Line Array?

[Tee]

Line Array?

   ยุคนี้เด๋ียวนี้แล้ว คงมีน้อยคนนักในวงการเครื่องเสียงบ้านเรา ที่ไม่เคยได้สัมผัสกับลำโพงชนิดที่เรียกว่า Line Array จริงไหมครับ? โดยส่วนตัวนั้น ผมได้ยินคำๆนี้มาเป็นเวลานานพอสมควร แต่ยังไม่เคยได้มีโอกาสศึกษาอย่างจริงจัง จนเมื่อได้ลงมือศึกษาแล้ว พบว่าเป็นเรื่องที่น่าสนใจมาก จึงอยากจะเอามาแบ่งปันกัน เนื้อหาที่จะนำเสนอนี้ ผมไม่ได้เป็นผู้คิดขึ้นมาเอง หากแต่เป็นข้อมูลที่ได้จากการค้นคว้าจากแหล่งต่างๆ แล้วก็สรุปความมาให้อ่านง่ายๆกัน หวังว่าข้อมูลนี้จะเป็นประโยชน์สำหรับผู้ที่สนใจไม่มากก็น้อย ก่อนจะเข้าเรื่องคงต้องบอกก่อนว่า กระผมนั้นศึกษาความรู้เชิงวิชาการจริง แต่ก็ยังด้อยด้วยประสบการณ์ในการทำงานจริงนัก   ฉะนั้น หากผิดพลาดประการใด ต้องขออภัยและขอน้อมรับข้อติชมของทุกๆท่าน เพื่อการปรับปรุงและพัฒนาต่อไปในอนาคตครับ

ขอบคุณครับ

ธิติ วีระวัฒน์
November 4th, 2008

[Tee]

General Idea

   Line Array หมายถึง ระบบของลำโพงหลายๆตัวที่จัดวางให้เรียงอยู่ในระนาบเดียวกัน เพื่อต้องการ Effect ผลรวมของทั้งหมด เอางง....กันไป

Point Source

   มาดูกันที่จุดเริ่มต้นกันก่อนดีกว่าครับ พูดกันกว้างๆ ลำโพงนั้นทำหน้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้าไปเป็นพลังงานเสียง หลักการก็คือ กระแสไฟวิ่งจาก amp ไปขดลวดในดอก เกิดสนามแม่เหล็กไปผลักกันกับสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กในตัวดอกลำโพง ทำให้โคนที่ติดอยู่กับขดลวดนั้นขยับ แล้วถ่ายทอดพลังงานกลนั้นเป็นพลังงานเสียงผ่านอากาศมาเข้าที่หูเรา (เอาแค่พอเห็นภาพนะครับ) ถ้าดูกันทางด้าน acoustic เมื่อทำการทดลองเพื่อศึกษาจุดกำเนิดของเสียง (วัดระยะเวลาที่เสียงใช้ในการเดินทางจากดอกไปที่ mic แล้วคำนวณออกมาเป็นระยะทาง เสร็จแล้วเอาระยะนั้นไปเทียบจาก mic กลับไปที่ลำโพง) เราจะพบว่า เสียงที่เราได้ยินนั้นไม่ได้มาจากโคนของลำโพง แต่มาจากจุดเล็กๆที่ลอยอยู่ในอากาศหน้าลำโพง

[Tee]

อ่ะ ที่อธิบายมายืดยาวตรงนี้ก็เพื่อว่าจะบอกว่า เสียงที่เราได้ยินจากลำโพงนั้น มันมีต้นกำเนิดเป็นจุด (จริงๆเรื่องลำโพงนี้ยังมีรายละเอียดอีกเยอะ ถ้ามีคนสนใจเยอะๆ ผมอาจจะยกมาว่ากันที่หลัง) คนที่คิด เค้าเลยเรียกมันว่า Point Source point แปลว่าจุด source แปลว่าต้นกำเนิด, ที่มา พอเอามารวมกัน มันจึงหมายความถึง ต้นกำเนิด ที่มีลักษณะเป็นจุด

[Tee]

  ที่นี้ เรามาดูต่อกันถึงคุณลักษณะของเจ้า Point Source อันนี้กันดีกว่า ฝรั่่งช่างคิด เค้าก็ศึกษาปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เรียกว่า Inverse Square Law เจ้ากฏตัวนี้เขาก็อธิบายไว้ว่า ถ้าเราวัด dB SPL เปรียบเทียบระหว่างจุดสองจุด โดยจุดที่สองมีระยะห่างเป็นสองเท่าจากจุดแรกในระนาบเดียวกัน เสียงจะเบาลง 6dB (ทดลองได้โดยใช้ SPL meter ตั้ง c-weigh วัดความดังของลำโพง 3 เมตร จากหน้าตู้ สมมุติว่าอ่านค่าได้ 86dB บันทึกค่าไว้ แล้วถอยหลังไปอีก 3 เมตร หรือเท่าตัวในระนาบเดียวกัน แล้ววัดค่าอีกทีแล้วเอามาเปรียบเทียบกัน ค่าที่ได้จะน้อยกว่าค่าแรก 6dB หรือ drop ไปเหลือแค่ 80dB)  แล้วมันเกี่ยวอะไรอะ? ท่านอาจจะถามในใจ ไม่เป็นไร ขอให้ทดเรื่องนี้ไว้ในใจก่อนนะ ผมจะค่อยๆอธิบายให้ฟัง ตามมาๆ

[Tee]

ลองจินตนาการภาพดูนะครับ เราได้รับงานให้นำเครื่องเสียงไปติดตั้งในสถานที่ขนาดยาว 80 เมตร สมมุติว่าเราวัด noise floor ของสถานที่แล้ว มีค่า 90dB คำนวนต่อว่าเพื่อที่เสียงที่ออกจากลำโพงของเราจะได้ยินชัดเจนในสถานแห่งนี้ ลำโพงของเราต้องมีความดังมากกว่า noise floor อีกอย่างน้อย 20dB รวมกันเป็น 110dB อ่ะ เอาเรื่องที่ทดไว้ออกมาดูกัน ถ้าเราต้องการ 110dB ที่ 80 เมตร นั้นหมายความว่า ที่ 40 เมตรเราจะต้องวัดเสียงให้ได้มีความดัง 116dB แล้วที่ 20 เมตร เราต้องเปิดดัง 122dB แล้วคิดดูว่าคนที่อยู่ 10 เมตรจากลำโพง จะเป็นยังไง !!!??? หูแตกตายซิครับพี่น้องครับ อันนี้เป็นการทำเวอร์ๆให้เห็นทางทฤษฏีเท่านั้นนะครับ เพราะความจริงจะต้องมีเรื่องอื่นเข้ามาคำนวณอีกหลายเรื่อง ทั้งการสะท้อน อุณหภูมิ ลม ความสามารถของลำโพง โอ! มากมายครับ

[Tee]

Line Source

อ่านมาถึงตรงนี้ หลายๆท่านอาจจะสงสัยต่อว่า แล้วมันเกี่ยวข้องอะไรกับ Line Array วะ!! เกี่ยวครับ ไม่งั้นจะเสียเวลาอธิบายทำไมยืดยาว เพราะว่าจะอธิบายเรื่อง Line Array ได้นั้น จะต้องเข้าใจเรื่องพื้นฐานก่อนเราถึงจะไปต่อได้ เอาว่ากันต่อ ในปี 1957 คุณ Henry F. Olson ได้กล่าวไว้ในหนังสือชื่อ Acoustical Engineering ของเค้าไว้ว่า Line Source ที่มีความยาวไม่สิ้นสุด ถ้าวัดความดังเปรียบเทียบสองจุด โดยจุดที่สองมีระยะเป็นสองเท่าจากจุดแรก เสียงจะเบาลง 3dB ตรงนี้หละครับ จุดเกิดเหตุ!! เพราะเราจะสามารถใช้ Level เบาลงเพื่อลดจะนวนศพในแถวหน้าลง แล้วคนดูแถวสุดท้ายก็ยังได้ยินชัดอยู่ แต่ครับ!! แต่เรื่องนี้จะไม่เป็นจริงเสมอไปกับ Line Source ที่มีความยาวจำกัดนะครับ คงจะเป็นไปไม่ได้ที่จะมีลำโพงที่ยาวไม่สิ้นสุด คือถ้าทดสอบกันในระยะใกล้ตัวจุดกำเนิด (เค้าใช้คำว่า Near field ) ก็จะ drop แค่ 3dB ตามทฤษฏี แต่จะกลับไปเป็น 6dB เหมือนเดิมในพื้นที่ๆไกลออกไป( Far field ) อาววว! เพราะฉะนั้นเวลาออกแบบ เราจึงต้องคำนึงถึงสถานที่ๆชุด array จะถูกนำไปใช้งานด้วยว่าลำโพงเราจะมีขอบเขตการทำงานไปได้ขนาดไหน

[Tee]

ที่นี้ แล้วเราจะรู้ได้ยังไงล่ะว่ามันเริ่มตรงไหน? ไอ้ระยะ Far Field เนี่ย  Far Field นั้นจะแปรผันไปตามความยาวของ  Line Source และความถี่ เอาเข้าไปงงกันไปใหญ่ งงปายยกันย่ายยย....เดียวเข้าใจครับ

[Tee]

จุด 0 ในรูปคือจุดที่จะเปลี่ยนจาก Near Field เป็น Far Field จุด 0 คือจุดที่ระยะทางจากจุดปลายสุดของ Array จะมากกว่าระยะจากกึ่งกลาง 1/4 λ (ไอ้ตัวแปลกๆนี้อ่านว่า แลมด้า แปลว่าความยาวคลื่น) ซึ่งไอ้ระยะทางที่ว่านี้ ทำให้เสียงที่เดินทางมาถึงจุด 0 มี phase ต่างกัน 90 องศา (เรื่อง Phase จะอธิบายให้ฟังในโอกาศต่อๆไปนะครับ) ถ้าขยับจุด 0 เข้าใกล้ต้นกำเนิดมากขึ้น เสียงที่เดินทางมา จะเจอกันด้วย Phase มากกว่า 90dB จึงเกิดการเสริมกันทำให้เราได้ 3dB กลับมาจากที่หายไป 6dB ตาม Inverse square law ในขณะเดียวกันถ้าออกห่างจากจุด 0 มาขึ้น จะทำให้ phase ของเสียงที่เดินทางมาถีงจุดสังเกตุ มีองศาต่างกันน้อยลงทำให้ ทำให้ไม่เกิดการเสริมกัน จึงทำให้ทฤฏี Line Source ไม่เป็นจริงดังว่า

[Tee]

แล้วยังไงต่อ? ก็เพื่อจะหาจุด 0 เราต้องเอา ความยาวของชุด Array, ความยาวคลื่น ของความถี่ที่ต้องการศึกษา มาแทนค่าในสมการพีทาโกรัส ก็จะได้สมการออกมาหน้าตาเหมือนที่เห็นข้างล่างนี้ เมื่อเราทดลองแทนค่าดู ก็จะพบว่า ยิ่ง Line มีความยาวมากเท่าไหร่ ระยะทำการตามทฤษฏี Line Source มันยิ่งมากขึ้นเท่านั้น นอกจากนี้เราจะพบว่าความถี่ เป็นตัวแปลสำคัญ ที่จะกำหนดว่าชุดลำโพงควรจะยาวเท่าไหร่ด้วย (ถ้าเป็นคนเล่นกล้องอาจจะเอา ความถี่ทำการ ความยาวชุดลำโพง ระยะทำการ ไปเปรียบเทียบกับความสัมพันธ์ระหว่าง ความเร็ว shutter ขนาดรูรับแสง ISO speed ก็ได้ เข้าใจยากพอกัน)

[Tee]

เพื่อที่จะประยุกต์เอาเรื่อง Line Source มาใช้อย่างสมบูรณ์จะพบว่า ความยาวของ Line จะต้องเท่ากับ หรือ ยาวกว่า ความยาวคลื่นของความถี่ตำ่สุดที่เราต้องการให้ชุดลำโพงอันนี้ทำงาน อธิบายใหม่ก็คือ เราต้องคิดก่อนว่า ที่ crossover เราจะตัดที่ความถี่เท่าไหร่ ลำโพงของเราต้องยาวเท่ากับหรือยาวกว่าความยาวคลื่นของความถี่นั้น เพื่อให้เป็นจริงตามทฤษฏี เราจะกลับมาว่าเรื่องนี้กันอีกที่เมื่อเราไปถีงการใช้งานจริง เมื่อเราต้องแยกลำโพงออกเป็นใบๆหลังจากนี้

[Tee]

ต้องยำ้นิดนึงว่าเท่าที่อธิบายมาถึงตอนนี้ คำว่า Line ที่พูดถึง คือต้นกำเนิดเสียงที่มีลักษณะเป็นเส้น !!?!? หน้าตามันเป็นยังไง นึกไม่ออก ลองหาคำว่า Ribbon Speaker ใน Google ดู ท่านจะพบลำโพงที่มีรูปร่างแปลกๆ หลาย size หลายขนาดเลย มันจะประมาณนั้นหละครับ 

[Tee]

ที่ี่นี้ ทำไมน้าาา นักออกแบบลำโพงทั้งหลาย ต่างให้ความสนใจเจ้า Line Array กันนัก ก็เพราะว่า นอกจากเรื่อง drop 3dB ก่อนหน้านี้ มันก็ยังมีเรื่องความสามารถในการควบคุมทิศทางของเสียงอีก (เค้าใช้คำว่า Directivity characteristics) ซึ่งเป็นผลที่เกิดจากการรวมกันของลำโพงหลายๆดอก มาถึงตรงนี้แล้ว อย่าพีงเบื่อกันก่อนนะครับ เข้าใจว่าเรื่องมันทับซ้อน อยากให้เข้าใจเรื่องพวกนี้จริงๆ 

[Tee]

ว่าตามหนังสือที่ผมใช้เป็นต้นแบบในการอธิบาย ณ จุดนี่ เค้าจะอธิบายสมการยาวสองบรรทัด ที่ใช้ในการศึกษาเรื่องทิศทางของเสียงจาก Line Source แล้วเค้าก็จะโยงไปว่าผลที่ได้จากสมการเอาไปเข้าอีกสมการนึง แล้วผลที่ได้คือ polar pattern หรือรูปที่แสดงว่า ลำโพงมีทิศทางกระจายเสียงยังไงนี้เอง อา มาต่อกันตรงนี้หละครับ

[Tee]

สังเกตุภาพข้างล่าง Line Source ที่มีความยาวเท่ากับ หรือยาวกว่า ความยาวคลื่นที่ต้องการศึกษา Line Source นั้นก็จะมีความสามารถที่จะควบคุมทิศทางที่เสียงจะไปได้ดีขึ้นเท่านั้น พูดให้ง่าย ยิ่งยาวยิ่งดี อ่อ!! ถ้ามันสั้น มันจะไม่สามารถควบคุมทิศทางได้นั้นเอง 

[Tee]

จากตรงนี้ ถ้าเราคำนวน โดยเริ่มที่ความยาว Array เป็นค่าคงที่ แต่เปลี่ยนความถี่ไปเรื่อยๆ เราจะพบว่า Line Source จะมีความสามารถควบคุมทิศทางของเสียงได้ไม่เท่ากันในแต่ละย่านความถี่ ( คนเล่นกล้องสังเกตุได้ Lens Zoom ราคาถูก F stop จะไม่เท่ากันในแต่ละย่าน ของแพงจะมี F stop เท่ากันทุกย่านเช่น EF 70-200 F2.8 IS USM ขาวอวบ สุดเท่ แสนแพงนี้เอง มันหลุดไปเรื่องกล้องได้เนอะ! )