่งสูงที่สุด (VTOP) และที่นั่งต่ำ/ใกล้ที่สุด (VBOT) การระบุมุมความครอบคลุมที่มีความแปรปรวนต่ำสุด จะต้องคำนึงถึงทั้งความแตกต่างของมุม (Angular difference) และระยะทาง (Range difference) ระหว่างที่นั่งสูงสุดกับที่นั่งต่ำสุดด้วย

ตัวอย่างเราจะใช้ 50 องศา เป็นตัวอย่างการกระจายเชิงมุมจาก VTOP ถึง VBOT

งานจะเสร็จสิ้นทันทีหากทั้งสองตำแหน่งมีระยะห่างเท่ากัน (Range ratio = 1) โดยจากตัวอย่าง ลำโพงที่อยู่ตรงกลางมีมุมกระจายเสียง 50 องศา จะเติมรูปทรงสมมาตรจากบน ตรงกลาง และลงล่างด้วย -6 dB, 0 dB และ -6 dB ตามลำดับ

สถานการณ์เปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงเมื่อ Range ratio เพิ่มขึ้นเป็น 2:1 ตอนนี้ VTOP ได้ไกลขึ้นเป็นสองเท่า ดังนั้นเราจึงสูญเสียเสียงเพิ่มขึ้นอีก -6 dB ระหว่างทาง โดยตอนนี้การตอบสนองคือ -12 dB ที่ VTOP และยังคงเป็น -6 dB เช่นเดิมที่ VBOT

เราจะได้ 6 dB กลับมาที่ VTOP หากเราเล็งลำโพงขึ้นไป แต่ VBOT จะตกลงไปต่ำกว่า -6 dB  ตอนนี้เราจึงต้องการลำโพงที่มีมุมกระจายเสียงเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า (100 องศา) และเล็งตรงไปที่ VTOP เพื่อรักษาความแปรปรวนระดับเสียงให้ต่ำที่สุด นี่ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่การเพิ่ม Range ratio เป็นสองเท่า จะได้รับการชดเชยด้วยมุมครอบคลุมเป็นสองเท่าด้วยเช่นกัน

มุมครอบคลุมที่มีความแปรปรวนระดับเสียงต่ำสุดสำหรับระนาบแนวตั้ง สามารถหาได้โดยผลคูณการกระจายเชิงมุมกับอัตราส่วน Range ratio

เราเพิ่งพบกับความแตกต่างจาก Range ratio 1:1 และ 2:1 ทำให้ได้มุมครอบคลุม 50 องศา และ 100 องศา (50 x 2) ตามลำดับ ดังนั้นอัตราส่วน Range ratio 1.1:1 (+1 dB) ทำให้มุมครอบคลุมขั้นต่ำเพิ่มขึ้นด้วยตัวคูณ 1.1 (+10%, 50 x 1.1)  เป็น 55 องศา

ลำโพงถูกเล็งเหนือจุดกึ่งกลางแนวตั้ง ดังนั้นจึงต้องการพื้นที่ครอบคลุมเพิ่มขึ้นเพื่อให้ไปถึงด้านล่าง มุมครอบคลุมของลำโพงจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนด้วย Range ratio จนกระทั่งถึงขีดจำกัดที่ 2:1 (ลำโพงมุมกระจาย 100 องศา โดยเล็งไปที่ VTOP)

ความแปรปรวนของระดับเสียงและสเปกตรัมความถี่จะลดลง ในขณะที่ความแปรปรวนของระลอกคลื่นจากพื้นผิวเหนือเป้าหมายจะถูกขยายให้สูงสุดขึ้น (กรณีมีสิ่งกีดขวางอยู่ใกล้ๆ VTOP เช่นผนัง หลังคา) ถ้าเป็นเช่นนี้ควรละทิ้งแนวทางแบบลำโพงเดี่ยวและใช้อาร์เรย์แทน หากความแปรปรวนของระลอกคลื่นสูงเกินไปหรือ Range ratio เกิน 2:1

นี่คือแบบจำลองของความสูญเสีย/ประสิทธิภาพ การเติมเต็มรูปร่างที่มีอัตราส่วน Range ratio 1:1 ถือเป็นการออกแบบระบบเสียงที่มีประสิทธิภาพสูงสุด

ในทางกลับกันคืออัตราส่วน Range ratio 2:1 ซึ่งต้องใช้ลำโพงมุมมากกว่าที่เราใช้จริงเพื่อครอบคลุมก่อนหน้าถึงสองเท่า ส่งผลให้เสียงกระจายไปยังพื้นที่ด้านบนที่เหลือมากเกินความจำเป็นถึง 50%  สิ่งนี้จะทำให้เราต้องเสียคุณภาพเสียงไปกับความแปรปรวนระลอกคลื่น ฯลฯ ถึงเวลาที่ควรเปลี่ยนไปใช้ ระบบลำโพงแบบอาร์เรย์ (AB array) แทนการใช้ ลำโพงเพียงใบเดียว

การเล็งลำโพงในแนวตั้ง

การเล็งแนวตั้งลำโพง (Vertical aim) ใช้หลักการ “การชดเชยอัตราส่วน Range ratio กับมุมกระจายเสียง” โดยให้เรากำหนดมาตรฐาน VTOP เป็น 0 องศา เราจะใช้ 50 องศา เป็นตัวอย่างเป้าหมายของการครอบคลุม ดังนั้นจุดกึ่งกลางจะอยู่ที่ -25 องศา

Range ratio 1:1 ทำให้จุดเล็งอยู่ที่กึ่งกลางแนวตั้ง -25 องศา จุดเล็งจะสูงขึ้นตามสัดส่วนไปทาง VTOP ตามอัตราส่วน Range ratio ถ้าหากอัตราส่วน Range ratio เท่ากับ 1.1 (1 dB) จะเลื่อนจุดเล็งขึ้น 1.1 (+10%) นั่นคือคือ -22.5 องศา {50- (25×1.1)}

การเพิ่มอัตราส่วน Range ratio จะทำให้ลำโพงเล็งสูงขึ้นไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะถึงขีดจำกัดที่ 2:1 (ลำโพงกำลังเล็งไปที่ 0° ซึ่งเป็นจุดบนสุดของเป้าหมาย)

ความครอบคลุมด้านกว้างจากแนวตั้ง

พื้นที่การกระจายเสียงที่มีประสิทธิภาพ (Effective coverage) ทั่วทั้งห้อง ขึ้นอยู่กับลักษณะการกระจายเสียงทั้งในแนวนอนและแนวตั้ง

เราเพิ่งคำนวณ มุมการกระจายเสียงแนวนอน (Horizontal coverage angle) ไปแล้ว ในขั้นตอนนี้เราสามารถนำผลลัพธ์มุมกระจายเสียงลำโพงที่ได้ มาพิจารณาร่วมกับการคำนวณมุมการกระจายเสียงแนวตั้ง (Vertical aim) เพื่อดูว่าจำเป็นต้องเพิ่มลำโพงเสริมที่ด้านหน้าหรือไม่

การกำหนดความกว้างของพื้นที่ครอบคลุมที่มีประสิทธิภาพ

1. Section view: หาระยะลำโพงถึงที่นั่งที่ใกล้ที่สุด (จุดเริ่มต้นของการครอบคลุม)

2. ค้นหาความกว้างที่ครอบคลุมด้านข้าง สำหรับช่วงนี้จะใช้ Lateral Aspect Ratio

3. Plan view: วาดเส้นของความกว้างการครอบคลุมที่กำหนดไว้ตามแนวแถวที่ใกล้ที่สุด

สรุป ความครอบคลุมและมุมเล็งสำหรับลำโพงเดี่ยว

จากบทความข้างต้น จะครอบคลุมกระบวนการทั้งหมดของการใช้ลำโพงเดี่ยว ทั้งมุมครอบคลุมแนวนอน, มุมครอบคลุมแนวตั้ง, ความครอบคลุมด้านกว้างแนวตั้ง ตลอดจนการเล็งลำโพง เพื่อให้ได้ความแปรปรวนระดับเสียงต่ำสุด และจากข้อจำกัด Range ratio 2:1 เพื่อทลายข้อจำกัดนี้จึงนำมาสู่การเลือกใช้อาเรย์ลำโพง โดยจะกล่าวในบทความถัดไป

เพื่อให้การออแบบระบบเสียงง่ายและรวดเร็วขึ้น สามารถดาวน์โหลด Excel คำนวนความครอบคลุมและมุมเล็งสำหรับลำโพงเดี่ยวได้ฟรีที่นี่