คุณลักษณะการรวมห้อง ลำโพง

• อันดับแรกโฟกัสที่จุดร่วมระหว่าง การรวมของลำโพงกับห้อง ซึ่งการโต้ตอบทั้งสองถูกจะควบคุมโดยคุณสมบัติของผลรวมทางอะคูสติก
• การสะท้อนของห้องเป็นสำเนาของสัญญาณต้นฉบับอย่างแท้จริง โดยจะสะท้อนสัญญาณที่มาถึงพื้นผิว ดังนั้นไม่มีผนังที่เป็นระบบสเตอริโอ
• การสะท้อนสามารถดำเนินต่อไปเป็นระยะเวลานาน โดยเคลื่อนที่จากพื้นผิวหนึ่ง ไปยังอีกพื้นผิวหนึ่งรอบ ๆ ห้อง ระยะเวลาสำหรับการสะท้อนเหล่านี้ อาจเกินระยะเวลาของสัญญาณต้นฉบับ ซึ่งจะทำให้อยู่นอกเกณฑ์การรวม
• พื้นผิวส่วนใหญ่ไม่สะท้อนความถี่ทั้งหมดที่ระดับสัมพัทธ์ เฟสสัมพัทธ์ และมุมตกกระทบเดียวกัน พื้นผิวนั้นมีความซับซ้อนมาก จะทำให้คุณสมบัติการรวมนั้น เปลี่ยนแปรไปตามแต่ละความถี่ อย่างไรก็ตาม จำเป็นพิจารณาความถี่ต่อความถี่
• เมื่อพิจารณาเฉพาะพื้นที่ Crossover ของลำโพง และลำโพงเสมือนที่ผ่านพื้นผิว สัญญาณที่เข้าร่วมด้วยกันนั้นจะมีเวลาและระดับที่เท่ากัน ดังนั้นจะไม่สามารถสลับขั้วของสัญญาณได้ สัญญาณที่ส่งออกมา จะสอดคล้องกับค่าความสัมพันธ์เสียงที่เกิดขึ้นในห้องโดยอัตโนมัติ หรือเรียกว่า “ปรับตัวเองให้สอดคล้องกัน” ซึ่งเป็นผลมาจากลักษณะของการแพร่กระจายของเสียงภายในห้อง หรือสรุปสั้นๆ คือ ห้อง เสียง และลำโพง จะปรับตัวให้สัมพันธ์กับการแยกสัญญาณเป็นไปอย่างเหมาะสมโดยอัตโนมัติ
• ระยะห่างระหว่างลำโพงกับพื้นผิว จะเทียบได้กับระยะห่างครึ่งหนึ่งของลำโพง 2 ใบในอาร์เรย์
• มุมสัมพัทธ์ระหว่างลำโพงและพื้นผิวนั้น คล้ายคลึงกับมุมกระจายครึ่งหนึ่ง ระหว่างองค์ประกอบลำโพง 2 ใบในอาร์เรย์
• มุมครอบคลุมของลำโพง “เสมือน” ที่สะท้อน จะเหมือนกับมุมครอบคลุมของลำโพงต้นทาง
• พื้นผิวเป็นตัวแบ่งพื้นที่ทางกายภาพ มีโอกาสน้อยมากที่เสียงโดยตรงและเสียงสะท้อนจะมีระดับและเวลาเท่ากัน (จำเป็นต้องมีการดูดซับ 0 เปอร์เซ็นต์) ดังนั้นพื้นผิวจึงเป็น Spatial Crossover Line
• การดูดซับที่พื้นผิวผนังนั้น คล้ายคลึงกับการลดระดับของลำโพงอีกใบ ทำให้ระดับสัมพัทธ์เปลี่ยนไป ซึ่งคล้ายกับครอสโอเวอร์แบบไม่สมมาตร
• ความสามารถในการเพิ่มกำลังของเสียง เกิดจากการซ้อนทับแนวนอนหรือแนวตั้งของพื้นผิว เสมือนการเพิ่มกำลังในพื้นที่ที่ลำโพงซ้อนทับ ทำให้เสียงที่ส่งออกมา มีความรุนแรงมากขึ้นในห้อง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเรียนรู้เกี่ยวกับการใช้งานลำโพง และการปรับแต่งเสียงในงานต่าง ๆ

เนื่องจากจุดครอสโอเวอร์สำหรับการโต้ตอบระหว่างลำโพงในห้องคือพื้นผิว มีข้อควรพิจารณาเชิงปฏิบัติบางประการที่ต้องพูดคุยก่อนที่จะดำเนินการต่อไป

เป็นการยากที่จะจินตนาการว่ามีลำโพงอยู่ภายในพื้นผิวหรือผนังของห้อง แล้วทำไมต้องพูดถึงตำแหน่งของลำโพงหลังผนังถึงแม้ว่าจะไม่มีจริง เนื่องจากจะช่วยทำให้เข้าใจวิธีการทำงานของเสียงภายในห้องได้ รวมถึงการเข้าใจว่าเสียงจะกระจายและสะท้อนอย่างไรภายในห้อง

ต่อมาจะไม่สามารถพูดถึงเรื่องของเสียงที่ถูกผสมผสานหรือแยกออกจากกันได้ หายไม่พูดถึงการรวมเสียงจากแหล่งเสียงเสมือนที่อยู่ข้างหลังผนัง ดังนั้นการพูดถึงตำแหน่งของลำโพง เป็นสิ่งสำคัญในการเข้าใจพฤติกรรมของเสียงภายในห้อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเข้าใจในการผสมผสานเสียงและการแยกเสียงภายในห้อง

ลำโพงเสมือนที่อยู่ข้างหลังผนัง หรือ “Virtual Speakers” สามารถเข้ามาในโลกที่เราได้ยิน ดังนั้นการพูดคุยจึงต้องรวมถึงทุกองค์ประกอบของการรวมเสียง เพื่อให้เข้าใจได้ว่า เสียงเกิดการกระจายและสะท้อนอย่างไรภายในห้อง และวิธีการที่สามารถใช้เพื่อควบคุมเสียงในห้องให้เหมาะสมกับการใช้งานต่าง ๆ

ในกรณีของการรวมลำโพง/ห้อง จะจำลองเสมือนว่าเป็นการโต้ตอบระหว่างลำโพงจริงกับลำโพงเสมือน ซึ่งเป็นตัวแทนของการสะท้อนกลับ โดยวิธีเดียวที่จะจับคู่ลำโพงเสมือนกับลำโพงจริงได้คือ ต้องไม่มีการดูดซับบนพื้นผิว

เนื่องจากทุกพื้นผิวมีคุณสมบัติในการดูดซับที่เป็นเอกลักษณ์ ดังนั้นผลรวมจึงต้องได้รับการประเมินความถี่ต่อความถี่ จึงจะถูกต้องและสมบูรณ์

สิ่งนี้ค่อนข้างอยู่นอกเหนือขอบเขตการนำเสนอ ดังนั้นสำหรับการพูดคุยเบื้องต้นนี้ จะถือว่าพื้นผิวทั้งหมดสะท้อนเสียงได้ 100 เปอร์เซ็นต์

Crossover Zones

สามารถสร้างแบบจำลองการสะท้อนเสียง โดยใช้เทคนิค Ray Tracing อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ไม่สามารถอธิบายพฤติกรรมของเสียงที่สะท้อนได้อย่างทุกรายละเอียด แต่ก็เพียงพอต่อการสร้างแบบจำลอง เพื่อศึกษาสมบัติการรวมเสียงของห้องและลำโพงได้

มุมตกกระทบกับพื้นผิวเท่ากับมุมสะท้อน เทคนิค Ray Tracing มองเห็นการสะท้อนของเสียงจากผนังซึ่งคล้ายคลึงกับแสงที่สะท้อนจากกระจก วางลำโพงในทิศทางใดก็ได้และหาระยะห่างจากพื้นผิว

ลำโพงเสียงเสมือน (Virtual Speaker) คือภาพกระจกของลำโพงที่ถูก “วาง” อยู่ห่างจากผิวพื้นหรือผนังเดียวกันและมีทิศทางตรงกันข้าม

จะพบการแสดงความสัมพันธ์ที่เหมือนกันของคลาสครอสโอเวอร์ต่าง ๆ Gap Crossover, Unity Crossover และ Overlap Crossover ซึ่งการวางแนวลำโพงแต่ละประเภทจะให้ตำแหน่งที่แตกต่างกันสำหรับโซนรวมและโซนครอสโอเวอร์

Crossover Slope

ทิศทางของลำโพงจะกำหนดความชันของช่วงครอสโอเวอร์ โดยลำโพงที่มีมุมกระจายแคบ จะมีผลกระทบต่อ Crossover Range ที่สั้นลง

เป้าหมายคือการเคลื่อนที่ออกจาก Coupling Zone (พื้นผิว) สู่ Isolation Zone ก่อนที่การตอบสนองเฟสจะทำให้ผลรวมเป็นลบ

“นี่คือการแข่งขันของแอมพลิจูดกับเฟส”

ตัวอย่าง ความถี่ 16 kHz มีโอกาสเดินทางไปยัง Isolation Zone ก่อนที่จะมีการ Cancellation

ประการแรกคือไม่จำเป็นต้องเข้าถึงพื้นผิวด้วย Unity Class Crossover ซึ่งทำให้ได้การสะท้อนเสียงที่สูง (ถ้าไม่มีที่นั่งชิดผนังหรือเพดาน)

หากพื้นผิวมีการสะท้อนเสียงสูง สามารถเล็งลำโพงเพื่อให้ผู้ฟังคนสุดท้ายอยู่ที่จุด -6 dB ซึ่งเป็นมาตรฐานความแปรปรวนสูงสุดที่ยอมรับได้

สร้างช่องว่างในพื้นที่ครอบคลุมพื้นผิวครอสโอเวอร์ ทุกเมื่อที่สามารถทำได้ ซึ่งจะช่วยลดพลังงานที่สะท้อนกลับ

ประการที่สองคือ ผนังอาจมีการดูดซับบางส่วนโดยเฉพาะในความถี่สูง ไม่มีวิธีแก้ปัญหาที่สมบูรณ์แบบ แต่สามารถต่อสู้ได้หากเข้าใจ

การพิจารณาสรุป ลำโพงและห้อง

• ไม่มีลำโพงที่มีความครอบคลุมสม่ำเสมอทั่วความถี่ ดังนั้นระดับของการซ้อนทับของครอสโอเวอร์จึงเปลี่ยนไปตามความถี่

• โอกาสที่ดีที่สุดสำหรับความสำเร็จคือ ลำโพงที่มีการควบคุมทิศทางที่เท่ากัน หรือมากกว่าในช่วงความถี่สูง

• เนื่องจากความยาวคลื่นที่ปลายความถี่สูงนั้นสั้นที่สุด จึงมีมีโอกาศผิดพลาดทางเฟสได้ง่าย ดังนั้นการควบคุมการทับซ้อนของความถี่สูงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ส่วนเสียงกลางและความถี่ต่ำจะทับซ้อนกันได้ง่ายกว่า เนื่องจากมีความยาวคลื่นที่มากกว่าความถี่สูง การ Cancellation จะมีโอกาสน้อยกว่า

• ความถี่สูงที่ทับซ้อนกัน จะต้องมีความแตกต่างของความยาวเส้นทางให้สั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ หากระยะห่างมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับความยาวคลื่น ระดับการสะท้อนจะต้องลดลงโดยการควบคุมทิศทาง การวางตำแหน่ง หรือการดูดซับเสียง

Speaker/Room Summation Types

พฤติกรรมของลำโพงและห้อง คราวนี้เป็นการสรุปผลขั้นสุดท้าย

วางระบบลำโพงไว้ในห้อง ลำโพงจะรวมเข้ากับเสียงสะท้อน ผลรวมที่ได้จะเป็นอย่างไร ขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดและเฟสสัมพัทธ์ ค่าเหล่านี้สอดคล้องกับทิศทางลำโพงที่สัมพันธ์กับพื้นผิว และคุณสมบัติการดูดซับ

เป้าหมายคือการตรวจสอบลำโพงประเภทต่าง ๆ เพื่อแสดงความสัมพันธ์และเรียนรู้ว่า คุณสมบัติของผลรวมมีผลอย่างไร ซึ่งจะเริ่มชี้ให้เห็นถึงหลักการออกแบบ

มีความสัมพันธ์ที่แตกต่างกัน 3 ประเภทระหว่างลำโพงกับห้องคือ ลำโพงและพื้นผิวที่ทำมุมเดียวกัน, ลำโพงที่ทำมุมออกด้านนอกพื้นผิว และลำโพงที่ทำมุมเข้าด้านในพื้นผิว ฟังดูคุ้น ๆ ไหมครับ

โดยจะแบ่งประเภทการรวมออกเป็น 2 แบบเหมือนเดิม คือ Coupled และ Uncoupled

คำว่า “Coupled Surface” เป็นคำที่ใช้ในการอธิบายถึงพื้นผิวที่มีการเชื่อมโยงกับลำโพงโดยตรง โดยลำโพงจะวางไว้บนพื้นผิวเดียวกันกับผนังหรือพื้นผิวอื่น ๆ

ยกตัวอย่างเช่น การวางลำโพง Subwoofer บนพื้น หรือการติดตั้งลำโพงในตำแหน่งที่ชิดผนัง เพื่อให้เกิดการสะท้อนเสียงจากพื้นผิว

คำว่า “Uncoupled Surface” เป็นคำที่ใช้ในการอธิบายถึงพื้นผิวที่ไม่มีการเชื่อมโยงกับลำโพงโดยตรง โดยลำโพงจะถูกวางห่างจากผนัง

ถ้าเอาลำโพงแขวนไว้ในอากาศสูง 3 เมตร แล้วเปรียบเทียบกับลำโพงที่วางบนพื้น ผลที่ได้จะมีการตอบสนองของเสียงที่แตกต่างกันอย่างมากในความถี่ 100 Hz แต่ที่ความถี่ 100 Hz ของลำโพงที่ติดตั้งแขวนไว้ในอากาศ จะมีพฤติกรรมเสียงเหมือนกับความถี่ 1 kHz ของลำโพงที่วางบนพื้น

เหตุผลที่ทำให้เสียงของลำโพงแขวนและลำโพงที่วางบนพื้นมีการตอบสนองที่แตกต่างกันนั้น เป็นเพราะระยะห่างระหว่างลำโพงและความยาวคลื่นเสียงที่ส่งออกมา

หมายเหตุ: ในกรณีนี้จะถือว่าผนังและพื้นทั้งหมดมีการสะท้อนเสียง 100% ในทุกช่วงความถี่ การรวมผลจะถูกอธิบายบนระนาบเดียวกัน ไม่ว่าจะเป็นระนาบแนวตั้งหรือแนวนอน

รูปแสดงการโต้ตอบระหว่างลำโพงกับห้องที่แตกต่างกัน 6 ประเภท ซึ่งเป็นที่คุ้นเคยกับเรื่องก่อนหน้านี้ ลำโพงขนานกับพื้นผิวคล้ายกับ Line Source Array, ลำโพงหันออกนอกพื้นผิวคล้ายกับ Point Source Array และลำโพงหันเข้าพื้นผิวคล้ายกับ Point Destination Array

Coupled Parallel Surface

ลำโพงที่วางราบกับพื้น เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดของ Coupled Parallel Surface Array การรวมเสียงประเภทนี้มีชื่อว่า Half Space Loading

คำนี้มาจากความจริงที่ว่า รังสีทรงกลมถูกปิดกั้นโดยพื้นผิว และถูกบังคับให้แผ่รังสีครึ่งวงกลม คุณสมบัติของ Half Space Loading ในการเพิ่มระดับเสียงโดยเฉพาะที่ความถี่ต่ำ จะอยู่ที่ประมาณ 6 dB

พื้นผิวจะทำหน้าที่เพิ่มองค์ประกอบลำโพงในรูปแบบ Coupled Line Source Array ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ในเรื่อง Coupled Arrays

รูปแสดงองค์ประกอบลำโพงที่กำลังตอบสนองกับพื้นผิว โดยบริเวณที่เป็นสีคือการตอบสนองของลำโพง ส่วนบริเวณที่เป็นสีเทาคือเงาจากการสะท้อน จากรูปจะเห็นได้ว่านี่คือ Coupled Line Source Array

การตอบสนองเป็นเวอร์ชันสะท้อนของกันและกัน ธรรมชาติการตอบสนองที่คล้ายคลึงกันทำให้การมองง่ายขึ้นมาก

ความก้าวหน้าของคลาสครอสโอเวอร์ และโซนการรวมจะเคลื่อนไปทั้งด้านหน้า ด้านหลังและด้านข้าง ในลักษณะเดียวกันกับที่กล่าวถึงใน Coupled Line Source

Coupled Outward Angle Surface

รูปแสดงลำโพงที่วางต่อกับพื้นผิว แต่ว่ามีการหันออกไปที่ด้านนอก นี่คือ Coupled Point Source Array คุณสมบัติที่คล้ายกันจะยังคงอยู่ และการเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้น ตามที่เกิดขึ้นในลำโพง Coupled Point Source Array

Uncoupled Parallel Surfaces

รูปแสดงพื้นผิวกับลำโพงที่ไม่เชื่อมต่อกัน ระยะห่างลำโพงถึงพื้นผิว จะเทียบได้กับจุดกึ่งกลางระหว่างองค์ประกอบลำโพงใน Uncoupled Line Source Array

ยกตัวอย่างเช่น ลำโพง 3 ม. ถึงผนัง จะเท่ากับ 6 ม. จากองค์ประกอบลำโพงหนึ่งไปยังอีกองค์ประกอบหนึ่ง (แต่ละองค์ประกอบลำโพง ห่างกัน 3 ม. ถึงกึ่งกลาง)

ตัวอย่างที่แสดงอยู่นี้ เป็นการแสดง 2 พื้นผิวที่มีความสมมาตรกัน โดยลำโพงอยู่ตรงกลางของพื้นผิวทั้งสอง

เมื่อย้ายตำแหน่งลำโพงออกจากตรงกลาง จะทำให้ระยะห่างเป็นไม่สมมาตร โดยพื้นผิวที่อยู่ใกล้กับลำโพงจะมีช่วงระยะสั้นกว่าพื้นผิวที่อยู่ไกลจากลำโพง

สังเกตการมีอยู่ของปิรามิดคู่ขนานในการตอบสนอง LF ซึ่งย่อมปรากฏขึ้นเมื่อเงื่อนไขอยู่กึ่งกลางและสมมาตร

Uncoupled Outward Angled Surface

รูปแสดง ลำโพงที่แยกออกจากพื้นผิวและทำมุมออกด้านนอกนั้น ตรงกับ Uncoupled Point Source Array การพิจารณายังคงใช้เหมือนเดิม แต่มีหมายเหตุพิเศษเพิ่มเติมอีกหนึ่งอย่างที่น่าสนใจ

ก่อนหน้านี้จะสังเกตเห็นว่า หากมุมครอบคลุมเสียงและมุม Splay ขององค์ประกอบลำโพงเท่ากัน แล้ว Uncoupled Point Source Array จะมีช่องว่างไปตลอดระยะทาง
ตอนนี้สามารถใช้เพื่อประโยชน์ในทางปฏิบัติ ทำให้มีช่องทางในการครอบคลุมทั่วบริเวณที่นั่งโดยไม่ทับซ้อนกันในพื้นผิวใกล้เคียง

Uncoupled Inward Angled Surface

ก่อนหน้านี้จะพบว่า Uncoupled Point Destination Array สร้างการเปลี่ยนแปลงโซนการรวมเสียงได้รวดเร็วที่สุด และมีปริมาณการรวมเสียงใน “Combing” สูงที่สุด

ผนังด้านในรูป นำพลังงาน On-Axis กลับเข้าสู่ใจกลางของพื้นที่ครอบคลุม เมื่อมุมของพื้นผิวด้านในเพิ่มขึ้น ความจำเป็นในการดูดซับ จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน

รูปแสดงเส้นพื้นผิวตั้งฉากกับแกนลำโพง ซึ่งทำให้คล้ายกับ Point Destination Array แบบ 180 องศา ลักษณะความถี่ต่ำของผนังด้านหลังเป็นที่รู้จักกันดีในหมู่วิศวกรเสียงส่วนใหญ่

ซึ่งหากต้องการ Boost ความถี่ต่ำ สิ่งที่ต้องทำคือการพิงกำแพงด้านหลัง แต่น่าเสียดายที่ตำแหน่งการมิกซ์จะอยู่ข้างหน้าเพียงไม่กี่เมตร และอยู่ในใจกลาง Combing Zone

โชคดีที่ทางกายวิภาคมนุษย์ มีแง่มุมหนึ่งที่น่ายินดีที่ช่วยให้ลดผลกระทบที่รับรู้ได้จากรูปแบบนี้ คือการรับเสียงด้านหน้า/และปฏิเสฐเสียงด้านหลังของหู

การตอบสนองที่วัดได้ของการโต้ตอบใน Combing Zone ที่เกิดขึ้นจากด้านหลัง จะถูกมองว่าได้ยินน้อยกว่าระดับ Combing Zone ที่เทียบเคียงการรวมที่มีจุดเริ่มต้นจากด้านหน้า

ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว การรวมลำโพง/ห้องประเภทนี้ ต้องการการดูดซับที่มากกว่าประเภทอื่น ๆ

Absorption Effects

เมื่อพูดถึงการดูดซับเสียง จึงจำเป็นต้องศึกษาผลกระทบที่จะเกิดขึ้น ต่อการรวมเสียงเมื่อสะท้อนกับผนังก่อน

รูปแสดงการปรียบเทียบระหว่างพื้นผิวแข็งปรกติ และการวางแผ่นอะคูสติกบนพื้นผิว

ผลลัพธ์ที่ได้น่าพึงพอใจ ด้วยการลดลงของปัญหาที่เกิดจากการรวมในความถี่ HF และ MF

Environmental Effects

อุณหภูมิมีผลต่อการรวมลำโพง พบเอฟเฟกต์ที่คล้ายกันและลึกซึ้งกว่าในแบบจำลองการรวมลำโพง/ห้อง

เกือบจะแน่นอนว่าเส้นทางตรงและเส้นทางสะท้อนมีความยาวต่างกัน ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจะส่งผลต่อการรวมลำโพง/ห้องทั้งหมด

เนื่องจากความเร็วของเสียงเปลี่ยนแปลงตามเปอร์เซ็นต์ของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ เอฟเฟกต์การรวมจะแตกต่างกันสำหรับทุกความยาวการสะท้อน ความถี่ที่เกิด Comb Filter ถูกควบคุมโดยค่าสัมบูรณ์หน่วงเวลา (ms)

พิจารณาข้อเท็จจริงที่ว่า การเปลี่ยนแปลงของความเร็วเสียง 1 เปอร์เซ็นต์ จะทำให้เวลาที่เสียงเดินทาง 100 ms เปลี่ยนไป 1 ms  ในขณะที่เสียงสะท้อนที่มาถึงภายหลัง 100 ms (เส้นทางทั้งหมด 200 ms) จะเปลี่ยนไป 2 ms

ผลที่ได้คือผลรวมของห้อง/ลำโพงทั้งหมดจะเปลี่ยนไปตามความถี่ โดยธรรมชาติแล้ว ผลกระทบจะชัดเจนที่สุดในพื้นที่ที่มีเสียงก้องกังวานสูงซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างมาก

สรุปการรวม ลำโพงและห้อง

เมื่อต้องติดตั้งระบบเสียงภายในห้อง การที่เข้าใจพฤติกรรมในการรวมห้องกับลำโพง จะสามารถนำผู้ที่สนใจ ไปสู่การออกแบบระบบเสียง หรืองานด้านอะคูสติกที่มีความเข้าใจ และรักษาคุณภาพเสียงที่ต้องการให้คงอยู่ได้มากที่สุด ณ ที่นั่น ๆ