Subwoofer อาเรย์ และกระบวนการ

Subwoofer อาเรย์ มีคุณสมบัติพิเศษสองประการที่สามารถสร้างโอกาสในงานออกแบบได้ อย่างแรกคือซับวูฟเฟอร์จะครอบคลุมเฉพาะช่วงความถี่สาม Octave เท่านั้น (โดยประมาณ)

ประการที่สองคือ ความยาวคลื่นขนาดใหญ่ภายในช่วงซับวูฟเฟอร์ สามารถเลี้ยวเบนไปรอบ ๆ วัตถุข้างเคียงได้ สำหรับซับวูฟเฟอร์นี่เป็นสิ่งที่มีประโยชน์มากและใช้งานได้จริง

รูปแบบพื้นฐานและตัวเลือกของ Coupled Array ในซับวูฟเฟอร์

ซับวูฟเฟอร์แต่ละใบจะมี 2 รูปแบบพื้นฐาน ได้แก่ แบบรอบทิศทาง (Omnidirectional) และแบบคาร์ดิออย (Cardioid)

• แบบรอบทิศทาง (Omnidirectional) แต่ที่จริงแล้ว ก็ไม่ได้รอบทิศทางอย่างแท้จริง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อความถี่สูงขึ้น
• แบบคาร์ดิออย (Cardioid) จะประกอบด้วยไดรเวอร์ที่ยิงด้านหน้าและด้านหลัง โดยใช้การชดเชยเฟสเพื่อสร้างการรวม Coupling Zone ที่ด้านหน้า และ Cancellation Zone ที่ด้านหลัง

สิ่งเหล่านี้เป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรม และหากทำได้ดีก็สามารถสร้าง Cancellation Zone จากด้านหลังได้อย่างมากในช่วงความถี่ที่กว้าง

อาเรย์แบบมีทิศทาง (Directional Arrays) สามารถสร้างขึ้นได้ ด้วยการรวมกันขององค์ประกอบลำโพงแบบรอบทิศทาง (Omnidirectional) แต่ละหน่วยเข้าด้วยกัน

ตามปกติแล้วจะมีตัวเลือกต่าง ๆ ให้เลือก และจะแยกเอฟเฟกต์ต่าง ๆ ออกมา และดูว่าจะนำไปสู่จุดหมายใด แต่ในที่นี้จะจำกัดการอธิบายไว้ที่ Coupled Arrays

พอจะกล่าวได้ว่า ยกเว้นซับวูฟเฟอร์แบบ Cardioid พฤติกรรมของอาร์เรย์ซับวูฟเฟอร์แบบ Uncoupled จะไม่ผ่านการทดสอบความแปรปรวนขั้นต่ำในขั้นต้น เนื่องจากมีการทับซ้อนกันที่มากเกินไป

ทีนี้ลองมาดูตัวเลือกของ Coupled Array กัน

1. อาร์เรย์ไปข้างหน้า (Forward Arrays) ได้แก่ End-fire Arrays และ Dual Element In-line

2. อาร์เรย์ด้านข้าง (Lateral Arrays) ได้แก่ Coupled Line Source

3. ส่วนขยายรัศมี (Radial Extension) ได้แก่ Coupled Point Source

โดยจะเริ่มต้นด้วย อาร์เรย์ไปข้างหน้า (Forward Arrays)

End Fire Array

สามารถวาง Subwoofer อาเรย์ หลายใบในแนวด้านหน้า โดยที่ใบหนึ่งอยู่ด้านหลังอีกใบในระยะห่างที่กำหนดไว้ การหน่วงเวลาจะถูกเพิ่มให้กับลำโพงทั้งหมดยกเว้นลำโพงใบหลังสุดตามลำดับเวลา ซึ่งจะเป็นการ Sync กันระหว่างลำโพงด้านหน้า และหน้าคลื่นที่ส่งผ่านจากลำโพงด้านหลัง

สเกลระยะสั้น ๆ ทำให้เรามีระยะห่างเพียงพอ ที่จะจัดให้มีการรวม Coupling Zone ที่ด้านหน้า และซ้อนความถี่ในการ Cancellations ที่ด้านหลัง

ความสัมพันธ์ระหว่างระยะห่าง / การหน่วงเวลาจะต้องดำเนินการอย่างแม่นยำ รูปแบบที่พบบ่อยที่สุด จะใช้การเว้นระยะและการหน่วงเวลาคงที่

โดยลำโพงข้างหน้าแต่ละใบ จะมีการหน่วงเวลาเพิ่มเติมขึ้นไปเรื่อย ๆ ยังมีรูปแบบอื่น ๆ เช่น รูปแบบการเว้นวรรคแบบ Log เป็นต้น ปัจจุบันมีนวัตกรรมเกิดขึ้นมากมายในด้านนี้ ดังนั้นผู้อ่านควรอัพเดทเรื่องนี้เรื่อย ๆ เมื่อมีการวางในรูปแบบใหม่

ตัวอย่างวิธีทำ จากรูป End Fire Array Technique วางซับวูฟเฟอร์เป็นแถวในตอนลึก โดยระยะห่างจะเลือกความถี่ที่ต้องการหักล้างที่ด้านหลัง ในที่นี้จะยกตัวอย่างที่ 50 Hz

ความเร็วเสียงในอากาศ ที่นี่จะให้เท่ากับ 346 เมตร / วินาที เมื่ออุณหภูมิเท่ากับ 25 องศา จากสูตรหาความเร็วเสียงในอากาศ vt = 331 + 0.6(t) (อ่านเพิ่มเติมได้ที่ ความเร็วเสียง)

ความยาวคลื่นที่ 50 Hz จะเท่ากับ 6.92 เมตร จาก λ  = v / f (อ่านเพิ่มเติมได้ที่ ความยาวคลื่น และความถี่) ดังนั้นระยะห่างที่วางจะเท่ากับ ¼λ นั่นคือ 1.73 เมตร

ต่อมาหน่วงเวลาซับวูฟเฟอร์ Front ตามระยะห่างที่ 1.73 เมตร จาก S / v = t หน่วยเป็นวินาที sec จะได้ 1.73 / 346 = 0.005 sec หรือ 5 ms ต่อจากนี้คือผลลัพธ์ที่ได้

เมื่อยืมอยู่ด้านหน้า : ซับวูฟเฟอร์ Front จะถูกหน่วงเวลาให้รอเสียงจากซับวูฟเฟอร์ Back เนื่องจากระยะห่างที่ไม่เท่ากัน เมื่อเสียงซับวูฟเฟอร์ Back เดินทางมาถึง Front จึงเปล่งเสียง เกิดเป็นการ In Phase เสริมความดังในเวลาเดียวกัน

เมื่อยืมอยู่ด้านหลัง : ซับวูฟเฟอร์ Front ถูกหน่วงเวลา 5 ms เปรียบเสมือนถูกวางถอยไปอีก ¼λ รวมกับระยะห่างที่ถูกวางไว้ ¼λ ทำให้ระยะรวมห่างกันที่ ½λ เกิดการ Cancellations ที่ด้านหลังในความถี่ที่เลือก และการลดลงของช่วงความถี่ใกล้เคียง

ข้อดี : พลังงานรวมกันที่สูงในด้านหน้า

ข้อจำกัด : ไม่สามารถหักล้างด้านหลังได้ทุกความถี่ ถ้าไม่ใช้การวางซ้อนซับวูฟเฟอร์ที่มากพอ และเปลืองพื้นที่ในการจัดวางที่มาก

End-Fire Array ไม่ได้มีประสิทธิภาพ 100 เปอร์เซ็นต์ กล่าวคือ SPL สูงสุดของจำนวนซับวูฟเฟอร์ ที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกันในรูปมาตรฐาน หรือรูปแบบปรกติจะสูงกว่า

ต้นทุนด้านประสิทธิภาพนี้ สามารถนำมาชั่งน้ำหนัก เทียบกับประโยชน์ที่ได้อย่างมหาศาลจากการ Cancellations ที่ด้านหลัง ความถี่ต่ำบนเวทีที่ได้รับการปรับแก้ไขอย่างมาก และความแปรปรวนของลำโพง / ห้องที่ลดลง

อาร์เรย์ End-fire คิดค้นจาก Harry Olson

Dual-Element In-line Technique Cardioid

รูปแบบขนาดเล็กที่สร้างผลลัพธ์ขนาดใหญ่ คือเทคนิค In-line แบบสององค์ประกอบ ประกอบด้วยลำโพงเพียงสองใบที่เว้นระยะห่างความยาวคลื่น 1/4 ในแนวเส้นตรง โดยจะหันลำโพงไปด้านหน้าทั้งคู่ และมีการหน่วงเวลารวมทั้งกลับเฟสที่ลำโพงใบหลัง ทำให้มีอัตราส่วนระดับเสียงหน้าไปหลังที่ต่างกัน

วิธีการนี้ใช้งานได้จริงมากกว่า End-Fire Array ซึ่งต้องใช้พื้นที่การวางที่ลึก แม้ว่าการกำหนดค่าอาเรย์แบบนี้เชื่อกันว่าเป็นของ George Augspurger ในอดีต แต่สิ่งนี้ถูกนำเสนอโดย Mauricio Ramirez ทำให้การใช้งานได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย ภายใต้คำแนะนำในทางปฏิบัติจากเขา

ตัวอย่างวิธีทำ จากรูป Dual-Element In-line Technique วางซับวูฟเฟอร์เป็นแถวในตอนลึก โดยระยะห่างจะเลือกความถี่ที่ต้องการเสริมที่ด้านหน้า ในที่นี้จะยกตัวอย่างที่ 100 Hz

ความเร็วเสียงในอากาศ ที่นี่จะให้เท่ากับ 346 เมตร / วินาที เมื่ออุณหภูมิเท่ากับ 25 องศา จากสูตรหาความเร็วเสียงในอากาศ vt = 331 + 0.6(t) (อ่านเพิ่มเติมได้ที่ ความเร็วเสียง)

ความยาวคลื่นที่ 100 Hz จะเท่ากับ 3.46 เมตร จาก λ  = v / f (อ่านเพิ่มเติมได้ที่ ความยาวคลื่น และความถี่) ดังนั้นระยะห่างที่วางจะเท่ากับ ¼λ นั่นคือ 0.865 เมตร

ต่อมาหน่วงเวลาซับวูฟเฟอร์ Back ตามระยะห่างที่ 0.865 เมตร จาก S / v = t หน่วยเป็นวินาที sec จะได้ 0.865 / 346 = 0.0025 sec หรือ 2.5 ms แล้วกลับเฟส ต่อจากนี้คือผลลัพธ์ที่ได้

เมื่อยืมอยู่ด้านหน้า : ซับวูฟเฟอร์ Back ถูกหน่วงเวลา 2.5 ms เปรียบเสมือนถูกวางถอยไปอีก ¼λ รวมกับระยะห่างที่ถูกวางไว้ ¼λ ทำให้ระยะรวมห่างกันที่ ½λ เกิดการ Cancellations ที่ด้านหน้าในความถี่ที่เลือก และการลดลงของช่วงความถี่ใกล้เคียง แต่เมื่อกดกลับเฟส สิ่งที่ได้คือการเสริมกันในความถี่ที่เลือก และช่วงความถี่ใกล้เคียง

เมื่อยืมอยู่ด้านหลัง : ซับวูฟเฟอร์ Back จะถูกหน่วงเวลาให้รอเสียงจากซับวูฟเฟอร์ Front เนื่องจากระยะห่างที่ไม่เท่ากัน เมื่อเสียงซับวูฟเฟอร์ Front เดินทางมาถึง Back จึงเปล่งเสียง เกิดเป็นการ In Phase เสริมความดังในเวลาเดียวกัน หลังจากนั้นกดกลับเฟส เพื่อหักล้างความถี่ซับวูฟเฟอร์

ข้อดี : หักล้างความถี่ด้านหลังได้มากกว่า End-Fire Array ในจำนวนตู้ที่เท่ากันคือ 2 ใบ

ข้อจำกัด : พลังงานด้านหน้าน้อยกว่าแบบ End-Fire Array จะเป็นการเสริมกันเฉพาะบางช่วงความถี่ และเป็นคนละลูกคลื่น

Inverted Stack Cardioid

คาร์ดิออยด์ในระบบลำโพงซับวูเฟอร์ที่วางซ้อนกัน ลำโพงบางใบจะถูกกลับด้านและกลับเฟสเพื่อ Cancellations คลื่นด้านหลัง และเพิ่มกำลังคลื่นหน้า

สามารถเคลื่อนย้ายเฟสไปยังความถี่ต่ำที่สุดโดยอิสระ ด้วยการใช้เครื่องมือ All-Pass Filter ซึ่งสามารถให้การหน่วงเฟสในช่วงความถี่ที่จำกัดได้ โดยที่ไม่ส่งผลกระทบต่อความถี่อื่น ๆ

สามารถตั้งค่าให้เลื่อนเวลาในช่วงประมาณ 30 Hz เพื่อให้สามารถหน่วงเวลาเพิ่มเติมได้โดยไม่ต้องเกินช่วง 125 Hz

เมื่อการหน่วงเวลาที่ 30 Hz สัมพันธ์กันกับการเลื่อนเวลา 125 Hz ค่ามุมจะสอดคล้องกัน นี่จะเป็นอัตราส่วนความล่าช้า 4:1 (เช่นเดียวกับความยาวคลื่น)

อีกวิธีในการหน่วงเฟสคือเครื่องมือหน่วงเวลา แน่นอนวิธีนี้ใช้วิธีเดียวกับ Dual-Element In-line Technique เนื่องจากเมื่อยืนด้านหลัง เสียงตู้ซับวูฟเฟอร์ Back จะมาถึงก่อน จึงจำเป็นต้องหน่วงเวลาตู้ Back ให้เป็นเฟสเดียวกันกับตู้ Front แล้วกลับเฟส

ถ้าต้องการเวลาที่แม่นยำแนะนำให้ใช้เครื่องมือในการวัด แต่ในกรณีไม่มีเครื่องมือ การหน่วงเวลาเท่ากับความลึกของตู้ก็พอประมาณการได้เช่นกัน สิ่งนี้เกิดจากความยาวคลื่นที่มากของเสียงต่ำ ความผิดพลาดของระยะทาง เฟสที่สร้างความต่างไม่เกิน 40 องศา จะยังคงสร้างโอกาสที่ยอมรับได้อยู่ 5.5 – 6dB

ส่วนข้อดีและข้อจำกัดจะคล้ายกับ Dual-Element In-line Technique แต่แตกต่างกันที่

ข้อดี : เซ็ตอัพง่าย ประหยัดพื้นที่ สามารถบังคับทิศทางของเสียงได้ ด้วยการวางรูปแบบต่าง ๆ

ข้อจำกัด : ไม่สามารถเลือกความถี่ในการเสริมด้านหน้าได้

สิ่งเหล่านี้จะต้องใช้เวลาและเงินเป็นจำนวนมาก เนื่องจากต้องใช้การประมวลผลสัญญาณหลายช่อง เพื่อหน่วงเวลาตามลำดับ

แถมยังต้องใช้เวลาเดินสายต่าง ๆ และตั้งค่าเพิ่มเติม เพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณไปยังลำโพงที่ถูกต้อง จากนั้นก็ถึงเวลาการปรับเทียบ ตรวจสอบ

Beam Steering และ Level Tapering

พิจารณาความเป็นไปได้ของการลดระดับเสียง (Level Tapering) การลดระดับเสียงของลำโพงโดยไม่มีการแยกเชิงมุม ไม่ได้ช่วยอะไรมากไปกว่าการลดพลังงาน และขยายความกว้างรูปแบบได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น เท่ากับว่า “ทำให้ Line Array สั้นลง” ซึ่งได้ถูกพิสูจน์ไปในเรื่องก่อนหน้านี้ (อ่านเพิ่มเติมได้ที่ ระดับเสียงอสมมาตรใน Coupled Line Source Array)

ต่อมาใช้ Delay Tapering สิ่งที่ได้คือ อาร์เรย์ที่ถูกเปลี่ยน ทิศทางไปด้านข้าง (Lateral Arrays) แต่ความกว้างของรูปแบบจะขยายได้เพียงเล็กน้อยเช่นกัน

สามารถลองใช้การผสมผสานระหว่างระดับและการหน่วงเวลา (Level and Delay Tapering) โดยกลไกทั้งสองที่ไม่ได้ผลในการขยายความกว้างรูปแบบ จะรวมกันเป็นกลไกหนึ่งที่มีประสิทธิผลหรือไม่ ? หลังจากทดสอบ คำตอบคือ ไม่มี

หากปราศจากการแยกเชิงมุม เราก็ขาดวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนแปลง ความกว้างของลำเสียงโดยรวม

Coupled and Uncoupled Point Source

ตัวเลือกที่สามคือการสร้าง Coupled Point Source โดยให้มีมุม Splay Angle ระหว่างองค์ประกอบลำโพง นั่นคือพฤติกรรมของ Coupled Point Source ที่รู้จักกันดีก่อนหน้านี้

สามารถเลือกใช้องค์ประกอบแต่ละใบที่มีความกว้างที่สูงขึ้นเมื่อความถี่ลดลง มารวมกันเป็นอาร์เรย์ที่มีความกว้างของลำเสียงคงที่ได้ โดยเล็งไปที่ที่ต้องการ ลองพิจารณาว่า เหตุใดจึงไม่ค่อยเห็นการวางซับวูฟเฟอร์แบบนี้ในความเป็นจริง

ประการแรกอาจเป็นเรื่องยากมาก ที่จะหาพื้นที่สำหรับการโค้งของอาร์เรย์บนพื้น เนื่องจากเป็นการใช้บริเวณที่นั่งอันมีค่า

ประการที่สอง มีความเชื่อกันอย่างกว้างขวางว่า การตอบสนองของซับวูฟเฟอร์นั้น “กว้างเกินไป” ดังนั้นจึงต้องพยายามทุกวิถีทางเพื่อจำกัดรูปแบบให้แคบลง ซึ่งในความจริงความกว้างเกินไปนี้ จะเกิดขึ้นในกรณีที่มีซับวูฟเฟอร์ในปริมาณที่ค่อนข้างน้อยเท่านั้น ?

เมื่อวางซับวูฟเฟอร์ทั่วไปสี่หรือห้าใบไว้ติดกัน สิ่งที่ได้อาจกลับกัน อย่างน้อยก็ที่ความถี่บนสุดของช่วงซับวูฟเฟอร์

การวางวูฟเฟอร์ที่ยาวขึ้น ทำให้สถานการณ์เลวร้ายได้ เนื่องจากสิ่งใดก็ตามที่ออกจากศูนย์กลางของห้องโถง จะเป็นการลด dB SPL แต่ถ้ากระจายอาเรย์ออกไปด้านข้าง ระดับที่ลดลงตรงกลางจะเกิดขึ้นแน่นอน เกิดเป็น ส่วนขยายรัศมี (Radial Extension) นั่นคือวิธีที่จะสามารถลดการบวกพลังงานที่ตรงกลางได้

หากข้อกังวลหลักคือ dB SPL ที่ตำแหน่งผสมเสียงตรงกลาง การกระจายซับวูฟเฟอร์จะไม่เกิดขึ้น แต่นั่นจะต้องอยู่กับผลที่ตามมา โดยการผสมเสียงจากยอดปิรามิดนั้น ไม่ใช่ตัวแทนในแถบสเปกตรัมเสียงทั้งหมด “ดังนั้นแล้วอยากให้เสียงกระจายไปทางไหน ก็ให้หันลำโพงไปทางนั้น”

สรุป Subwoofer อาเรย์

จากตัวเลือกของ Coupled Array ทั้ง อาร์เรย์ไปข้างหน้า (Forward Arrays), อาร์เรย์ด้านข้าง (Lateral Arrays) และส่วนขยายรัศมี (Radial Extension) นอกจากที่จะมีลักษณะส่วนตัวในเป็นของตัวเอง ในสถานการณ์จริงแต่ละลักษณะของงาน รูปแบบที่เกิดขึ้นอาจมีมากกว่า 1 รูปแบบ เกิดเป็นการผสมผสานเพื่อสร้างรูปแบบที่ลงตัวที่สุด ซึ่งจะกล่าวในบทถัดไป