EP23: GUIDE TO BASS OPTIMIZATION

ขบวนการปรับปรุงคุณภาพเสียงภายในห้องฟัง ไม่ว่าจะเป็นห้องดูหนัง, ห้องฟังเพลงหรือสตูดิโอบันทึกเสียงขนาดเล็กที่บ้าน ปัญหาที่ยากที่สุดในการแก้ไขก็คือปัญหาของเสียงความถี่ต่ำ(Bass) ซึ่งจะเป็นเรื่องปกติที่ทุกๆห้องก่อนที่จะมีการปรับปรุงด้าน Acoustics ซึ่งจะพบปัญหาการสูงขึ้น(peak)หรือลดลงต่ำลง(dip) ของความถี่ต่างๆ ซึ่งสาเหตุดังกล่าวเกิดจากปัญหาที่เรียกว่า Room Mode และปรากฎการณ์ที่เกิดการหักล้างหรือเสริมกันของความถี่ต่างๆที่เรียกว่า Phase Cancellation.

ซึ่งปัญหาเหล่านี้ท้ายที่สุดจะส่งผลให้คุณภาพของเสียงในด้าน Dynamics หรือความต่อเนื่อง(smoothness) ความถี่ต่างๆสูญเสียไป ซึ่งการสูญเสียคุณภาพเหล่านี้คุณสามารถสัมผัสและรับรู้ได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งกรณีของห้องอัดเสียงที่ต้องการความเที่ยงตรงของเสียงตลอดทุกช่วงความถี่จะมีความสำคัญอย่างมาก ดังนั้นไม่ว่าคุณจะสร้างห้องใหม่หรือต้องการปรับปรุงพื้นที่หรือห้องที่มีอยู่ คุณจำเป็นต้องรู้วิธีแก้ไขหรือเพิ่มประสิทธิภาพเสียงเบสของคุณเป็นอันดับแรกๆ เนื้อหาข้อมูลจากนี้จะครอบคลุมในหลายๆด้าน ไม่ว่าจะเป็นห้อง, อุปกรณ์, การจัดวางตำแหน่งของอุปกรณ์ด้าน Acoustics ชนิดต่างๆ แต่เนื้อหาเหล่านี้จะเหมาะสำหรับผู้ที่พอมีความรู้ด้าน acoustics อยู่บ้างหรือสามารถศึกษาจากบทความที่เขียนก่อนหน้านี้เพื่อประโยชน์ที่จะได้รับสูงสุด

Room:

ขนาดห้อง: ความยาวความกว้างและความสูง

สำหรับห้องที่สร้างขึ้นใหม่โดยเฉพาะโฮมเธียเตอร์หรือสตูดิโอขั้นตอนแรกคือการปรับขนาด ความยาว,ความกว้างและความสูงของห้องให้เหมาะสม เพื่อให้แน่ใจว่า Room Mode ที่เกิดขึ้นจะมีการกระจายอย่างดีและไม่ซ้อนทับกัน ซึ่งขนาดห้องแนะนำหรืออัตราส่วน Golden Ratio เราสามารถหาได้ทั่วไป หรือเริ่มต้นด้วยสัดส่วน 1: 1.6: 2.6 (H:W:L) จากรูปที่ 1 เป็นภาพแสดงสัดส่วน Trevor Cox ที่เกิดขึ้นจากการวิจัยและข้อสรุปจากมหาวิทยาลัย Salford โดยในรูปเราสามารถนำไปใช้งานได้ โดยการอ่านค่าบริเวณในส่วนที่เป็นพื้นที่สีดำเข้มในกราฟ จะแสดงขนาดหรือสัดส่วนห้องที่ดีที่สุดและอัตราส่วนจะถูกทำให้เป็นมาตรฐานกับความสูงของห้อง ตัวอย่างเช่นห้องที่มีเพดาน 8' ความกว้าง12' และความยาว 16′ จะมีอัตราส่วน1: 1.5: 2. ซึ่งในกลุ่มอัตราส่วนที่ดีที่สุดประมาณ 1: 2.2: 3 ซึ่งสำหรับเพดาน 8′จะหมายถึงความกว้าง 17.6′และความยาว 24′ และอีกสูตรการหาค่าสัดส่วนห้องที่ดีคือ Chris Whealy's Control Room Calculator.

Wall, Floor and Ceiling Construction:

งานการก่อสร้างผนัง,พื้นและเพดาน

ในการสร้างห้องที่มีคุณภาพนั้น เราต้องพิถีพิถันผนังทุกด้านภายในห้องและรวมทั้งฝ้าเพดาน ห้องควรใช้วัสดุที่ออกแบบได้ถูกต้องตามหลัก Acoustics ซึ่งหากผนังและเพดานได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสมก็จะทำให้มีประสิทธิภาพในการดูดซับความถี่ต่ำ "Invisible Absorbs" ยกตัวอย่างตัวเลขทั่วไปสำหรับค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับ(Absorption Coefficient) ของแผ่นยิปซัม 5/8 "ที่ตอกยึดที่สตั๊ด 2x4(ตรงกลาง)คือ 0.3 ที่ 125Hz ซึ่งถือว่าต่ำเมื่อเทียบกับตัวดักเสียงเบส(Bass Trap) ที่ถูกคำนวณสร้างขึ้นเฉพาะที่อาจมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับ 1.0 แต่ข้อเสียที่ตามมาในการติดตั้ง Bass Trap เหล่านั้นก็คือจะทำให้เสียพื้นที่ใช้สอยภายในห้องให้ลดน้อยลง

เราใช้คำว่า "Floppy Wall" เพื่อแสดงถึงลักษณะผนังที่ออกแบบและสร้างขึ้นเพิ่มการดูดซับความถี่ต่ำ ลักษณะการดูดซึมสามารถปรับได้โดยการเปลี่ยนมวลของผนัง (เช่นจำนวนชั้นของแผ่นยิปซัม) วิธีการยึดเข้ากับกรอบโครงสร้าง และความลึกของโพรงอากาศภายใน ตัวแปรเหล่านี้สามารถคำนวณได้ว่าผนังเหล่านั้น มีความสามารถในการ absorb ที่ความถี่เท่าไร ซึ่งสามารถให้โปรแกรม AFMG SoundFlow ในการคำนวณหาค่าต่างๆเหล่านั้นได้ รวมทั้งสามารถคำนวณค่า STC ที่เกิดขึ้นด้วย แต่หากเราไม่สามารถหรือมีพื้นที่เพียงพอในการทำผนัง Floppy Wall อย่างน้อยการสร้างน้อยผนังเหล่านั้นก็ยังควรเป็นผนังประเภท Damped Drywall ที่มีความสามารถในการดูดซับเสียงได้ดีกว่าผนัง Dry Wall โดยทั่วไป เนื่องจากเรโซแนนซ์ถูกทำให้ลดต่ำลงเมื่อเทียบกับ drywall ซึ่งผนังเหล่านั้นส่วนใหญ่มักจะเกิดการสั่น (Vibrate) ที่บริเวณความถี่ 60Hz และ 120Hz ซึ่งที่ความถี่ 120Hz บนผนัง Dry Wall ถึงแม้ว่าแหล่งกำเนิดเสียงณความถี่นั้นหยุดลง แต่เรายังจะคงได้ยินเสียงเหล่านั้น Ringing ต่อเนื่อง

Light Fixtures and HVAC Vents (อุปกรณ์ในระบบให้แสงสว่างและช่องระบายอากาศ HVAC)

เสียงเป็นพลังงานที่สามารถกระตุ้นวัตถุหลายอย่างในห้องของคุณให้เกิดการสั่นหรือเกิดการเขย่าได้ แต่ส่วนใหญ่เสียงที่เกิดการสั่นเหล่านั้นอาจจะถูกกลบด้วยเสียงอื่นภายในห้องที่เกิดขึ้นที่มีความดังมากกว่าหรือเสียงที่มีความถี่ที่สูงกว่าในขณะฟังเพลงหรือดูภาพยนต์ ซึ่งขนาดและปริมาณของความถี่เหล่านั้นสามารถอ่านได้จากค่า SPL กราฟด้วยโปรแกรมอ่านค่าความถี่ภายในห้องที่มีอยู่หลายโปรแกรมในปัจจุบัน

พื้นที่ที่เราต้องทำการออกแบบ,ตรวจสอบและป้องกันการเกิดปัญหา

- โคมไฟติดเพดานที่ยึดติดด้วยสปริงซึ่งผลิตจากชิ้นส่วนที่เป็นโลหะ

- ระบบกันสะเทือนของระบบทำความเย็นประเภท HVAC(Heating-Ventilation-Air conditioning)

- งานท่อโลหะภายในผนังหรือฝ้าเพดาน

ในการก่อสร้างใหม่แนวทางที่ดีที่สุดคือการใช้อุปกรณ์ยึดติดหรือต่อพ่วงและช่องระบายอากาศที่มีความแข็งแรง ไม่มีจุดสั่นคลอนโดยเฉพาะจุดสัมผัสหรือจุดเชื่อมต่อต่างๆ เพราะหากจุดเหล่านั้นมีปัญหาในภายหลังจะยากในการแก้ไขเปลี่ยนแปลง และอีกข้อระวังคือไม่ควรเดินท่อเหล็กที่ไม่จำเป็นบนฝ้าหรือเพดาน ซึ่งข้อควรระวังต่างๆเหล่านี้จะช่วยลดการเกิดการสั่นหรือเสียงที่ไม่พึงประสงค์ให้เกิดขึ้นโดยไม่จำเป็น และเราสามารถตรวจสอบเสียงเหล่านั้นได้โดยการใช้ Sine Sweep ปล่อยที่ในระดับความดังที่มี SPL(Sound pressure Level)สูงและตรวจสอบจากค่ากราฟว่าที่ความถึ่ใดมีการสูงขึ้นแตกต่างจากความถี่อื่นๆ

Equipment: Full Range Reproduction

ระบบของคุณไม่ว่าจะเป็นโฮมเธียเตอร์ ระบบเสียงระดับไฮเอนด์ ห้องฟังเพลง หรือห้องบันทึกเสียงในสตูดิโอ ควรมีความสามารถในการให้คุณภาพเสียง Full Range โดยที่เสียงความถี่ต่ำ สามารถลงลึกได้ถึง 25Hz หรือต่ำกว่าได้ ทั้งนี้เพื่อให้เราสามารถรับรายละเอียดเสียงทั้งหมดที่ผู้ผลิตได้สร้างหรือถ่ายทอดไว้ในดนตรีหรือภาพยนต์

ตัวอย่างเช่นเสียง Piano หรือ Harp เสียงโน็ตบางครั้งต่ำลงไปที่ความถี่ 25-30 เฮิร์ต. เสียงบางฉากในภาพยนตร์ เช่นฉากเสียงระเบิดในภาพยนตร์ความถี่ต่ำสุดสามารถลดลงได้ลึกกว่านั้นอีก ภาพยนตร์เรื่อง Edge of Tomorrow บางฉากปล่อยความถี่ในช่วงลึกมากถึง 10Hz ซึ่งหากอุปกรณ์ที่มีไม่สามารถรองรับความถี่ระดับนั้นได้ สิ่งที่ตามมาคือการผิดเพี้ยน (Distortion) ของเสียงที่จะได้รับ

วิธีที่ง่ายที่สุดในการที่จะถ่ายทอดสัญญาณตลอดทุกช่วงความถี่ให้ได้ครบถ้วนคือการใช้ Subwoofer เพิ่มเข้ามาในระบบ โดยทั่วไปลำโพง Full Range ส่วนใหญ่จะมีความสามารถที่ให้เสียงความถี่ต่ำที่สามารถลงลึกได้เพียง 35-40 Hz การที่เราเพิ่ม Subwoofer จะมีส่วนช่วยให้ระบบมีความสมบูรณ์มากขึ้นและสามารถถ่ายทอดเสียงครบตลอดทุกย่านความถี่ตามที่ต้องการ

Multiple Subwoofers: การใช้ซับวูฟเฟอร์หลายตัว

ในขณะที่การเพิ่ม Subwoofer เข้าไปในระบบจะทำให้เราได้เสียงช่วงความถี่ต่ำที่สามารถลงลึกได้ถึง 20Hz หรือต่ำลงมากกว่านั้น และวิธีที่ดีที่สุดที่จะทำให้เกิดการตอบสนองความถี่ต่ำอย่างราบรื่นคือการใช้ Subwoofer หลายตัว โดยวางไว้ในตำแหน่งที่จะทำให้เกิดการหักล้างกันของ Room Mode ภายในห้องเหล่านั้น

Room Modes:

คือปัญหาที่เกิดขึ้นภายในห้องที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ เกิดจากการที่คลื่นเสียงมีการเคลื่อนที่ไปมาระหว่างผนังสองด้านภายในห้อง ซึ่งสามารถกำหนดย่อยได้เป็น Axial mode(2 walls), Tangential Mode(4 walls) และ Oblique Mode(6 walls) โดยทั่วไปเราสามารถคำนวณค่า First axial mode ได้จากสูตรคำนวณง่ายๆดังนี้

1st modal frequency = speed of sound / (2 * distance between boundaries)

Axial mode ดังกล่าวที่ว่านี้จะมีพลังงานที่เกิดขึ้นมากที่สุด ดังนั้นจึงก่อให้เกิดปัญหาที่มากที่สุดเช่นกัน ซึ่งหากจะกล่าวอีกด้านหนึ่งก็คือ Axial Mode เกิดจาก Standing wave ที่เกิดขึ้นจากสะท้อนไปมาและตกค้างอยู่ระหว่างผนังที่คู่ขนานกัน ซึ่งจะมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความกว้าง ยาว สูงของห้องนั้นๆ

ลองดูตัวอย่างในภาพเพื่อช่วยในการอธิบาย:

1st Axial Mode สำหรับห้องยาว 20 ฟุตจะเป็น: 1140 ฟุตต่อวินาที / (2 x 20 ฟุต) = 28.5Hz. หากเราตรวจสอบห้องนี้โดยใช้เครื่องวัดความละเอียดสูง เราจะเห็นจุดสูงสุดในการตอบสนองความถี่ Time domain ที่ความถี่เรโซแนนซ์ 28.5Hz จากปรากฎการณ์ดังกล่าวเราจะพบว่าคุณภาพเสียงจะขาดความราบรื่นเสียงเบส และยังส่งผลต่อความชัดเจนเนื่องจากเสียงระดับต่ำจะลดลง และระยะเวลาที่มากเกินไปในการสลายตัวของพลังงาน Bass Notes

ในห้องโดยทั่วๆไปปัญหาที่จะพบมากที่สุดในห้องส่วนใหญ่จะอยู่ในช่วงความถี่ไม่เกิน 100Hz ซึ่ง Room mode จะมีค่าความถี่ห่างกันมากและมีประสิทธิภาพมาก จากประสบการณ์ที่ผ่านมาพบว่าห้องจำนวนมากความแปรปรวนสูงสุดอาจสูงถึง 15dB + เกือบจะเป็นเรื่องปกติและบ่อยมาก

Room Mode Cancellation

ประโยชน์ของการที่เราใช้ซับวูฟเฟอร์หลายตัวในห้องคือความสามารถที่จะช่วยแก้ปัญหา Mode cancelling และช่วยให้ได้เสียงเบสที่นุ่มนวลขึ้น

คราวนี้เรามาดูว่า Mode cancellation ทำงานอย่างไร เพื่อช่วยให้ทำความเข้าใจได้ง่ายขึ้นและลดความซับซ้อนของสิ่งต่างๆเราจะพิจารณาค่าความถี่เพียงตัวอย่างเดียว การใช้ Subwoofer ในการช่วยลดผลกระทบของ 1st Axial length mode รูปภาพด้านล่างแสดงระดับความดันเสียง Sine waveที่ความถี่ 28.5Hz จะแตกต่างกันไปตามระยะห่างระหว่างผนังด้านหน้าและด้านหลังของห้องยาว 20 ฟุตของเรา

เมื่อดูจากรูปภาพคุณจะเห็นว่า SPL มีค่าสูงสุดบริเวณใกล้ผนังและต่ำสุดในศูนย์กลางของห้อง จุดต่ำสุดเรียกว่า "null‟ คุณจะเห็นพื้นที่ทางด้านซ้ายของค่า Null ทำเครื่องหมายด้วยเครื่องหมาย '+' และพื้นที่ทางด้านขวาด้วยเครื่องหมาย '-' ความดันในแต่ละด้านจะมีขั้วตรงข้าม - ความดันด้านหนึ่งเพิ่มขึ้นและลดลงในอีกด้านหนึ่ง

ผลกระทบของซับวูฟเฟอร์ต่อระดับของRoom mode จะขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่คุณวาง Subwoofer ถ้าคุณวางไว้ตรงกลางห้อง (null) จะมีการเสริมเชื่อมต่อพลังงานน้อยที่สุดระหว่าง Subwoofer และ Standing wave ซึ่ง Room mode สามารถสลายได้หรือขับเคลื่อนหักล้างกัน หาก Subwoofer 2ตัวป้อนสัญญาณเดียวกันวางอยู่ในขั้วที่แตกต่างกัน ซึ่งระบบสเตอริโอจำนวนมากในชุดฟังเพลงในห้องของเรา หลายๆครั้งจะมีการเกิด Room mode cancellation เนื่องจากลำโพงด้านซ้ายและด้านขวาอยู่ในขั้วที่แตกต่างกัน(Different Polarity) สำหรับ 1st axial width mode

ตัวอย่างที่เราให้ไว้ข้างต้นนั้นจะเป็นข้อมูลเพียงเบื้องต้น ที่แสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของการใช้ Subwoofer หลายตัวในการแก้ปัญหา Room Mode มีนักวิจัยหลายคนเช่น Todd Welti และ Allan Devantier จาก Harman International และ Earl Geddes of GedLee ที่ได้ทำการศึกษาหาจำนวน Subwoofer กี่ตัวที่ควรใช้และตำแหน่งการวาง Subwoofer เหล่านั้นว่าควรจะวางไว้มี่ตำแหน่งไหน เพื่อแก้ปัญหา Room mode cancellation ได้ดีที่สุด ซึ่งจากบทสรุปของการวิจัยดังกล่าวระบุว่า จำนวน Subwoofer ที่ส่งผลดีที่สุดในระบบคือจำนวน 3-4 ตัว อีกทั้งงานของ Welti และ Devantier ได้ศึกษาวิธีลดความแปรปรวนตำแหน่งนั่งฟังหลายๆจุดในห้องนั้น. ในขณะที่งานของ Geddes มุ่งเน้นไปที่ตำแหน่งนั่งฟังหลักเพียงจุดเดียวที่นั่งเดี่ยวเป็นหลัก และข้อสรุปของการทำการทดสอบวิจัยมีดังนี้

- Single listening position: one or preferably two subs

- Single row of seats: minimum two subs, preferably three or four

- Multiple rows of seats: minimum four subs, potentially six or more

ปล: สำหรับผู้ที่ต้องการศึกษาเพิ่มเติมแนะนำหนังสือเล่มนี้ครับ "Master Handbook of Acoustics": https://amzn.to/3i71CWI