มาตรฐานความแรงสัญญาณเสียงสำหรับระบบเสียงมืออาชีพ

โดย Mr.K

เพาเวอร์แอมป์ตัวไหนแรงกว่ากัน? 

     ต้นเหตุของเรื่องนี้เริ่มจากการเปรียบเทียบความแรง-กำลังของเพาเวอร์แอมป์ เพราะผู้ใช้งานหลายๆท่านนำเพาเวอร์แอมป์ไปเปรียบเทียบกันแบบเปิดประชันกันแบบ A/B Test  แล้วฟังความดังที่ออกมาจากลำโพง ตัดสินให้รู้ไปเลยว่าเครื่องไหนแรงกว่า-ดังกว่า แต่แล้วมันก็เกิดปัญหาตามมาเพราะความเข้าใจผิดบางอย่างทำให้เพาเวอร์แอมป์ที่อัตราขยายต่ำกว่าถูกมองด้วยความย่ำแย่ บทความนี้จะอธิบายเหตุผลของวิศวกรระบบเสียงที่กำหนดมาตรฐานความแรงสัญญาณมาแบบไหน เพื่อให้เพาเวอร์อุปกรณ์ระบบเสียงอาชีพทั่วโลกใช้งานร่วมกันได้มีมาตรฐาน-มีแนวทางที่ตรงกัน ทำไมเพาเวอร์แอมป์บางตัวจึงถูกออกแบบมาให้อัตราขยายต่ำ เข้ากันไม่ได้กับเพาเวอร์แอมป์อีกบางตัว วิศวกรระบบเสียงเค้ามีวิธีคิดกับเรื่องนี้อย่างไร

                               รูปที่1 การต่อเพาเวอร์แอมป์ทดสอบเปรียบเทียบความแรงแบบทั่วไป

หลายท่านอาจจะเคยต่อเพาเวอร์แอมป์เพื่อทดสอบประชันความแรงกันดังรูปที่1 วิธีง่ายๆที่นิยมคือ เร่งโวลุ่มเพาเวอร์แอมป์ทั้งสองให้เท่ากัน ใช้ลำโพงที่มีคุณสมบัติเหมือนกัน แล้วเปิดเพลงฟังเสียงที่ออกมา เพาเวอร์แอมป์ตัวไหนให้ความดังมากกว่า ในขณะที่เร่งเสียงน้อยกว่าก็จะตัดสินว่า เพาเวอร์แอมป์ตัวนั้นแรงกว่า มีกำลังสูงกว่า นี่คือวิธีที่ถูกต้องแล้วใช่ไหม?

มีใครรู้อัตราขยายของเพาเวอร์แอมป์ทั้งสองนี้บ้าง? 
   ส่วนมากผู้ใช้งานไม่รู้อัตราขยายของเพาเวอร์แอมป์ เพราะบางทีเพาเวอร์แอมป์ทางเลือก(แอมป์ประกอบ)ก็ไม่ได้ให้ข้อมูลอะไรมาเลย อัตราขยายคือสิ่งที่บ่งบอกว่าเพาเวอร์แอมป์ตัวนั้นมีความไวมากแค่ไหน ไม่ได้บอกถึงกำลังเอาต์พุต หรือความสามารถในการสร้างความดังให้กับลำโพง ซึ่งการกำหนดความไว หรืออัตราขยายเป็นวิธีคิดของผู้ผลิตที่แตกต่างกันกับเรื่องนี้ 

    รุปที่2 เราไม่อาจทราบอัตราขยายของเพาเวอร์แอมป์ ถ้าไม่มีคู่มือ หรือผู้ผลิตให้ข้อมูลมาไม่ครบถ้วน

เมื่ออัตราขยายของเพาเวอร์แอมป์ทั้งสองตัวไม่เท่ากัน การมาอยู่ในระบบเดียวกัน ถึงแม้จะป้อนสัญญาณอินพุตเท่ากัน  การขยายสัญญาณไฟฟ้าก็ไม่เท่ากัน ความดังที่ลำโพงจึงไม่เท่ากัน ไม่เกี่ยวกับกำลังเอาต์พุตสูงสุดก่อนสัญญาณจะคลิปของเพาเวอร์แอมป์เลย

แล้วทำไมไม่ทำเพาเวอร์แอมป์ให้อัตราขยายแรงๆล่ะ?
    ไม่ต้องเร่งเยอะ เร่งติดมือ ไม่กินอินพุตมันไม่ดีกว่าหรอ? จริงๆแล้วเรื่องนี้มันต้องทำความเข้าใจให้ลึกซึ้งขึ้นไปอีก เพราะว่ามันมีเหตุผลนะครับ จึงมีเพาเวอร์แอมป์อัตราขยายต่ำๆในตลาด อันดับแรกเรามาทำความรู้จัก Noise Floor กันก่อน

                        รูปที่ 3 รูปสัญญาณรบกวนพื้นฐาน หรือ Noise Floor ขนาด 100uVrms(-77.79dBu)

     โดยพื้นฐานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิดมันมีการผลิต Noise ออกมา เป็นธรรมชาติของมันเลยก็ว่าได้ Noise พวกนี้ถ้าเราขยายมันขึ้นมาให้ได้ยินจะพบว่าเป็นเสียงซ่า คล้ายเสียงเครื่องรับวิทยุตอนปิดสถาณี หรือ Pink Noise, White Noise ที่เรานำมาเป็นสัญญาณทดสอบระบบเสียง  Noise Floor เป็นสัญญาณที่มีขนาดเล็กมาก ระดับไมโครโวลต์-มิลลิโวลต์ แล้วแต่อุปกรณ์เครื่องมือที่ผู้ผลิตจะมีความสามารถทำได้ดีแค่ไหนรวมถึงการก่อกวนในระบบที่อาจเกิดขึ้นด้วย

 ความแรงสัญญาณในระบบเสียงมืออาชีพเป็นยังไง?
   หลายคนยังปวดหัวกับเรื่องความแรงสัญญาณ dBu มันคืออะไร จริงแล้วมันก็คือหน่วยเรียกความแรงของสัญญาณไฟฟ้า ในระบบเสียงมืออาชีพใน สตูติโอ-ห้องบันทึกเสียง-ระบบเสียงกลางแจ้ง (pro audio) เรานิยมใช้ หน่วย dBu เพราะเราจะดู VU Meter เพื่อบอกระดับความแรงของสัญญาณเสียงในสายสัญญาณ หรือความแรงสัญญาณที่ถูกส่งออกจากมิกเซอร์และอุปกรณ์อื่นๆโดยอ้างอิง 0.775Vrms = 0dBu ถ้าเราทราบค่าแรงดันเอาต์พุตของสัญญาณเราก็สามารถแปลงค่าแรงดันเป็นหน่วย dBu =20 Log (Vrms/0.775) เมื่อเราทราบค่าแรงดันของ Noise Floor จึงคำนวณออกมาได้ว่า Noise Floor มีระดับสัญญาณ -77.79dBu

   รูปที่4 เมื่อนำ Noise Floor จากรูปที่ 3 มาพิจารณาหา SNR ตามมาตรฐานความแรงสัญญาณระบบเสียง pro audio 

    ในระบบเสียง pro audio เครื่องมือต่างๆจะถูกออกแบบให้ป้องกันสัญญาณรบกวนได้ดีกว่ากว่าเครื่องเสียง Hi-Fi ที่ใช้ในบ้าน เพราะว่าต้องเผื่อในการใช้งานกับระบบที่มีขนาดใหญ่มีความซับซ้อน มีโอกาสที่ Noise จะก่อกวนระบบได้ง่าย วิศวกรจึงออกแบบให้สัญญาณเสียง มีขนาดที่แรงกว่าระบบ Hi-Fi อยู่ค่อนข้างเยอะนั่นคือปกติจะมีความแรงสัญญาณ +4dBu หรือ ประมาณ 1.23Vrms เพื่อให้เกิด อัตราส่วนสัญญาณเสียงต่อสัญญาณรบกวนที่สูง (SNR) ซึ่งก็เพื่อคุณภาพเสียงที่ดีนั่นเอง สมมุติว่า Noise Floor ตัวนี้ถูกปล่อยออกมาจาก Mixer ด้วยความแรง -77.79dBu แน่นอนว่าแม้เราจะไม่จ่ายสัญญาณดนตรีใดๆจ่ายเข้ามิกเซอร์ แต่สัญญาณ Noise Floor นี้จะถูกส่งไปหาเพาเวอร์แอมป์และพร้อมที่จะขยายให้ใหญ่ขึ้นส่งออกไปยังลำโพงได้ทุกเวลา ยิ่งเพาเวอร์แอมป์อัตราขยายสูง Noise ยิ่งถูกขยายได้ขนาดใหญ่และถูกส่งออกไปยังลำโพงเป็นสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการทันที

SNR(Signal to Noise Ratio)  คืออะไร สำคัญแค่ไหน?
SNR คือ อัตราส่วน สัญญาณเสียงต่อสัญญาณรบกวน ยิ่งห่างกันมาก เสียงยิ่งดี-ชัดเจนมากขึ้นเท่านั้น
ปกติปรีแอมป์ หรือ ออป-แอมป์ในมิกเซอร์-โปรเซสเซอร์อื่นๆ จะใช้ไฟเลี้ยงประมาณ +/-15Vdc หรือมากกว่านี้ แรงดันไฟเลี้ยงของออป-แอมป์นี้เป็นการบอกถึงเพดานสูงสุดของอุปกรณ์จะจ่ายสัญญาณออกไปได้ อาจจะมีค่าต่ำกว่าแรงดันไฟเลี้ยงเล็กน้อย เมื่ออุปกรณ์อย่างมิกเซอร์ หรืออิเล็กทรอนิกส์ครอสโอเวอร์สามารถจ่ายแรงดันเอาต์พุตได้เพดานสูงสุดก่อนที่สัญญาณจะ Clip ได้อย่างน้อย +20dBu ไม่มีเหตุผลที่จะใช้สัญญาณขนาดเล็กๆไม่กี่ mV ในการจ่ายไปยังอุปกรณ์อื่นๆ เพราะการส่งสัญญาณที่มีขนาดสูงๆจะทำให้ SNR สูงนั่นหมายถึงเสียงที่ดีขึ้นโดยที่ไม่ได้ลงทุนอะไรเพิ่มเลย และความจริงเราสามารถยกระดับสัญญาณไปได้ถึง+6dBu หรือมากกว่า เพื่อให้ได้ SNR สูงสุด และยอมลดระดับ Headroom ลงมานิดหน่อยตามแต่ซาวด์เอนจิเนียร์จะตัดสินใจ การเร่งสัญญาณที่มิกเซอร์หรือโปรเซสเซอร์ให้มีความแรงเอาต์พุตเฉลี่ย +4dBu หรือมากกว่าเป็นการรีดศักภาพสูงสุดของอุปกรณ์เหล่านั้น เมื่อรู้เช่นนี้ทำให้นักออกแบบเพาเวอร์แอมป์ที่ใช้ในระบบ pro audio จึงไม่นิยมออกแบบให้เพาเวอร์แอมป์ตนเองมีอัตราขยายที่สูงจนเกินไปเพื่อรองรับคุณภาพสัญญาณสูงสุด วิศวกรมักจะออกแบบให้เพาเวอร์แอมป์สามารถรับสัญญาณอินพุตได้สูงสุดได้ถึง +20dBu  หรือมากกว่า 

ตัวอย่างที่1
จากรูปสัญญาณจะเห็นว่า มี Noise Floor จะขี่ไปพร้อมกับสัญญาณเสียง(Vsignal) ที่มีขนาด +4dBu และแน่นอน Noise นี้จะถูกขยายให้ไปปรากฎที่ลำโพงด้วย ถึงแม้มันจะถูกเสียงดนตรีที่มีขนาดใหญ่กว่ากลบได้จนเราไม่สามารถได้ยิน แต่มันเป็นสาเหตุของเสียงที่ขาดความชัดเจน ตัวอย่างที่ 1 เป็นสัญญาณเสียงที่มี SNR 81.79dB

       รูปที่ 5 ตัวอย่างที่1 การหา SNR เมื่อ Nois Floor=(-77.79dBu) และสัญญาณเสียง=(+4dBu)

ตัวอย่างที่ 2
เมื่อเราลดขนาดสัญญาณเสียง (Vsignal) ลงเหลือ -7.79dBu SNR จะมีค่า 70dB สังเกตว่าสัญญาณเสียงมีสัดส่วน Noise ที่มากขึ้นและจะถูกขยายให้ไปปรากฎที่ลำโพงคุณภาพเสียงที่ได้จะแย่กว่าตัวอย่างที่1 นี่เป็นส่วนหนึ่งของเสียงที่ขาดความชัด ถ้าเราไปเร่งเสียงเพาเวอร์แอมป์มาก แต่ไปลดระดับสัญญาณที่ออกจากมิกเซอร์-โปรเซสเซอร์มีขนาดเล็กลง Noise ก็จะมากเป็นเงาตามตัว

    รูปที่ 6 ตัวอย่างที่2 การหา SNR เมื่อ Nois Floor= (-77.79dBu) และสัญญาณเสียง= (-7.79dBu)

 ถ้าออกแบบเพาเวอร์แอมป์อัตราขยายสูงมากเกินไป เมื่อความแรงสัญญาณระดับน้อยกว่า +4dBu ถูกป้อนเข้าอินพุตเพาเวอร์แอมป์อาจจะทำให้เพาเวอร์แอมป์ Clip อย่างรุนแรงเสียแล้ว จึงจำเป็นที่จะต้องลด โวลุ่มของเพาเวอร์แอมป์ให้ต่ำลงอย่างมาก ในทางกลับกัน เพาเวอร์แอมป์ที่ออกแบบเพื่อรองรับสัญญาณระดับ pro audio จะสามารถเร่งโวลุ่ม (ATTEN) ได้สูงสุด เพื่อให้ได้คุณภาพเสียงดีที่สุดไม่มีการลดทอนจากโวลุ่มและยังสามารถรองรับระดับสัญญาณที่สูงกว่านี้เพื่อให้ได้คุณภาพเสียงที่ดีขึ้น

SNR เท่าไหร่จึงเรียกว่าเสียงดี?
     ถ้าใครเคยฟังเสียงจากเครื่องเล่นเทปคลาสเซ็ท เราจะได้ยินเสียงซ่าออกจากเนื้อเทปช่วงต่อเพลง-ส่วนที่ไม่ได้บันทึกเสียงได้ค่อนข้างชัดเจน นั่นคือเสียง Noise Floor ของเทป SNR ของเครื่องเล่นเทปทั่วไปจะมีประมาณ 40-45dB เท่านั้น และเมื่อเราไปฟังเสียงจากเครื่องเล่น CD แล้วจะรู้สึกว่าคุณภาพเสียงดีกว่าเทปคลาสเซ็ทอย่างมาก นั่นคือ SNR ของ เครื่องเล่นCD ส่วนใหญ่มีค่ามากกว่า 90dB และ อุปกรณ์อย่าง DAC หรือซาวด์การ์ดในปัจจุบันส่วนใหญ่สามารถทำ SNR ได้สูงระดับ 90dB ขึ้นไป ถ้าเป็นระบบเสียงในสภาวะที่เราไม่แน่ใจว่า Noise Floor อาจจะสูง หรือมีการรบกวนมากกว่าที่คาดไว้ จึงจำเป็นที่ต้องยกระดับสัญญาณเสียงให้สูงกว่า Noise ให้มาก เพื่อผลของเสียงที่ดีที่สุด

   เป็นเรื่องยากที่จะนำ เพาเวอร์แอมป์ที่มีอัตราขยายต่างกันมากๆมาใช้ในระบบเดียวกัน ยิ่งในระบบเดิมที่เคยใช้เพาเวอร์แอมป์อัตราขยายสูงๆ แล้วตั้งค่าระดับสัญญาณ Line Level จากมิกเซอร์-โปรเซสเซอร์ต่ำๆ จะพบว่า เมื่อนำเพาเวอร์แอมป์อัตราขยายต่ำมาใช้งานด้วยในระบบ รู้สึกว่าจะทำความดังได้น้อยกว่าในขณะที่ป้อนสัญญาณระดับเดียวกัน แตกต่างจากสิ่งที่คุ้นเคยอย่างมาก ต้องเร่งสัญญาณให้แรงกว่าเดิมรู้สึกไม่คุ้นมือ ถ้าหากผู้ใช้งานไม่เข้าใจเรื่องมาตรฐานความแรงของสัญญาณในระบบเสียง pro audio และเรื่องอัตราขยายที่แตกต่างกันก็อาจจะทึกทักเข้าใจว่า เพาเวอร์แอมป์อัตราขยายต่ำเป็นเพาเวอร์แอมป์ที่มีคุณสมบัติไม่ดี แต่ในบทความนี้ก็อธิบายไปแล้วด้วยเหตุผลเรื่องของ การรีดคุณภาพของเสียงโดยการเพิ่ม SNR ให้ระบบง่ายๆโดยเปลี่ยนพฤติกรรมการใช้งานอุปกรณ์ให้เป็นมาตรฐานเท่านั้น