วงจรตัดแบ่งความถี่ในลำโพง เปรียบเหมือน “มันสมอง” ของลำโพง มันทำหน้าที่ตัดแบ่งความถี่เสียงทั้งหมดออกเป็นช่วงๆ (bandwidth of frequency) ที่เหมาะสมกับไดเวอร์แต่ละตัว แล้วจัดส่งความถี่แต่ละช่วงเหล่านั้นไปให้ไดเวอร์แต่ละตัวที่ติดตั้งอยู่ในลำโพงคู่นั้น ซึ่งนอกจากจะช่วยจัดสรรความถี่ให้แต่ละไดเวอร์แล้ว วงจรเน็ทเวิร์คยังช่วยปรับความไวที่ต่างกันของแต่ละไดเวอร์ให้ได้ความดังออกมาเท่าๆ กัน (ทำ level matching) อีกทั้งยังช่วยปรับโหลดของไดเวอร์ทั้งหมดให้ผสมรวมออกมาเป็นโหลดเฉลี่ย (average load impedance) ที่นิ่ง ทำให้แอมปลิฟายทำงานได้ง่ายขึ้น ได้ประสิทธิภาพสูงที่สุด
ถ้าไม่มีวงจรเน็ทเวิร์คเข้ามาช่วย ตัวทวีตเตอร์ที่ทำงานในย่านเสียงแหลมอาจจะพบกับปัญหาถูกขับเกินกำลัง (overdriven) จนทำให้เกิดปัญหาเสียงผิดเพี้ยน หรืออาจจะรุนแรงถึงขั้นว้อยซ์คอยขาดก็ได้ อีกอย่าง ลำโพงที่ไม่มีวงจรเน็ทเวิร์ค ครอสโอเวอร์ หรือมีแต่ดีไซน์ไม่ถูกต้อง มักจะทำให้เกิดปัญหาความถี่ที่ซ้อนทับกัน (overlap) ระหว่างไดเวอร์แต่ละตัว ซึ่งทำให้เกิดความผิดเพี้ยนและทำให้คุณภาพเสียงโดยรวมด้อยลง
การออกแบบ วงจรตัดแบ่งความถี่ (crossover network) ให้มีประสิทธิภาพ เป็นเรื่องที่ต้องใช้ทั้งงบประมาณที่สูง และต้องอาศัยความเข้าใจลักษณะการทำงานของวงจรเน็ทเวิร์คที่ทะลุปรุโปร่ง จึงจะสามารถออกแบบวงจรเน็ทเวิร์คที่ดีได้ อย่างไรก็ตาม มีผู้ผลิตลำโพงจำนวนมากที่ละเลยความสำคัญในการออกแบบวงจรเน็ทเวิร์ค ซึ่งมีความเป็นไปได้หลายอย่าง อาทิเช่น คนออกแบบขาดความเข้าใจการทำงานของวงจรเน็ทเวิร์คอย่างถ่องแท้ หรือไม่ก็ต้องการลดต้นทุนในการผลิต เนื่องจากคิดว่า คนทั่วไปจะไม่สามารถฟังจับความแตกต่างระหว่างลำโพงที่ใช้วงจรเน็ทเวิร์คที่ดีกับไม่ดีออกมาได้ และเนื่องจากวงจรเน็ทเวิร์คมักจะถูกบรรจุไว้ในตัวตู้ลำโพง มองไม่เห็น คนซื้อส่วนใหญ่จึงไม่ค่อยให้ความสนใจกับวงจรเน็ทเวิร์คมากนัก
พื้นฐานการทำงานของวงจรเน็ทเวิร์คของลำโพง
สองภาพข้างบนนี้ เป็นการอธิบายหลักการพื้นฐานในการทำงานของวงจรเน็ทเวิร์คแบบง่ายๆ เริ่มจากวงจรเน็ทเวิร์คที่ฝังอยู่ในตัวลำโพงส่วนใหญ่ (บางรุ่นเอาวงจรเน็ทเวิร์คออกมาไว้ด้านนอกตัวตู้ก็มี) ซึ่งเป็นวงจรอิเล็กทรอนิคที่ทำงานโดยไม่ต้องใช้ไฟฟ้า (passive circuit) จะรับสัญญาณมาจากเพาเวอร์แอมป์ เข้ามาทางขั้วต่อสายลำโพง จากนั้น วงจรฟิลเตอร์ (จำนวน 2 วงจร สำหรับลำโพง 2 ทาง – รูปบน หรือ 3 วงจร สำหรับลำโพง 3 ทาง รูปล่าง) ที่อยู่ในวงจรเน็ทเวิร์คจะเริ่มทำงาน โดยวงจรฟิลเตอร์แบบ “High Pass Filter” จะทำการตัดสัญญาณตั้งแต่เสียงกลางลงไปถึงทุ้มทิ้งไป แล้วจัดการส่งความถี่สูง (high frequency) ที่เหลือทั้งหมดไปให้กับทวีตเตอร์ ส่วนวงจรฟิลเตอร์แบบ “Low Pass Filter” จะทำการตัดความถี่กลางขึ้นไปถึงความถี่สูงทิ้งไป แล้วจัดส่งความถี่ต่ำ (low frequency) ที่เหลือทั้งหมดไปให้ตัววูฟเฟอร์ ส่วนไดเวอร์มิดเร้นจ์จะรอรับความถี่ในย่านเสียงกลาง (mid range) ที่เหลือจากการตัดความถี่ต่ำและความถี่สูงทิ้งโดยวงจรฟิลเตอร์แบบ “Band Pass Filter” มาทำงาน
จำง่ายๆ ว่าวงจรฟิลเตอร์จะทำหน้าที่ตรงตามชื่อของมัน คือตัวที่เป็น “Low Pass Filter” จะปล่อยให้ความถี่ต่ำผ่านไป แล้วกักความถี่กลางกับสูงทิ้งไป ส่วน “High Pass Filter” จะปล่อยความถี่สูงให้ผ่านไปที่ไดเวอร์ และทำการกักความถี่กลางและต่ำทิ้งไป
ลักษณะความลาดชันของความถี่จากการทำงานของวงจรฟิลเตอร์
มีคุณสมบัติข่้อหนึ่งของวงจรฟิลเตอร์ที่ควรทราบและเกี่ยวข้องกับวงจรเน็ทเวิร์คอย่างแนบแน่น สิ่งนั้นคือ “Slope” หรือ ความลาดชัน ของความถี่ที่แผ่วเบาลงหลังจากการทำงานของวงจรฟิลเตอร์ ซึ่งในการออกแบบวงจรเน็ทเวิร์ค มีอัตราลาดชันของวงจรฟิลเตอร์ให้นักออกแบบเลือกใช้อยู่ 4 ระดับ หรือภาษาอิเล็กทรอนิคเรียกว่า 4 ออเดอร์ นั่นคือ
1. First-order = 6dB/octave
2. Second-order = 12dB/octave
3. Third-order = 18dB/octave
4. Fourth-order = 24dB.octave
ความหมายของออเดอร์ต่างๆ ก็คือ อัตราลาดชันของความดังของเสียงที่เกิดขึ้นหลังจากจุดตัดที่วงจรฟิลเตอร์ทำงาน ยกตัวอย่างเช่น วงจร Low Pass Filter กำหนดจุดตัดที่ความถี่ 500Hz ใช้สโลป ออเดอร์ที่ 2 สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ เมื่อมีสัญญาณเสียงที่มีความถี่ตั้งแต่ 20Hz – 20,000Hz วิ่งผ่านเข้ามาในวงจรเน็ทเวิร์ค ส่วนที่ถูกจัดการให้วิ่งผ่านเข้ามาในวงจร “Low Pass Filter” จะถูกตัดความถี่ตั้งแต่ 500Hz ขึ้นไปจนถึง 20,000Hz ทิ้งไป โดยที่ความถี่ตั้งแต่ 500Hz ขึ้นไปจะเริ่มลดระดับความดังลงอ็อกเต็ปละ 12dB นั่นคือความดังของความถี่ 500Hz จะค่อยๆ เบาลงไปเรื่อยๆ เมื่อความถี่ค่อยๆ สูงขึ้นจนถึง 1000Hz (อ็อกเตปที่สองของ 500Hz) ความดังจะเบาลงเท่ากับ 12dB เมื่อเทียบกับ 500Hz และเมื่อความถี่สูงขึ้นไปถึง 2000Hz (อ็อกเตปที่สี่ของ 500Hz) ความดังของเสียงที่สองพันเฮิร์ตก็จะเบากว่าที่หนึ่งพันเฮิร์ตเท่ากับ 12dB หรือคิดเป็น 24dB เมื่อเทียบจากจุดเริ่มต้นที่ 500Hz และจะค่อยๆ ทดแบบนี้ลงไปเรื่อยๆ เมื่อความถี่สูงขึ้น
ลักษณะของวงจรเน็ทเวิร์คแบบ 2-way กับ 3-way
ถ้ามีโอกาสแกะแผงวงจรเน็ทเวิร์คออกมาดู จะพบว่า ถ้าเป็นวงจรเน็ทเวิร์คแบบ 2 ทาง (2-way รูปบน) จะพบเส้นทางอินพุตหนึ่งชุด (in = ลูกศรสีแดง) สำหรับรองรับสัญญาณจากเพาเวอร์แอมป์ ซึ่งเข้ามาทางขั้วต่อสายลำโพง กับช่องทางขาออก (output) สองชุด เป็นสัญญาณที่ออกมาจากวงจร Low Pass Filter เพื่อส่งไปให้วูฟเฟอร์หนึ่งชุด (ลูกศรสีฟ้า) กับสัญญาณที่ออกมาจากวงจร High Pass Filter เพื่อส่งไปให้ทวีตเตอร์ (ลูกศรสีฟ้า)
ลองมาดูตัวอย่างจาก specification ของลำโพงสองทาง (2-way) รุ่น Chora 806 ของยี่ห้อ Focal กันหน่อย (ภาพบน) ข้อมูลในแถบสีแดงแถบบนนั้นเป็นการระบุประเภทของวงจรเน็ทเวิร์คที่ใช้ในลำโพงรุ่นนี้ จะเห็นชัดเจนว่าระบุเป็น “2-way (สองทาง) bass-reflex (ตู้เปิด) bookshelf loudspeaker (ลำโพงวางหิ้ง)” ส่วนข้อมูลในแถบสีแดงแถบล่าง เป็นการแจ้งให้ทราบว่า วงจร Low Pass Filter กับวงจร High Pass Filter ที่ใช้กับวงจรเน็ทเวิร์คในลำโพงคู่นี้ ได้ถูกกำหนดให้ส่วนที่เป็นสโลปของทั้งสองฟิลเตอร์เลื่อนเข้ามา “ทับซ้อนกัน” ที่ความถี่ใด? ซึ่งในที่นี้ก็คือ 3,000Hz หรือ 3kHz นั่นเอง
มีตัวเลขหนึ่งที่มักจะพบเห็นในสเปคฯ ของลำโพงเสมอ นั่นคือ “Impedance” ในภาพตัวอย่างข้างบนสุด คือตัวเลขที่อยู่ในแถบสีฟ้า บรรทัดบนคือ “Nominal impedance = 8Ω” และบรรทัดล่างคือ “Minimum impedance = 4.6Ω” ซึ่งถ้าต้องการทำความเข้าใจเกี่ยวกับการทำงานของวงจรเน็ทเวิร์คให้ลึกซึ้งมากยิ่งขึ้น เราต้องไปทำความรู้จักกับสเปคฯ “Impedance” ตัวนี้ให้มากขึ้น เพื่อดูว่ามันมีความหมายอย่างไรกับวงจรเน็ทเวิร์ค
อิมพีแดนซ์ (Impedance)
บนแผงวงจรเน็ทเวิร์ค มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคหลักๆ อยู่ 3 ชนิด ตัวแรกคือ “resistors” (หรือ ตัวต้านทาน) ตัวที่สองคือ “inductors” (หรือ ขดลวด) และตัวที่สามคือ “capacitors” (หรือ ตัวเก็บประจุ)
resistors ค่าต่างๆ
ความหมายของ Impedance ก็คือ ค่า “ความต้านทาน” ที่เกิดจากผลรวมของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคทั้งสามชนิดในวงจรเน็ทเวิร์คที่มีพฤติกรรม “ต้าน” การไหลของอิเล็กคตรอน (หรือ สัญญาณเสียงที่อยู่ในรูปของกระแสไฟฟ้า) ณ ความถี่ที่กำหนด ซึ่ง “ตัวต้านทาน” (resistors) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคที่มีพฤติกรรมตรงไปตรงมามากที่สุด เข้าใจง่าย คือถ้ามีรีซีสเตอร์เข้าไปขวางทางเดินของอิเล็กตรอนในวงจรเน็ทเวิร์ค มันจะทำให้เกิดค่าความต้านทานคงที่โดยไม่แปรผันตามความถี่ของสัญญาณที่ไหลผ่านตัวมันไป สิ่งที่ดูดเอาไว้ก็มีแค่กำลังของอิเล็กตรอนแล้วแปรเปลี่ยนออกไปเป็นความร้อนเท่านั้น ผลทางเสียงคือเบาลง ซึ่งลำโพงที่ออกแบบได้สมบูรณ์จริงๆ จะไม่ต้องการรีซีสเตอร์ในวงจรเน็ทเวิร์คเลย
capacitors รูปแบบต่างๆ
อุปกรณ์ตัวที่สองในวงจรเน็ทเวิร์คคือ capacitors ซึ่งเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคที่มีพฤติกรรมในการต้านต่อกระแสอิเล็กตรอนเหมือนกับรีซีสเตอร์ แต่เป็นการต้านในลักษณะที่ต่างกัน คือ คาปาซิเตอร์จะแสดงพฤติกรรมในการต้านกระแสอิเล็กตรอนที่ “ผกผัน” ตรงข้ามกับความถี่ ความหมายก็คือ ถ้าคุณปล่อยความถี่สูงกับความถี่ต่ำที่ต่างกันสองเท่า ให้วิ่งผ่านคาปาซิเตอร์ ตัวคาปาซิเตอร์จะแสดงความต้านทานต่อความถี่สูง “น้อยกว่า” ความต้านทานที่มันแสดงต่อความถี่ต่ำ และถ้าคุณลดความถี่ลงครึ่งหนึ่ง ความต้านทานของคาปาซิเตอร์ที่มีต่อสัญญาณก็จะเพิ่มขึ้นเท่าตัว นี่เป็นคุณสมบัติที่มีประโยชน์อย่างยิ่งในการนำมาใช้กับวงจรเน็ทเวิร์คซึ่งทำหน้าที่ในการเลือกความถี่เสียงในการที่จะทำให้เกิดผลลัพธ์ที่ต้องการ
เมื่อนำ capacitors มาต่ออนุกรม คือพ่วงเป็นแนวเดียวกับรีซีสเตอร์ ตัวคาปาซิเตอร์จะทำหน้าที่เป็น high pass filter เมื่อมีความถี่บางความถี่ไหลผ่านคาปาซิเตอร์ ตัวมันจะมีความต้านทานเท่ากับรีซีสเตอร์ และเมื่อความถี่สูงมากๆ ไหลผ่านคาปาซิเตอร์ มันจะทำตัวเป็นเสมือนเส้นตัวนำ ที่อาจจะไม่มีความต้านทานต่อกระแสอิเล็กตรอนเลย คือยอมให้สัญญาณไหลผ่านไปทั้งหมด ไม่กักต้านความถี่สูงเอาไว้ แต่เมื่อความถี่ต่ำไหลผ่านมาในเส้นทางของคาปาซิเตอร์ ความต้านทาน (impedance) ของคาปาซิเตอร์จะสูงขึ้น ยิ่งความถี่ต่ำยิ่งสูงมาก จนถึงความถี่ต่ำจุดหนึ่งมัน (คาปาซิเตอร์) จะไม่ยอมให้ความถี่ต่ำนั้นไหลผ่านไปเลย ด้วยคุณสมบัตินี้ จึงนิยมใช้ตัวคาปาซิเตอร์ในวงจรอิเล็กทรอนิคประเภทที่ต้องการให้กระแส AC ไหลผ่านไป แล้วบล็อคกระแส DC เอาไว้ไม่ให้ไหลจากวงจรหนึ่งไปอีกวงจรหนึ่ง
inductors รูปแบบต่างๆ
คอมโพเน้นต์ตัวที่สามที่มักจะพบเห็นในวงจรเน็ทเวิร์คและมีอิทธิพลกับเสียงของลำโพงก็คือ inductors ซึ่งมีลักษณะเป็นขดลวดตัวนำ ซึ่งบางคนเรียกว่า “โช๊ค” (choke) หรือ “ขดลวด” (coil) พฤติกรรมของขดลวดจะตรงข้ามกับคาปาซิเตอร์ในหลายๆ ด้าน คือขดลวดจะมีพฤติกรรมทางด้านอิมพีแดนซ์ที่แปรเปลี่ยนไปตามความถี่เหมือนกัน แต่ในทิศทางตรงข้ามกับคาปาซิเตอร์ คือความต้านทานของขดลวดจะเพิ่มมากขึ้นไปเรื่อยๆ เมื่อสัญญาณเสียงที่ไหลผ่านมีความถี่ที่สูงขึ้นไปเรื่อยๆ ด้วยอัตราส่วนเดียวกันกับอิมพีแดนซ์ของคาปาซิเตอร์ที่ต่ำลงเมื่อมีสัญญาณเสียงที่ไหลผ่านมีความถี่ที่สูงขึ้นไปเรื่อยๆ
การออกแบบวงจรเน็ทเวิร์คด้วยการนำเอา คาปาซิเตอร์, รีซีสเตอร์ และ อินดักเตอร์ ไปต่อเชื่อมกันในวงจรแต่ละจุดที่เป็น Low Pass Filter และ High Pass Filter รวมถึง Band Pass Filter ในลำโพงสามทางขึ้นไปก็เพื่อกำหนดลักษณะการสโลปของวงจรฟิลเตอร์ในแต่ละช่วง ว่าต้องการให้มีลักษณะลาดหรือชันแค่ไหน ถ้าเป็นออเดอร์ที่ 1 คือลาดมากที่สุด เพราะอัตราความดังจะค่อยๆ ลดลงอ็อกเต็ปละ 6dB ในขณะที่ออเดอร์ที่สองจะเริ่มชันมากขึ้น ความหมายคือ หลังความถี่ที่เป็นจุดตัดจะเบาลง หรือพูดได้อีกอย่างก็คือ จางหายไปเร็วขึ้นในอัตราส่วน 12dB ต่ออ็อกเต็ป ในขณะที่อ็อกเต็ปที่สามยิ่งจางหายไปเร็วมากขึ้นไปอีก จนถึงจางหายไปเร็วที่สุด เรียกว่าชันมากที่สุดก็คือ ออเดอร์ที่ 4 ที่อัตราความดังจะถูกลดลงไปเร็วมากถึงอ็อกเต็ปละ 24dB เลยทีเดียว
sponsor
แม้ว่าคุณจะไม่มีพื้นฐานอิเล็กทรอนิคมาเลย หรือแม้จะมีแต่ไม่เคยออกแบบหรือทำลำโพงมาก่อน ถ้าตั้งใจอ่านบทความนี้ช้าๆ ค่อยๆ ทำความเข้าใจไปทีละบรรทัดจนจบมาถึงบรรทัดนี้ เชื่อว่า บทความนี้จะทำให้คุณพอมองเห็นภาพและทำความเข้าใจกับวงจรเน็ทเวิร์คที่อยูในลำโพงแต่ละตัวได้ชัดเจนมากขึ้น และน่าจะทำให้คุณได้มองเห็นถึง คุณสมบัติและหน้าที่ของวงจรเน็ทเวิร์คที่มากับลำโพงของคุณได้ชัดเจนมากขึ้นด้วย /
***************
