Standing wave การเกิดคลื่นนิ่ง

ก่อนอื่นเริ่มต้นด้วย ต้องเข้าใจคำว่า Standing wave หรือ คลื่นนิ่งกันก่อน คลื่นนิ่งเกิดจากการแทรกสอดของคลื่นที่มี แอมพลิจูด ความถี่ ความเร็ว และความยาวคลื่นที่เท่ากัน เคลื่อนที่สวนทางกันไปมา จนเกิดเป็น คลื่นนิ่ง โดยคลื่นนิ่งจะมีตำแหน่งบัพ (Node) คือ ตำแหน่งที่ไม่มีการสั่นเลย และปฏิบัพ (Antinode) คือ ตำแหน่งที่สั่นได้มากที่สุด ทำให้เกิดการรับฟังที่เเตกต่างกันภายในพื้นที่นั้นเอง

จากรูป เป็นการทดลองง่าย ๆ คือการเเกว่งเชือกไปเรื่อย ๆ ด้วยความเเรง ความเร็ว ที่เท่า ๆ กัน โดยเอาปลายอีกด้านหนึ่งยึดติดกับผนัง อาจจะด้วยกาว หรือตะปูก็แล้วแต่ ซึ่งจากรูป A ถึง C หมายถึง การเพิ่มความเร็วในการเเกว่ง ซึ่งเปรียบเสมือนความถี่เสียงที่สูงขึ้นนั่นเอง สังเกตุจุด Antinode เชือกยังคงสั่นได้อยู่ ส่วนจุดที่เกิด Node คือจุดที่ไม่เกิดเสียงในห้องนั้นๆ

ต่อมา การเกิด Standing wave ที่มีผนังแข็งกั้นเสียง จะเป็นคลื่นนิ่งปลายอิสระ ส่วนการเกิด Standing wave ของสายระหว่างจุดยึดสองจุด จะเป็นคลื่นนิ่งปลายตรึง ทั้ง 2 แบบมีลักษณะที่ต่างกัน ซึ่งการเกิด Room mode จะเป็นในลักษณะของคลื่นนิ่งปลายอิสระ

Room mode จะถูกแบ่งออกเป็น

1.Axial Mode เกิดจากเสียงสะท้อนผนังด้านที่ขนานกัน

2.Tangential Mode เกิดจากเสียงสะท้อนผนังสี่ด้าน

3.Oblique Mode เกิดจากเสียงสะท้อนผนังทั้งหกด้าน

Axial Mode เป็นส่วนหนึ่งของ Room mode คือ Mode ที่เกิดจากเสียงสะท้อนผนังด้านที่ขนานกัน เเละเป็น Mode ที่มีผลกระทบกับการรับฟังมากที่สุด Axial Mode จะถูกแบ่งเป็น Axial ความถี่ที่ 1, Axial ความถี่ที่ 2 , Axis ความถี่ที่ 3 ไปเรื่อย ๆ ซึ่งสามารถคำนวนหาได้จาก

Axial ความถี่ที่ 1 จะเท่ากับ

 f₁ = V / (2 L)

Axial ความถี่ที่ 2 จะเท่ากับ

 f₂ = 2 × V / (2 L) หรือ  f₂ = 2 × f₁

Axial ความถี่ที่ 3 จะเท่ากับ 

f₃ = 3 × V / (2 L) หรือ  f₃ = 3 × f₁

Axial ความถี่ที่ n จะเท่ากับ

 f_n = n × V / (2 L) หรือ  f_n = n × f₁

โดยที่

L = ความยาวจากผนังด้านหนึ่งไปจนถึงอีกด้านหนึ่ง

f = ความถี่เสียง

V = ความเร็วเสียงในอากาศ กำหนดให้เป็น 344 เมตร/วินาที

ยกตัวอย่าง ห้องลึก 8 เมตร Axial ความถี่ที่ 1 ของห้องนี้จะเท่ากับ

f₁ = V / (2 L) ,  f₁ = 344 / (2 x 8)

f₁ = 21.5 Hz

จากรูป ด้านบน นั่นหมายความว่า กลางห้องเป็นตำแหน่งของ node จะไม่มีเสียงที่ความถี่ 21.5 Hz นั่นเอง

Axial ความถี่ที่ 2 ของห้องนี้จะเท่ากับ

f₂ = 2 × V / (2 L) หรือ  f₂ = 2 × f₁

f₂ = 43 Hz

ตามรูปด้านบน นั่นหมายความว่า ตำแหน่งของ node จะไม่มีเสียงที่ความถี่ 43 Hz นั่นเอง

Axial ความถี่ที่ 3 ของห้องนี้จะเท่ากับ

f₃ = 3 × V / (2 L) หรือ  f₃ = 3 × f₁

f₃ = 64.5 Hz

ตามรูปด้านบน นั่นหมายความว่า ตำแหน่งของ node จะไม่มีเสียงที่ความถี่ 64.5 Hz นั่นเอง

และยังเกิดขึ้นกับความถี่ 86 Hz, 107.5 Hz ไปเรื่อยๆ จะเห็นได้ว่า ตำเเหน่ง node และ antinode จะต่างกันออกไปในแต่ละ harmonic

สรุป STANDING WAVE และ ROOM MODE เบื้องต้น

จากข้างต้น สามารถเข้าใจได้ว่า ห้องมีผลต่อเสียงอย่างไร ในด้านเเนวทางการแก้ไขปัญหา การออกแบบห้องในสัดส่วนที่ถูกต้อง ตลอดจนการเลือกใช้ Helmholtz Resonator ในตำแหน่งที่เหมาะสม จะช่วยลดปัญหาได้ ซึ่งจะกล่าวในบทความเกี่ยวกับ Acoustic เรื่องถัดไป