ก่อนอื่นคงต้องขอขอบคุณผู้เขียน GARY DAVIS & RALPH JONES ซึ่งได้เขียนหนังสือเล่มนี้ขึ้นมา และทาง YAMAHA ยักษ์ใหญ่ในวงการระบบเสียง ซึ่งเป็นผู้สนับสนุนการเขียนหนังสือเล่มนี้ หนังสือเล่มนี้ได้รับความนิยม และแพร่หลายไปทั่วโลก โดยได้ถูกใช้เป็นหนังสืออ้างอิงในหลักสูตรการเรียน การสอน สำหรับ Sound Engineer ในเกือบทุกสถาบัน20
หนังสือเล่มนี้ ราคาขายใน Amazon.com อยู่ที่ราคา USD21.02 ซึ่งถือว่าไม่แพงเลย สำหรับหนังสือวิชาการซึ่งมีความหนาถึง 431 หน้า และเหมาะเป็นหนังสือคู่มือสำหรับผู้ที่กำลังศึกษาในเรื่องศาสตร์ของเสียง โดยเฉพาะสมาชิกในเวปบอร์ดแห่งนี้ที่ส่วนใหญ่ต้องคลุกคลีอยู่กับการทำงานด้านเสียงอยู่ตลอดเวลา เพื่อเสริมสร้างความเข้าใจที่ถูกต้อง และนำมาประยุกต์ใช้กับงานที่ทุกท่านกำลังทำอยู่ผู้เขียนคงต้องขอออกตัวก่อนว่า ผู้เขียนไม่ได้มีดีกรีอะไรทางด้าน Sound Engineer หรือแม้แต่ดีกรี Engineer ในทุก ๆ ด้าน เป็นเพียงผู้ที่มีความสนใจในเรื่องศาสตร์ของเสียงคนหนึ่งเท่านั้น ดังนั้นหากมีข้อความใด ๆ ที่เขียนไปโดยความเข้าใจผิดจากการแปลภาษาแบบ งู ๆ ปลา ๆ ของผู้เขียน ก็คงต้องขออภัยล่วงหน้ามาก่อน ณ. ที่นี้ และหวังว่าผู้ที่มีความรู้ ความสามารถ ที่บังเอิญได้เข้ามาอ่านจะได้ช่วยให้คำแนะนำ และชี้แนะแนวทางที่ถูกต้องเพื่อเป็นวิทยาทานแก่สมาชิกทุก ๆ ท่านในเวปบอร์ดแห่งนี้ด้วย
หนังสือเล่มนี้แบ่งเนื้อหาออกเป็นตอน ๆ ทั้งหมดมี 20 ตอน และในแต่ละตอนยังแบ่งย่อยออกไปอีกหลายหมวดหมู่ ดังนั้นบทความเรื่องน่ารู้ที่ผมจะเขียนต่อไปนี้ จะเรียงไปตามลำดับตอนของหนังสือเพื่อให้ไม่เกิดความสับสนในภายหลัง
เรื่องน่ารู้ตอนที่ 1 ระบบเสียงคืออะไร ?
1.1 สัญญาณเสียง (Audio Signal)
1.1.1 คลื่นเสียง (Sound Wave)
เสียงเป็นพลังงานชนิดหนึ่งซึ่งเกิดจากการสั่นของวัตถุ โดยเสียงที่หูของมนุษย์มีความสามารถในการรับรู้และได้ยินนั้นจะมีความถี่ในการสั่นอยู่ในช่วงระหว่าง 20 ครั้ง ถึง 20000 ครั้งต่อวินาที (20Hz ~ 20000Hz)
เราจะมาทำความเข้าใจในเรื่องความถี่ของเสียงจากภาพประกอบที่ 1 กัน
องค์ประกอบในภาพแสดงอะไรบ้าง
- เสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุซึ่งการสั่นจะต้องมีการกระทำให้เคลื่อนที่ขึ้นและลง (PRESSURE)
- เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ขึ้นและลง 1 ครั้ง ก็จะได้คลื่นเสียง 1 ลูกคลื่น (CYCLE)
- ความแรงในการเคลื่อนที่ขึ้นและลง (AMPLITUDE)
- เวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่ขึ้นและลงจนเสร็จสมบูรณ์ 1 ครั้ง (TIME หรือ PERIOD)
- ระยะทางในการเคลื่อนที่ไปในอากาศของเสียง ซึ่งก็คือ ความยาวคลื่นนั่นเอง (DISTANCE หรือ WAVELENGTH)
ความถี่ของคลื่นเสียง (Frequency) เรานับจากจำนวนลูกคลื่น (CYCLE) ที่เกิดขึ้นในระยะเวลา 1 วินาที โดยมีหน่วยเป็น Hz หรือ CPS (CYCLE PER SECOND) ดังนั้น Period จึงเท่ากับ 1 / Frequency
และด้วยคลื่นเสียงสามารถเคลื่อนที่ไปในอากาศที่ระดับน้ำทะเล (อุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียส) ด้วยความเร็ว 1130 ฟุต/วินาที หรือ 344 เมตร/วินาที ดังนั้นเราจึงสามารถหาค่าความยาวคลื่นได้จากสมการ
Wavelenght = Speed of sound / Frequency
อาทิเช่น คลื่นเสียง 50Hz จะมีความยาวคลื่น = 1130/50 = 22.6ฟุต หรือเท่ากับ 344/50 = 6.88เมตร นั่นเอง
1.1.2 สัญญาณทางไฟฟ้าของเสียง (The Electrical Representation of Sound)
เราสามารถแปลงคลื่นเสียง (Sound Wave) ให้เป็นสัญญาณทางไฟฟ้าได้ด้วยอุปกรณ์ทางเสียงอาทิเช่น ไมโครโฟน ซึ่งจะเรียกสัญญาณทางไฟฟ้าที่ได้ว่า สัญญาณเสียง (Audio Signal) เราจะมาพิจาณาส่วนต่าง ๆ ของสัญญาณเสียงกันจากรูปประกอบที่ 2
จากรูปเป็นสัญญาณทางไฟฟ้า (Audio Signal) ที่ได้จากคลื่นเสียง 1 ลูกคลื่น (1 CYCLE) ซึ่งมีองค์ประกอบเป็นศัพท์ทางเทคนิคดังนี้
- Voltage, Current or SPL คือ ความแรงของสัญญาณเสียง มีหน่วยเป็น Decible (dB)
- Time คือเวลาเริ่มต้นของสัญญาณเสียง แทนด้วยสัญลักษณ์ To
- Cycle คือลูกคลื่นของสัญญาณเสียง (sine wave) ซึ่งจะมีรูปร่างเหมือนคลื่นเสียง (sound wave)
- Phase คือการแบ่งสัญญาณเสียงออกเป็นระยะองศา โดยเริ่มจาก 0 องศา แล้วมาจบที่ 360 องศา
1.1.3 ระยะองศาของสัญญาณ (Phase)
ระยะองศาของสัญญาณเสียงมีผลต่อระบบเสียงโดยรวม ทั้งนี้เมื่อสัญญาณเสียงถูกส่งผ่านเข้าอุปกรณ์ทางเสียงต่าง ๆ อาทิเช่น มิกเซอร์, เพาวเวอร์แอมป์ หรือ อุปกรณ์โปรเซสเซอร์ต่าง ๆ ระยะองศาของสัญญาณเสียงที่ออกจากอุปกรณ์เหล่านั้น จะยังมีระยะองศา (Phase) ที่ถูกต้องเหมือนกับระยะองศา (Phase) ของสัญญาณเสียงขาเข้า หรือไม่ ? เราจะมาพิจารณาจากรูปประกอบที่ 1.3 กัน
(a) เป็นรูป sine wave ขาเข้าของอุปกรณ์ทางเสียงต่าง ๆ ซึ่งจะใช้เป็นตัวสัญญาณอ้างอิง (reference signal) โดยใช้คาบเวลาเริ่มต้นของสัญญาณขาเข้าเป็นจุดอ้างอิง
(b) เป็นรูป sine wave ขาออกของอุปกรณ์ทางเสียง ซึ่งจะเห็นได้ว่า ระยะองศา (Phase) เหมือนกับขาเข้าทุกประการ (In Phase)
(c) เป็นรูป sine wave ขาออกของอุปกรณ์ทางเสียง ซึ่งจะเห็นได้ว่า ระยะองศา (Phase) เลื่อนออกไป (Phase shift or Out of Phase) 90 องศา
(d) เป็นรูป sine wave ขาออกของอุปกรณ์ทางเสียง ซึ่งจะเห็นได้ว่า ระยะองศา (Phase) เลื่อนออกไป (Phase shift or Out of Phase) 180 องศา
1.2 ประโยชน์เบื้องต้นที่ได้จากการทำระบบเสียง (The Basic Purpose of a Sound System)
เรามาดูประโยชน์เบี้องต้นและเหตุผลหลัก 3 เหตุผล ของการทำระบบเสียง (Live Sound reinforcement System)
1. เพื่อช่วยให้สามารถรับฟังเสียงต่าง ๆ ได้ ดีขึ้น คิดง่าย ๆ หากว่าท่านยืนพูดอยู่บนเวที ท่านจะพูดอย่างไรให้คนที่มาฟังได้ยินกันทั่ว ซึ่งระบบเสียงจะมาช่วยท่านได้ในเรื่องนี้เป็นต้น
2. เพื่อช่วยเพิ่มความดังของเสียงโดยเฉพาะการแสดงดนตรีของศิลปิน ให้มีความดังมากขึ้นกว่าเสียงจากเครื่องดนตรีเพียว ๆ ทำให้การแสดงมีความน่าสนใจและดูยิ่งใหญ่ชวนติดตาม
3. เพื่อช่วยในการได้ยินจากต่างสถานที่ ระบบเสียงสามารถทำให้ขีดจำกัดในการได้ยินจากสถานที่อื่นที่ไม่ใช่แหล่งกำเนิดเสียงสามารถได้ยินไปด้วยพร้อม ๆ กัน
นอกจากนั้นยังมีระบบเสียงที่ถูกออกแบบมาสำหรับการอื่น ๆ อาทิเช่น ระบบเสียงสำหรับการบันทึกเสียง (Studio Sound reinfocement System) ซึ่งระบบก็จะคล้าย ๆ กัน จะมีข้อแตกต่างกันอยู่บ้างในบางประเด็น
1.3 แนวความคิดในการออกแบบระบบเสียง (Conceptual Model of a Sound System)
เราจะมาดูรูปประกอบที่ 1.5 ซึ่งเป็นแนวความคิดในการออกแบบระบบเสียงแบบพื้นฐาน โดยมีอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์ในการเปลี่ยนคลื่นเสียง ให้เป็นสัญญาณเสียง หรือ เปลี่ยนจากสัญญาณเสียงกลับไปเป็นคลื่นเสียง ซึ่งต่อไปนี้จะเรียกกว่า Transducer และอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ต่าง ๆ เกี่ยวกับสัญญาณเสียงอาทิเช่น การรวมสัญญาณ, การปรับแต่งสัญญาณ, การขยายสัญญาณ เป็นต้น ซึ่งต่อไปนี้จะเรียกว่า Signal Precessing
ระบบเสียงแบบพื้นฐานจะเป็นไปตามลำดับขั้นตอนง่าย ๆ ทั้งหมด 5 ขั้นตอนดังนี้
- (1) แหล่งกำเนินคลื่นเสียง
- (2) คลื่นเสียงถูกเปลี่ยนให้เป็นสัญญาณเสียงด้วยอุปกรณ์ Input Transducer เช่น ไมโครโฟน
- (3) จากนั้นก็จะไปทำการรวมสัญญาณ, ปรับแต่งสัญญาณ, ขยายสัญญาณให้แรงขึ้น ฯลฯ ด้วยอุปกรณ์ Signal Precessing เช่น มิกเซอร์, ปรีแอมป์, พาวเวอร์แอมป์ ฯลฯ
- (4) แล้วทำการเปลี่ยนสัญญาณเสียงที่ถูกปรับแต่งแล้วให้กลับมาเป็นคลื่นเสียงด้วยอุปกรณ์ Output Transducer เช่น ลำโพง
- (5) ทำการกระจายคลื่นเสียงสู่ผู้ฟัง
1.4 อุปกรณ์ที่ใช้แปลงคลื่นเสียงไปเป็นสัญญาณเสียง (Input Transducers)
อุปกรณ์สำหรับการแปลงคลื่นเสียงไปเป็นสัญญาณเสียง ที่นิยมใช้กันในระบบเสียงโดยทั่วไปนั้นมีอะไรบ้าง
- ไมโครโฟนที่ทำงานด้วยแรงสั่นสะเทือนของอากาศ อาทิเช่น ไมค์ที่ใช้สำหรับการพูด หรือ ร้องเพลง
- คอนแทคสำหรับติดตั้งในเครื่องดนตรี ทั้งแบบสาย เช่น กีตาร์ หรือแบบตี เช่น กลอง เป็นต้น
- เครื่องเล่นเทป
- เครื่องเล่นแผ่นเสียง
- เครื่องเล่นเลเซอร์ดิสก์, ซีดี, ดีวีดี ฯลฯ
- เครื่องฉายภาพยนต์แบบซาวด์แทร็ก
- อื่น ๆ
ท่านจะต้องศึกษาถึงคุณลักษณะและวิธีการใช้งานของอุปกรณ์ข้างต้นในแต่ละชนิดด้วยตัวของท่านเอง เพื่อให้สามารถใช้งานได้ถูกต้องและได้ประสิทธิภาพอย่างเต็มที่ จะมีเพียงแค่เรื่องไมโครโฟนเท่านั้นที่จะกล่าวถึงรายละเอียดและวิธีการใช้งานอีกครั้งในตอนที่ 10
1.5 อุปกรณ์ที่ใช้แปลงสัญญาณเสียงไปเป็นคลื่นเสียง (Output Transducers)
อุปกรณ์ที่ใช้แปลงสัญญาณเสียงไปเป็นคลื่นเสียงที่พบเห็นและนิยมใช้กันทั่วไปเป็นหลักในระบบเสียงคือ ลำโพง ซึ่งพอจะแบ่งออกตามความถี่และจุดประสงค์ในการใช้งานได้ 8 ประเภทดังนี้
1.) ลำโพงเสียงกลางต่ำ (Woofer loudspeaker) ถูกออกแบบมาสำหรับเสียงกลางต่ำที่ ความถี่ต่ำกว่า 500Hz แต่บางแบบอาจจะสามารถตอบสนองได้ถึงเสียงกลาง ที่ความถี่ไม่เกิน 1.5KHz ซึ่งส่วนมากจะมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางตั้งแต่ 8 นิ้วไปจนถึง 18 นิ้ว
2.) ลำโพงเสียงกลาง (Midrange loudspeaker) ถูกออกแบบมาเฉพาะเสียงกลางโดยตรงซึ่งความถี่ในการใช้งานจะอยู่ระหว่าง 500Hz ขึ้นไป สูงสุดไม่เกิน 6kHz ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของลำโพงชนิดนี้จะอยู่ระหว่าง 5 นิ้ว ถึง 12 นิ้ว โดยหากเป็นลำโพงชนิดคอมเพรสชั่น หรือที่เราเรียกกันจนติดปากว่ายูนิตแหลม (compression driver) มักจะมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของไดอะแฟรมหรือที่เราเรียกกันว่า ว้อยส์คอยล์ ตั้งแต่ 2.5 นิ้วขึ้นไป จนถึง 4 นิ้ว โดยประมาณ แต่ก็มียูนิตแบบพิเศษที่พบเห็นอยู่บ้างซึ่งมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางโตถึง 9 นิ้ว
3.) ลำโพงเสียงกลางแหลม (Tweeter loudspeaker) ถูกออกแบบมาสำหรับความถี่ตั้งแต่ 1.5kHz ขึ้นไป ซึ่งหากเป็นลำโพงแบบกรวยกระดาษมักจะมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางจาก 2 นิ้วไปจนถึง 5 นิ้ว แต่ถ้าเป็นลำโพงชนิดคอมเพรสชั่น มักจะมีเส้นผ่าศูนย์กลางของไดอะแฟรมตั้งแต่ 1.5 นิ้ว ไปจนถึง 4 นิ้วโดยประมาณ
4.) ลำโพงแบบตลอดย่าน (Full-range loudspeaker) ออกแบบมาให้สามารถตอบสนองความถี่ได้ตั้งแต่เสียงแหลมลงมาจนถึงเสียงกลางในลำโพงดอกเดียวกัน และในบางครั้งยังสามารถลงได้ลึกถึงความถี่ 60Hz หรือต่ำกว่าซึ่งเป็นย่านโลว์ เหมาะสำหรับระบบเสียงที่ต้องการใช้ตู้ลำโพงเพียงแค่ใบเดียวในระบบ แต่สามารถตอบสนองความถี่ได้เกือบตลอดย่าน
หมายเหตุ ลำโพงตลอดย่านในดอกเดียว จะแตกต่างจากลำโพงตลอดย่านแบบโคแอกเชี่ยล (Coaxial loudspeaker) ซึ่งผนวกยูนิตแหลมเข้ากับลำโพงเสียงกลาง
5.) ลำโพงเสียงต่ำ (Subwoofer loudspeaker) ถูกออกแบบมาสำหรับเสียงย่านต่ำ จนถึงต่ำมาก ซึ่งสามารถตอบสนองความถี่ได้ตั้งแต่ 20Hz ขึ้นมาจนถึงประมาณ 300Hz ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของลำโพงส่วนใหญ่จะอยู่ระหว่าง 15 นิ้วไปจนถึง 24 นิ้วโดยประมาณ และเช่นกันสำหรับขนาดใหญ่พิเศษเคยมีเส้นผ่าศูนย์กลางโตถึง 60 นิ้ว
6.) ลำโพงเสียงสูง (Supertweeter loudspeakers) ออกแบบมาเพื่อการใช้งานในย่านเสียงสูง ตั้งแต่ 10kHz ขึ้นไป มีทั้งชนิดแบบคอมเพรสชั่นยูนิต และแบบ เปียโซ่ (piezoelectric driver) ลำโพงชนิดนี้ต้องใช้เทคโนโลยี่ในการผลิตค่อนข้างสูง และมักถูกปกปิดเป็นความลับ
7.) ลำโพงสำหรับมอนิเตอร์ (Monitor loudspeakers) เป็นลำโพงที่ถูกใช้งานสำหรับผู้แสดงบนเวทีเป็นหลัก และยังใช้เป็นช่องทางสำหรับการสื่อสารระหว่างผู้แสดงบนเวทีกับซาวด์เอ็นจิเนียได้ด้วย และสำหรับงานบันทึกเสียงในสตูดิโอ ลำโพงชนิดนี้ก็มีบทบาทสำคัญในการตรวจสอบเสียงที่กำลังบันทึกอยู่ จึงต้องเป็นลำโพงที่สามารถตอบสนองต่อความถี่เสียงได้ดียิ่งแทบจะตลอดย่านความถี่
8.) หูฟัง (Headphones) เป็นลำโพงอีกชนิดหนึ่งที่ออกแบบมาให้มีขนาดเล็กสำหรับสอดเข้าไปในช่องหู บางแบบก็ถูกออกแบบมาให้มีความสามารถในการตัดเสียงรบกวนที่ไม่ต้องการจากภายนอกได้ด้วย จึงถูกใช้งานอย่างกว้างขวางในระบบเสียงสำหรับซาวด์เอ็นจิเนียในการตรวจสอบเสียงจากมิกเซอร์คอนโซล ที่กำลังควบคุมการแสดง หรือ การบันทึกเสียง และยังนิยมนำไปทำหน้าที่แทนลำโพงมอนิเตอร์สำหรับนักแสดงบนเวทีอีกด้วย
1.6 ภาคปฎิบัติกับระบบเสียงจริง (A Practical Model of a Sound System)
หลังจากที่ได้ทราบในเบื้องต้นกันแล้วว่าระบบเสียงนั้นมีองค์ประกอบอะไรบ้างในทางทฤษฎี ? ต่อไปนี้เราจะมาลองออกแบบระบบเสียงกับอุปกรณ์จริงกันบ้าง โดยสมมุติว่าเป็นระบบเสียงสำหรับการประชุมหรือสัมนา และมีพิธีกรที่จะต้องใช้ไมโครโฟน จำนวน 3 ตัวในระบบเสียง
มาดูรูปประกอบที่ 1.6 กัน เป็นระบบเสียงพื้นฐานแบบง่าย ๆ โดยมีองค์ประกอบ 3 ส่วนดังนี้
1.) Input Transducers เป็นไมโครโฟน จำนวน 3 ตัวเพื่อแปลงเสียงพูดให้เป็นสัญญาณเสียงส่งผ่านทางสายนำสัญญาณจำนวน 3 เส้นไปยังขั้นตอนที่ 2
2.) Signal Processing สายนำสัญญาณจากไมค์ จะถูกต่อเข้ากับช่องอินพุทของมิกเซอร์คอนโซลแยกกัน 3 อินพุท (ชาแนล) โดยที่ตัวมิกเซอร์ จะทำหน้าที่ในการปรับแต่งสัญญาณที่ได้รับมาดังนี้
- Preamplification คือ ทำการขยายสัญญาณ (เบื้องต้น) ในแต่ละชาแนลให้แรงขึ้นจนอยู่ในระดับที่เหมาะสม ซึ่งระดับสัญญาณที่เหมาะสมจะได้กล่าวในโอกาสต่อไป
- Equalization คือ ทำการปรับโทนของสัญญาณเสียงในแต่ละชาแนลให้น่าฟัง โดยในเบื้องต้นซาวด์เอ็นจิเนียสามารถรับฟังโทนเสียงของสัญญาณเสียงแต่ละชาแนลผ่านทางช่องเอ้าท์พุทของมิกเซอร์ที่เป็นช่อง หูฟัง (Headphone)
- Mixing คือ ทำการรวมสัญญาณที่ปรับแต่งแล้วจาก 2 ขั้นตอนแรกเข้าด้วยกันเป็นสัญญาณเดียวส่งออกทาง main output ของมิกเซอร์ไปเข้า เพาวเวอร์แอมป์ โดยมีความแรงของสัญญาณอยู่ระหว่าง 0.1 ถึง 100มิลลิวัตต์
ต่อจากนั้นเพาวเวอร์แอมป์จะทำการขยายสัญญาณที่ได้รับจากมิกเซอร์ให้แรงขึ้นจนสามารถที่จะไปแปลงเป็นคลื่นเสียงในขั้นตอนที่ 3 ด้วยลำโพง ซึ่งระดับความแรงของสัญญาณเสียงจะอยู่ในช่วง 0.5 ถึง 500วัตต โดยประมาณ ขึ้นอยู่กับความเหมาะสมของระบบและสภาพแวดล้อมของสถานที่
3.) Output Transducer ซึ่งก็คือลำโพงจะทำหน้าแปลงสัญญาณเสียงกลับมาเป็นคลื่นเสียงเพื่อกระจายเสียงสู่ผู้ฟัง ซึ่งแน่นอนว่าระดับความดังของเสียงนั้นย่อมดังกว่าเสียงของพิธีกรที่พูดโดยไม่มีระบบเสียงเข้ามาช่วย แต่มีอีกสิ่งหนึ่งที่มีความสำคัญไม่น้อยไปกว่าระบบเสียงและเรามักจะมองข้ามไปนั่นคือเรื่องของสภาพแวดล้อมของสถานที่นั่นเอง ซึ่งหากเราทำระบบเสียงในห้องหรือในฮอลล์ สภาพแวดล้อมของห้องจะมีผลอย่างมากต่อคุณภาพเสียงที่ได้เนื่องจากจะเกิดเสียงสะท้อนกลับ (reverberant) ไม่มากก็น้อย ดังนั้นการทำระบบเสียงที่ดีจึงต้องคำนึงถึงเรื่องของสภาพแวดล้อมของสถานที่เป็นองค์ประกอบสำคัญในอีกทางหนึ่งด้วยซึ่งจะเราจะพูดถึงรายละเอียดนี้ในตอนที่ 5 และ 6 อีกครั้งหนึ่ง
** โปรดพึงระลึกไว้เสมอว่าระบบเสียงไม่ว่าจะใหญ่ขนาดไหนก็จะประกอบด้วยระบบเสียงพื้นฐาน 3 ขั้นตอนนี้เสมอ โดยที่ระบบเสียงที่ใหญ่ขึ้นก็จะมีส่วนต่อขยายที่เพิ่มมากขึ้นเท่านั้นเอง
ก่อนที่ไปต่อกันในตอนที่ 2 อยากขอสำรวจความคิดเห็นผู้อ่านว่าบทความในตอนที่ 1 อ่านแล้วเป็นเช่นไร ? เพื่อจะได้ปรับปรุงแก้ไขให้ดีขึ้นสำหรับตอนต่อ ๆ ไปครับ ช่วยกันแสดงความคิดเห็นได้ที่กระทู้ตามลิงค์ด้านล่างนะครับ
http://www.musiclover.in.th/webboard/index.php?topic=157.0
เรื่องน่ารู้ตอนที่ 2 การตอบสนองความถี่เสียง (Frequency Respond)
อุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ใช้งานในระบบเสียง มักจะมีการแจ้งข้อมูลเกี่ยวกับความสามารถในการตอบสนองความถี่เสียง (Frequency Respond) ของตัวอุปกรณ์นั้น ๆ มาด้วย เพื่อใช้ในการพิจารณาว่ามีความเหมาะสมที่จะใช้งานตรงไหน ? อย่างไร ? ให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุด ในตอนที่ 2 นี้เราจะมาทำความเข้าใจเกี่ยวกับการตอบสนองความถี่เสียงกัน ว่าคืออะไร และ เราจะได้ประโยชน์อะไรจากข้อมูลตัวนี้ในการทำงาน
2.1 อะไรคือการตอบสนองความถี่เสียง ?
การตอบสนองความถี่เสียงของอุปกรณ์ต่าง ๆ ในระบบเสียงนั้น เป็นข้อมูลที่เกิดขึ้นจากการเปรียบเทียบสัญญาณเสียงขา กับสัญญาณเสียงขาออก ที่ถูกส่งผ่านตัวอุปกรณ์นั้น ๆ ว่าเกิดความแตกต่างทางกันในเรื่องของความถี่สัญญาณ (frequency) ตลอดจน ระดับความแรงของสัญญาณ (amplitude) เช่นไรบ้าง ? แต่ข้อมูลที่สำคัญและนิยมใช้ในการพิจารณาความสามารถของตัวอุปกรณ์คือ ความสามารถในการส่งผ่าน ความถี่สัญญาณ (Frequency Transfer)
ในรูปประกอบที่ 2.1 เป็นวิธีการเปรียบเทียบสัญญาณเสียงขาเข้า กับ สัญญาณเสียงขาออกของตัวอุปกรณ์ชนิดหนึ่ง สมมุติว่าคือเจ้า Black Box ในรูป โดยมีเครื่องกำเนิดสัญญาณ (sine wave generator) เป็นตัวป้อนสัญญาณเสียงขาเข้าให้กับตัวอุปกรณ์ และใช้เครื่องวัดความแรงสัญญาณ (level indicator) ต่อเข้ากับทางออกของสัญญาณเสียงจากตัวอุปกรณ์ โดยที่เราจะป้อนสัญญาณที่ละความถี่ เริ่มจากความถี่ 20Hz จากเครื่องกำเนิดสัญญาณ ส่งผ่านเจ้าอุปกรณ์ที่ใช้ทดสอบ แล้ววัดค่าความแรงของสัญญาณขาออกที่ได้ในแต่ละความถี่ จนถึงความถี่ 20kHz แล้วนำตัวเลขที่ได้มาทำกราฟเพื่อแสดงผล
รูปประกอบที่ 2.2 เป็นเส้นกราฟที่สมมุติขึ้นว่าเป็นตัวเลขที่วัดได้จากเจ้า Black Box โดยมีแกนแนวตั้งเป็นระดับความแรงของสัญญาณ และ แกนแนวนอนเป็นค่าความถี่ ที่ใช้วัด ซึ่งหากว่าเราพิจารณาจากตัวอย่างเส้นกราฟที่วัดได้ ก็จะเห็นได้ว่าเจ้าอุปกรณ์สมมุติ (Black Box) ตัวนี้สามารถตอบสนองความถี่ (Frequency Respond) ได้ไม่ค่อยดีจากย่านความถี่ 20Hz ถึง 200Hz แต่ตอบสนองได้ดีตั้งแต่ย่านความถี่ 300Hz ขึ้นไปจนถึงประมาณ 3kHz และตอบสนองได้ดีมากช่วงความถี่ 3kHz จนถึงประมาณ 16kHz
** การตอบสนองความถี่ (Frequency Respond) จะใช้แสดงสำหรับอุปกรณ์ในกลุ่ม Signal Processing และ กลุ่ม Transducer เท่านั้น
2.1.1 ข้อมูลพื้นฐานที่แสดงการตอบสนองความถี่เสียง (Basic specification Methods)
ข้อมูลที่มักจะใช้ในแสดงการตอบสนองความถี่เสียงของอุปกรณ์ต่าง ๆ มักจะเขียนกันในลักษณะนี้
FREQUENCY RESPONSE: xx Hz to xx kHz, +/- x dB
โดยที่ xx Hz to xx kHz จะเป็นย่านความถี่ที่สามารถตอบสนองได้ดี โดยมีค่า +/- x dB เป็นค่าความเบี่ยงเบน (torelance) ของความแรงสัญญาณ (amplitude)
มาลองดูตัวอย่างนี้กันครับ
FREQUENCY RESPONSE: 30 Hz to 18 kHz, +/- 3 dB
นั่นหมายความว่าเจ้าอุปกรณ์ที่แสดงข้อมูลข้างบน สามารถตอบสนองความถี่ได้ดีในย่านความถี่ ตั้งแต่ 30Hz ไปจนถึง 18kHz โดยมีความเบี่ยงเบนของความแรงสัญญาณในย่านดังกล่าวแตกต่างกัน +/- ไม่เกิน 3dB
หรืออาจจะแสดงในรูปแบบของกราฟเส้นความถี่ ดังรูปประกอบที่ 2.3 ซึ่งหากเราพิจารณาจากกราฟเส้นความถี่จะเห็นได้ว่าในแต่ละความถี่มีความแรงสัญญาณของสัญญาณไม่เท่ากัน โดยที่ย่านความถี่ตั้งแต่ 30Hz ~ 18kHz บางความถี่มีระดับความแรงสัญญาณสูงสุด (max.) อยู่เหนือกว่าระดับความแรงสัญญาณเฉลี่ยประมาณ + 3dB และความถี่ที่มีระดับความแรงต่ำสุด (min.) ก็จะอยู่ต่ำกว่าประมาณ - 3dB
ปกติค่า torelance สำหรับแสดงข้อมูล Frequency Respond มักจะใช้ค่า +/- 3dB เป็นมาตรฐานในการแสดง ซึ่งหากไม่ได้เขียนกำกับไว้ ก็ให้ยึดถือว่ามีค่า torelance +/- 3dB เป็นเกณฑ์
อยากให้ลองพิจารณากราฟเส้นความถี่ของรูปประกอบที่ 2.2 แล้วลองเขียนข้อมูลการตอบสนองความถี่ว่าจะได้เป็นเช่นไร ? ซึ่งผู้เขียนเองจะเขียนออกมาได้ว่า Frequency Respond : 150Hz ~ 15kHz, +/- 5dB โดยประมาณ
อุปกรณ์ในกลุ่ม Signal Processing บางอย่างตอบสนองความถี่ได้ดีมาก ๆ อาทิเช่น พวกปรีแอมป์ หรือ เพาวเวอร์แอมป์ ที่ออกแบบมาเป็นอย่างดี สามารถตอบสนองความถี่ได้อย่างราบเรียบเกือบตลอดย่านความถี่เสียง 20Hz ~ 20kHz หรือที่เรา ๆ เรียกกันติดปากว่าความถี่แฟลท (Flat) เรามาดูรูปประกอบที่ 2.4 กัน
ซึ่งหากเราใช้ค่าเบี่ยงเบน +/- 3dB เป็นเกณฑ์ ในการแสดงค่าตอบสนองความถี่ ดังนั้นในรูปที่ 2.4 เราสามารถเขียนได้ว่า
Frequency Respond : 20Hz to 30kHz, +0 / -3dB
ปกติการแสดงค่าตอบสนองความถี่เรามักจะเขียนเพียงแค่ในช่วงความถี่ที่หูมนุษย์สามารถได้ยินได้นั่นคือ 20Hz to 20kHz เท่านั้น ไม่ว่าอุปกรณ์นั้น ๆ จะสามารถตอบสนองได้กว้างกว่าก็ตาม ดังนั้นในรูปที่ 2.4 จึงจะแสดงเพียงว่า
Frequency Respond : 20Hz to 20kHz, +0 / -3dB
ในรูปประกอบที่ 2.5 เป็นค่าการตอบสนองความถี่ที่ดีเยี่ยมและกว้างมาก ๆ ซึ่งหากเขียนตามสเปคจะได้ว่า
Frequency Respond : 10Hz to 40kHz, +0 / -3dB
แต่หากว่าเขียนแบบมาตรฐานตามค่าความถี่ที่มนุษย์สามารถรับฟังได้ก็จะเขียนว่า
Frequency Respond : 20Hz to 20kHz, +0 / -1dB
ในรูปประกอบที่ 2.5 เป็นค่าการตอบสนองความถี่ที่ดีเยี่ยมและกว้างมาก ๆ ซึ่งหากเขียนตามสเปคจะได้ว่า
Frequency Respond : 10Hz to 40kHz, +0 / -3dB
แต่หากว่าเขียนแบบมาตรฐานตามค่าความถี่ที่มนุษย์สามารถรับฟังได้ก็จะเขียนว่า
Frequency Respond : 20Hz to 20kHz, +0 / -1dB
2.1.2 ความสัมพันธ์ของบันไดเสียงกับการวัดค่า (Octave Relationships And Measurements)
อ็อกเทฟ (octave) เป็นตัวเลขความถี่เสียงที่เทียบจากโน้ตดนตรีตัวหนึ่งไปสู่โน้ตตัวหนึ่งในระดับเสียงที่ต่างกัน ซึ่งโน้ตตัวนั้นมีความถี่เป็นครึ่งหนึ่งหรือเป็นสองเท่าจากโน้ตตัวเดิม เรียกว่า 1 อ็อกเทฟ
สมมติให้โน้ตตัวหนึ่งมีความถี่เสียงที่ 400 เฮิรตซ์ (เสียง ลา) โน้ตที่มีอ็อกเทฟเหนือโน้ตนี้จะอยู่ที่ 800 เฮิรตซ์ (เสียง ลา สูง) ซึ่งเป็นสองเท่าของโน้ตเดิม และอ็อกเทฟใต้โน้ตนี้จะอยู่ที่ 200 เฮิรตซ์ (เสียง ลา ต่ำ) ซึ่งเป็นครึ่งหนึ่งของโน้ตเดิม เป็นต้น อัตราส่วนระหว่างความถี่เสียงของโน้ตสองตัวที่ต่างกันหนึ่งอ็อกเทฟคือ 2:1
เมื่อเราต้องการวัดการตอบสนองความถี่เสียง ในย่านที่หูมนุษย์สามารถรับรู้ได้คือ ระหว่าง 20Hz ถึง 20kHz เราจึงใช้หลักการเดียวกันมาแบ่งย่านความถี่ออกเป็นอ็อกเทฟ ๆ ได้จำนวน 10 อ็อกเทฟดังนี้
1) 31.5Hz (15.75Hz ~ 31.5Hz)
2) 63Hz (31.5Hz ~ 63Hz)
3) 125Hz (63Hz ~ 125Hz)
4) 250Hz (125Hz ~ 250Hz)
5) 500Hz (250hz ~ 500Hz)
6) 1kHz (500Hz ~ 1kHz)
7) 2kHz (1kHz ~ 2kHz)
8.) 4kHz (2kHz ~ 4kHz)
9) 8kHz (4kHz ~ 8kHz)
10) 16kHz (8kHz ~ 16kHz)
โดยมีความถี่ที่ระบุเป็นจุดกึ่งกลางของแต่ละอ็อกเทฟ และยังแบ่งย่อยออกเป็น 1/3 อ็อกเทฟดังรูปที่ 2.6 เพื่อความละเอียดในการวัดซึ่งอุปกรณ์ที่เราคุ้นเคยกันดีกับการแบ่งความถี่ออกเป็น 1/3 อ็อกเทฟก็คือ อีควอไลเซอร์ แบบ 31 แบนด์นั่นเอง
ในการวัดการตอบสนองความถี่เราจะใช้เครื่องกำเนิดสัญญาณ (Signal Generator) ทำสัญญาณเสียงตามความถี่ที่เรากำหนดข้างต้นไล่ไปทีละความถี่ โดยอาจจะวัดแบบ 1 อ็อกเทฟ หรือ แบบ 1/3 อ็อกเทฟก็ได้ โดยสัญญาณเสียงที่ทำความถี่ไล่ไปตามอ็อกเทฟที่กำหนดนี้เพื่อใช้ในการวัดการตอบสนองความถี่ เราเรียกว่าสัญญาณ พิงค์น้อยส์ (pink noise) ซึ่งเสียงที่ได้จากจากสัญญาณนี้จะคล้ายกับเสียงไหลของน้ำตก สัญญาณพิงค์น้อยส์ นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายและได้ถูกกำหนดไว้เป็นมาตรฐานสากลเพื่อใช้อ้างอิงเหมือนกันทั่วโลกจากสถาบัน ISO (International Standards Organization)
หากพิจารณากันให้ละเอียด เราจะเห็นได้ว่าในแต่ละ อ็อกเทฟ จะมีความกว้างของย่านความถี่ (Bandwidth)ไม่เท่ากัน โดยอ็อกเทฟที่ความถี่สูงจะมีความกว้างของย่านความถี่ กว้างกว่าอ็อกเทฟที่ความถี่ต่ำกว่า ทำให้การวัดการตอบสนองความถี่โดยมาตรฐานนี้ข้อเกิดข้อผิดพลาดได้ในทางเทคนิค เนื่องจากในบางความถี่ไม่ได้แสดงผลออกมาให้เห็นอย่างชัดเจน ในปัจจุบันเริ่มมีการแบ่งอ็อกเทฟ ย่อยออกไปมากกว่า 1/3 เพื่อการแสดงผลที่ชัดเจนขึ้นโดยอาจจะแบ่งไปถึง 1/12 หรือ 1/24 กันเลยทีเดียว
ทั้งนี้ในการวัดการตอบสนองความถี่ในอุปกรณ์ประเภท Transducer อาทิเช่นลำโพง โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมของห้องทดสอบที่มีการสะท้อนของเสียง ค่าที่วัดได้จะไม่สามารถแสดงออกถึงการตอบสนองความถี่จริงของลำโพงนั้น ๆ ฉะนั้นเราจึงต้องคำนึงถึงเรื่องนี้ในการทดสอบการตอบสนองความถี่ของลำโพงด้วยเป็นสำคัญ
2.2 การตอบสนองความถี่ในระบบเสียง (Frequency Respond of Practical Audio Devices)
ตามที่เราทราบกันมาจากตอนก่อน ๆ ว่าระบบเสียงนั้น เกิดจากขั้นตอนต่าง ๆ อย่างน้อย 5 ขั้นตอนจากแหล่งกำเนิดเสียงไปจนกระทั่งกระจายเสียงไปสู่ผู้ฟัง 3 ใน 5 ขั้นตอนนั้นประกอบด้วยอุปกรณ์ต่าง ๆ ในระบบเสียง ซึ่งอุปกรณ์แต่ละอย่างก็จะมีค่าการตอบสนองความถี่ที่แตกต่างกันไป และอุปกรณ์ที่มีค่าตอบสนองความถี่ที่แฟลท Flat นั้นส่วนใหญ่จะเป็นอุปกรณ์ที่ประกอบจากวงจรอิเล็คทรอนิคส์ และ สายนำสัญญาณต่าง ๆ
2.2.1 อุปกรณ์จำพวกวงจรอิเลคทรอนิคส์ และ สายนำสัญญาณ (Electronic Circuits And Cables)
สายนำสัญญาณ (Cables)
เป็นอุปกรณ์ชนิดหนึ่งในระบบเสียงซึ่งส่วนใหญ่สามารถตอบสนองความถี่ได้ค่อนข้างดีและแฟลทโดยเฉพาะความถี่ที่เราใช้กันอยู่ในระบบเสียง คือ ตั้งแต่ 20Hz ~ 20kHz แต่ทั้งนี้ชนิดของสายนำสัญญาณ ตลอดจนความยาวที่ใช้งาน จะมีผลต่อการตอบสนองความถี่ค่อนข้างมาก
ชนิดของสายนำสัญญาณที่นิยมใช้กันอยู่ในระบบเสียงจะมีอยู่ 2 ชนิด ดูรูปประกอบที่ 2.7
1)แบบแกนนำสัญญาณเดี่ยว (Unbalanced Line - one inner conductor) ฉีดหุ้มด้วยฉนวน (inner insulator)
2)แบบแกนนำสัญญาณคู่ (Balanced Line - two inner conductors) ฉีดหุ้มด้วยฉนวน (inner insulators)
ถักหุ้มอีกชั้นด้วยลวดชีลด์ (braided wire shield) เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวน
สายนำสัญญาณถูกใช้ในการต่อเชื่อมระหว่างอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์ต่าง ๆ ในระบบเสียงเพื่อทำหน้าที่ในการส่งผ่านสัญญาณ โดยที่ความถี่สัญญาณจะถูกส่งผ่านทางแกนนำสัญญาณ และลวดชีลด์จะถูกต่อเข้ากับสายดิน (ground) ของอุปกรณ์จึงทำให้สัญญาณรบกวนต่าง ๆ ที่ถูกดักด้วยลวดชีลด์ถูกกำจัดไปโดยส่งผ่านเข้ากับสายดินของอุปกรณ์ แต่มีสัญญาณรบกวนชนิดหนึ่งที่เกิดจากการสนามแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเรามักเรียกว่า เสียงฮัม (HUM) ไม่สามารถถูกกำจัดได้ด้วยลวดชีลด์ แต่สามารถกำจัดได้ด้วยการใช้สายนำสัญญาณแบบแกนนำสัญญาณคู่ ต่อเข้ากับวงจรอิเล็คทรอนิคส์แบบบาลานซ์ หรือที่เราเรียกกันว่าระบบสายสัญญาณแบบบาลานซ์นั่นเอง ซึ่งวิธีกำจัดสัญญาณรบกวนแบบนี้เรียกว่า คอมมอนโหมดรีเจคชั่น (common mode rejection) ซึ่งจะกล่าวถึงรายละเอียดอีกครั้งในตอนที่ 11.6
นอกจากแบบของสายนำสัญญาณที่มีผลต่อการตอบสนองความถี่แล้วนั้น ในทางเทคนิคยังมีข้อมูลเกี่ยวกับค่า คาปาซิสแตนซ์ (capacitance) ระหว่างแกนนำสัญญาณ (แกนนำเดี่ยว) กับ ลวดชีลด์ หรือ แม้แต่ระหว่างแกนนำสัญญาณด้วยกันเอง (แกนนำคู่) กับลวดชิลด์ ซึ่งเปรียบเสมือน Capacitor ในวงจรอิเล็คทรอนิคส์ เมื่อมาผนวกเข้ากับค่าความต้านทาน (resistance) ที่เกิดขึ้นจากลวดของแกนนำสัญญาณ จึงเปรียบเสมือน วงจรฟิลเตอร์แบบโลว์พาส (R-C lowpass filter) ซึ่งจะทำให้การตอบสนองความถี่ในย่านความถี่สูงถูกลดทอนลงไป ยิ่งความยาวสายนำสัญญาณมากเท่าไหร่ค่าความต้านทานก็จะยิ่งเพิ่มมากขึ้นทำให้การตอบสนองความถี่ยิ่งด้อยลงไปอีก
ในทางกลับกันหากเป็นสายนำสัญญาณบางชนิดแทนที่จะเกิดค่า คาปาซิสแตนซ์ กลับเกิดค่า อินดักแตนซ์ (inductance) ขึ้นแทน ซึ่งเปรียบเสมือนลวด Inductor หรือ L ในวงจรอิเล็คทรอนิคส์ แล้วมาผนวกเข้ากับค่าความต้านทานของลวดแกนนำสัญญาณ ก็จะกลายเป็น วงจรฟิลเตอร์แบบไฮพาส (R-L highpass filter) ซึ่งจะทำให้การตอบสนองความถี่ย่านความถี่ต่ำถูกลดทอนไปแทน
ดังนั้นในการเลือกใช้สายนำสัญญาณจึงต้องพิจารณาชนิดของสายนำสัญญาณและขนาดความยาวให้เหมาะสมกับระบบเสียงของเราด้วยเป็นสำคัญ
อุปกรณ์เสียงแบบวงจรอิเล็คทรอนิคส์ (Electronic Circuits)
เป็นอุปกรณ์ในระบบเสียงที่ใช้วงจรอิเล็คทรอนิคส์ในการทำงาน อาทิเช่น เพาวเวอร์แอมป์, ครอสโอเวอร์ ทั้งแบบ ดิจิตอล และ อนาล็อก และอื่น ๆ เนื่องจากเป็นวงจรอิเล็คทรอนิคส์ จึงถูกออกแบบมาให้ตอบสนองความถี่ได้ดี และค่อนข้างแฟลทตลอดย่านความถี่เสียงที่เราใช้งาน
ในรูปประกอบที่ 2.8 เป็นกราฟแสดงการตอบสนองความถี่ของเพาวเวอร์แอมป์คุณภาพสูงตัวหนึ่งซึ่งจะเห็นได้ว่าสามารถตอบสนองความถี่ได้แฟลทตลอดย่านความถี่เสียง จะมีเพียงความถี่ที่ต่ำหรือเกินจากย่านความถี่เสียงที่จะถูกลดทอน (roll off) สัญญาณลง สังเกตุที่จุด (a) ในรูปประกอบ ความถี่ที่ต่ำกว่า 20Hz (ultra-low) จะถูกวงจร Subsonic filter pole กำจัดทิ้ง เพื่อป้องกันความถี่ดังกล่าวทำความเสียหายให้กับลำโพงเสียงต่ำ และที่จุด (b) ความถี่ที่สูงกว่า 20kHz ก็จะถูกวงจร TIM Filter กำจัดทิ้งเช่นกันเพื่อป้องกันความเสียหายให้กับลำโพงเสียงสูง
การตอบสนองความถี่ได้ดีดังรูปประกอบที่ 2.8 เป็นสิ่งที่คาดหวังได้ในอุปกรณ์เสียงแบบวงจรอิเลคทรอนิคส์ที่ถูกออกแบบมาเป็นอย่างดีแทบทุกชนิด ไม่ว่าจะเป็นวงจรแบบอนาล็อก หรือ ดิจิตอล โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์ประเภทดิจิตอลโปรเซสเซอร์คุณภาพสูง จะมีความสามารถในการลดทอนความถี่ที่จุด (a) และ (b) ได้สูงถึง -150dB / Octave เลยทีเดียว
** โปรดติดตามตอนต่อไปได้ coming soon **
ขอบคุณอาจารย์ แซม ... AUDIO SYSTEM