ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Διπλωματική εργασία Ακουστικός σχεδιασμός μικρών χώρων: εφαρμογή σε μικρό στούντιο ηχογράφησης Ιωάννης Ψύλλας Σύρος, Φεβρουάριος 2013

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ O ήχος συνοδεύει τον άνθρωπο σε όλες τις δραστηριότητες του. Εκτός από τη µετάδοση πληροφοριών και την ψυχολογική επίδραση, η οποία είναι άλλοτε ευεργετική και άλλοτε ενοχλητική, ο ήχος βρίσκει πολύ µεγάλες εφαρµογές στην έρευνα και στην τεχνολογία καθώς η ακουστική, που είναι η επιστήµη του ήχου, αναπτύσσεται διαρκώς. Η ακουστική χώρων είναι ένα βασικό κοµµάτι της ακουστικής, το οποίο παρουσιάζει πολύ µεγάλο ενδιαφέρον για το µηχανικό, καθώς σχετίζεται άµεσα µε την ποιότητα του ήχου που φτάνει σε κάθε σηµείο ενός χώρου ακρόασης. Επίσης αποτελεί τον πρώτο και τελευταίο κρίκο της αλυσίδας µιας ηχητικής αναπαραγωγής, αφού αυτή επηρεάζει τόσο την αρχική δηµιουργία και εγγραφή ενός ηχητικού γεγονότος, όσο και την τελική του αναπαραγωγή και ανασύσταση του αρχικού ηχητικού πεδίου. Στην παρούσα μελέτη παρουσιάζονται αρχικά οι βασικές αρχές του ήχου καθώς και τα χαρακτηριστικά αυτού. Έπειτα γίνεται μία ανάλυση των φυσικών φαινομένων που σχετίζονται με τον ήχο με σκοπό να καταλήξει ομαλά στην ακουστική των χώρων. Συγκεκριμένα παρουσιάζεται η ακουστική των μικρών στούντιων ηχογράφησης τόσο του δωματίου ελέγχου (control room) όσο και του δωματίου ηχογράφησης. Τέλος, περιγράφεται η πρακτική εφαρμογή όσων αναφέρονται στο θεωρητικό κομμάτι της μελέτης. Προτείνονται δύο μεθοδολογίες για τον βέλτιστο ακουστικό σχεδιασμό, οι οποίες ελέγχονται ως προς τα αποτελέσματά τους σε δύο διαφορετικούς χώρους. 1

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΕΡΟΣ Α: ΕΡΕΥΝΑ / ΘΕΩΡΙΑ Θεωρία του ήχου Βασικές αρχές θεωρίας ήχου Μέσο διάδοσης ήχου Μήκος κύματος και συχνότητα Σύνθετα κύματα Ακοή και αντίληψη του ήχου Το ανθρώπινο αυτί Απώλεια ακοής Αντίληψη του ήχου και συχνότητες Στάθμη ήχου Ντεσιμπέλ Ακουστική ισχύς Ομιλία, μουσική και θόρυβος Ομιλία Μουσική Δυναμική περιοχή ομιλίας και μουσικής Περιοχή ακουστότητας ομιλίας και μουσικής Θόρυβος Ανάκλαση Ανάκλαση σε επίπεδη επιφάνεια Ανάκλαση από κυρτές επιφάνειες Ανάκλαση από κοίλες επιφάνειες Ανάκλαση από παραβολικές επιφάνειες Γωνιακός ανακλαστήρας Περίθλαση Περίθλαση γύρω από το ανθρώπινο κεφάλι Περίθλαση από τις ακμές κιβωτίου μεγαφώνου Διάθλαση Η φύση της διάθλασης Διάθλαση του ήχου στα στερεά Διάθλαση του ήχου σε κλειστούς χώρους Η διάχυση Εκτίμηση της διάχυσης σε ένα δωμάτιο Χωρική ομοιομορφία του χρόνου αντήχησης ΜΕΡΟΣ Β: ΑΚΟΥΣΤΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Απορρόφηση Κατανάλωση της ηχητικής ενέργειας Συντελεστές απορρόφησης Τοποθέτηση απορροφητικών υλικών Απορρόφηση από το πορώδες σε μεσαίες / υψηλές συχνότητες Μονωτικά υλικά από υαλοβάμβακα Άλλοι τύποι απορροφητικών υλικών Πολυκυλινδρικοί διαχυτές Ακουστική μικρών studio ηχογραφήσεων Οι χώροι του στούντιο ηχογράφησης

4 11.2 Προδιαγραφές θορύβου περιβάλλοντος Ακουστικά χαρακτηριστικά του στούντιο Όγκος και ρυθμοί δωματίου Χρόνος αντήχησης Διάχυση Θόρυβος ΜΕΡΟΣ Γ: ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ Παράδειγμα σχεδιασμού στούντιο Σχεδιαστικός στόχος απορρόφησης Επέμβαση στο προτεινόμενο δωμάτιο Απόκλιση από το σχεδιαστικό στόχο Ανάπτυξη μεθοδολογιών Μεθοδολογία Α Μεθοδολογία Β Παραδείγματα εφαρμογής ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΗΓΕΣ

5 ΜΕΡΟΣ Α: ΕΡΕΥΝΑ / ΘΕΩΡΙΑ 1 Θεωρία του ήχου Ο ήχος μπορεί να αντιμετωπισθεί ως κίνηση κυμάτων στον αέρα ή σε άλλα ελαστικά μέσα. Σε αυτήν την περίπτωση, ο ήχος είναι μια μορφή διέγερσης. Ο ήχος μπορεί επίσης να αντιμετωπισθεί ως διέγερση του μηχανισμού ακρόασης που οδηγεί στην αντίληψη του ήχου. Σε αυτήν την περίπτωση, ο ήχος είναι μια αίσθηση. Αυτές οι δύο έννοιες του ήχου είναι οικείες σε όσους ασχολούνται με τη μουσική και την ακουστική. Ανάλογα με τον τύπο του εκάστοτε προβλήματος που αντιμετωπίζουμε, χρησιμοποιούμε την αντίστοιχη προσέγγιση. Εάν ενδιαφερόμαστε για τη διαταραχή του αέρα που δημιουργείται από ένα μεγάφωνο, είναι ένα πρόβλημα φυσικής. Εάν ενδιαφερόμαστε για το πώς αυτή η διαταραχή ηχεί σε έναν άνθρωπο κοντά στο μεγάφωνο, τότε πρέπει να χρησιμοποιηθούν ψυχοακουστικές μέθοδοι. Ο ήχος χαρακτηρίζεται από ένα πλήθος φυσικών φαινομένων. Για παράδειγμα, η συχνότητα είναι μια αντικειμενική ιδιότητα του ήχου. Καθορίζει τον αριθμό των επαναλήψεων των κυματομορφών ανά μονάδα χρόνου (συνήθως ανά δευτερόλεπτο). Η συχνότητα μπορεί να μετρηθεί εύκολα σχετικά με έναν παλμογράφο ή με ένα μετρητή συχνότητας. Αντιθέτως, το ύψος ήχου (pitch) είναι μια υποκειμενική ιδιότητα του ήχου. Το αυτί αντιλαμβάνεται διαφορετικό ύψος ήχου για τόνο 100 Hz χαμηλής και υψηλής έντασης. Καθώς αυξάνεται η ένταση, το ύψος ενός τόνου χαμηλής συχνότητας μειώνεται, ενώ το ύψος μιας υψηλής συχνότητας αυξάνεται. Ο Fletcher ανακάλυψε ότι η αναπαραγωγή καθαρών τόνων 168 και 318 Hz σε μέτρια ένταση, παράγει έναν πολύ δυσάρεστο ήχο. Ωστόσο, σε υψηλή ένταση, το αυτί ακούει τους καθαρούς τόνους στη σχέση οκτάβας Hz ως ένα ευχάριστο ήχο. Δεν μπορούμε να εξισώσουμε συχνότητα και ύψος, αλλά είναι μεγέθη ανάλογα. Κάτι παρόμοιο ισχύει μεταξύ έντασης (intensity) και ακουστότητας (loudness). Η σχέση μεταξύ των δύο δεν είναι γραμμική. Παρομοίως, η σχέση μεταξύ κυματομορφής (ή φάσματος) και αντιληπτής ποιότητας (ή χροιάς) γίνεται πιο περίπλοκη από τη λειτουργία του μηχανισμού ακοής. Μια πολύπλοκη κυματομορφή μπορεί να περιγραφεί σε συνάρτηση μιας θεμελιώδους και μιας σειράς αρμονικών με διαφορετικές φάσεις και πλάτη. Αλλά η αντίληψη της χροιάς περιπλέκεται από την αλληλεπίδραση του συχνότητας ύψους ήχου (pitch), καθώς και από άλλους παράγοντες. 4

6 Η αλληλεπίδραση μεταξύ των φυσικών ιδιοτήτων του ήχου, και της αντίληψης μας γι αυτές, δημιουργεί λεπτά και περίπλοκα ζητήματα. Είναι αυτή η πολυπλοκότητα του ήχου και της ακουστικής που δημιουργεί τέτοια ενδιαφέροντα προβλήματα. Αφενός, ο σχεδιασμός ενός μεγαφώνου ή μιας αίθουσας συναυλιών θα πρέπει να είναι μια απλή και αντικειμενική διαδικασία μηχανικής. Αλλά στην πράξη, αυτή η αντικειμενική εξειδίκευση θα πρέπει να μετριαστεί με καθαρά υποκειμενική σοφία. Όπως έχει ήδη ειπωθεί, τα μεγάφωνα δεν είναι σχεδιασμένα να παίζουν τέλεια ημιτονοειδή κύματα σε ρυθμισμένα μικρόφωνα, τοποθετημένα σε ανηχοικούς θαλάμους. Αντίθετα, έχουν σχεδιαστεί για να παίζουν μουσική στα δωμάτια μας. Με άλλα λόγια, η μελέτη του ήχου και της ακουστικής σχετίζεται τόσο με την τέχνη, όσο και με την επιστήμη. 2 Βασικές αρχές θεωρίας ήχου 2.1 Μέσο διάδοσης ήχου Όταν ένα σωματίδιο αέρα μετατοπιστεί από την αρχική του θέση, τότε οι ελαστικές δυνάμεις έχουν την τάση να το επαναφέρουν σε αυτή. Λόγω της αδράνειας του σωματιδίου, αυτό προσπερνά τη θέση ηρεμίας με αποτέλεσμα να ενεργοποιούνται ελαστικές δυνάμεις προς την αντίθετη κατεύθυνση, και ούτω καθεξής. Τα αέρια, τα υγρά και τα στερεά, όπως είναι ο αέρας, το νερό, το σκυρόδερμα και το ατσάλι, επιτρέπουν στον ήχο να διαδίδεται εύκολα σε αυτά. Για παράδειγμα, ας φέρουμε στο μυαλό μας την εικόνα ενός φίλου μας, που χτυπά με μια πέτρα, μια σιδηροδρομική γραμμή. Δύο ήχοι θα ακουστούν. Ο ένας έρχεται στο αυτί μας μέσω της γραμμής και ο άλλος μέσω του αέρα. Η ταχύτητα του ήχου στο πυκνό ατσάλι είναι πιο μεγάλη από αυτή στον αέρα. Επομένως, ο ήχος από την γραμμή θα φτάσει πρώτος. Ομοίως, έχουν ανιχνευθεί ήχοι εντός του ωκεανού, ύστερα από χιλιάδες χιλιόμετρα ταξιδιού σε αυτόν. Απαραίτητη προϋπόθεση για τη διάδοση του ήχου είναι το μέσο διάδοσης. Ας φανταστούμε ότι σε ένα εργαστήριο, τοποθετούμε έναν βομβητή σε γυάλινο δοχείο. Όταν πιέζουμε το πλήκτρο, εύκολα ακούμε τον ήχο μέσα από το γυαλί. Αν αφαιρέσουμε όμως τον αέρα με μία αντλία, ο ήχος εξασθενεί ως που δεν θα ακούγεται καθόλου. Για παράδειγμα στο αστρικό διάστημα πού είναι σχεδόν ένα τέλειο κενό, ο ήχος δεν δύναται να διαδοθεί. 5

7 Κίνηση σωματιδίων Τα σωματίδια του αέρα έχουν την ιδιότητα να μην μετακινούνται πολύ από την αρχική τους θέση. Όταν ένα ηχητικό κύμα οδεύει προς αυτά, η διαταραχή μεταδίδεται αλλά τα σωματίδια που τη διαδίδουν μετακινούνται μόνο μερικά χιλιοστά του χιλιοστού τοπικά γύρω από τη θέση τους. Όπως συμβαίνει και με ένα εκκρεμές, η ταχύτητα ενός σωματιδίου είναι μέγιστη στη θέση ισορροπίας και μηδενική στα σημεία μέγιστης μετατόπισης. Πλάτος ταχύτητας είναι η μέγιστη ταχύτητα, και πλάτος μετατόπισης είναι η μέγιστη μετατόπιση. Ακόμη και σε μεγάλη ένταση ήχου, η μέγιστη ταχύτητα των σωματιδίων είναι της τάξεως του 1 cm/sec. Προκειμένου να μειώσουμε τη στάθμη του ήχου, θα πρέπει η ταχύτητα των σωματιδίων να ελαττωθεί. Σχήμα 1: Ένα σωματίδιο αέρα αναγκάζεται να ταλαντώνεται γύρω από τη θέση ισορροπίας του, από την ενέργεια του κύματος που διέρχεται, εξαιτίας της αλληλεπίδρασης των ελαστικών δυνάμεων του αέρα και της αδράνειας του σωματιδίου του αέρα. Σχήμα 2: Τα σωματίδια που εμπλέκονται με τη διάδοση των ηχητικών κυμάτων μπορούν να εκτελούν α) κυκλική κίνηση, β) εγκάρσια κίνηση, γ) διαμήκη κίνηση. 6

8 Διάδοση του ήχου Πώς μεταφέρεται η μουσική από το μεγάφωνο στα αυτιά μας με την ταχύτητα μιας σφαίρας όπλου; Τα μόρια του αέρα έχουν διαφορετικές διακυμάνσεις πυκνότητας. Συγκεκριμένα υπάρχουν περισσότερα από ένα εκατομμύριο μόρια σε ένα κυβικό εκατοστό αέρα. Στο σχήμα που ακολουθεί, οι περιοχές συμπίεσης (κορυφές) αναπαρίστανται από τα συγκεντρωμένα μόρια, όπου η πίεση του αέρα είναι ελαφρώς πιο μεγάλη από την επικρατούσα ατμοσφαιρική πίεση (σχεδόν 1kg/cm2 στην επιφάνεια της θάλασσας). Οι περιοχές αραίωσης (κοιλάδες) αναπαρίστανται από τις περιοχές με αραιά μόρια, όπου η πίεση είναι λίγο πιο μικρή από την ατμοσφαιρική πίεση. Στις περιοχές συμπίεσης τα μόρια κινούνται προς τα δεξιά και στις περιοχές αραίωσης προς τα αριστερά, μεταξύ των κορυφών. Λόγω της ελαστικότητας κάθε μόριο θα επιστρέψει την αρχική του θέση ύστερα από την αρχική μετατόπιση. Τα ηχητικά κύματα διαδίδονται ομαλά προς τα δεξιά, άρα το μόριο θα κινηθεί σε μια ορισμένη απόσταση προς τα δεξιά και ύστερα κατά την ίδια απόσταση προς τα αριστερά της θέσης ηρεμίας του. Η μετάδοση της ορμής από το ένα σωματίδιο στο άλλο προκαλεί τον ήχο. C R C R C R C A B C = Compression (region of high pressure) R = Rarefaction (region of low pressure) Direction of wave travel Σχήμα 3: Ηχητικά κύματα που διέρχονται από ένα μέσο μεταβάλλουν την τοπική πυκνότητα των σωματιδίων αέρα. 7

9 Οι διακυμάνσεις της πίεσης είναι στην πραγματικότητα πολύ μικρές. Ο ασθενέστερος ήχος που μπορεί να ακούσει το αυτί (20 μpa) είναι περίπου εκατομμύρια φορές μικρότερος από την ατμοσφαιρική πίεση. Τα κανονικά σήματα ομιλίας και μουσικής παριστάνονται με αντίστοιχες μικρές κυματώσεις που υπερτίθενται στην ατμοσφαιρική πίεση. A Compression Pressure Atmospheric pressure Rarefaction B Time Σχήμα 4. Οι διακυμάνσεις πίεσης των ηχητικών κυμάτων υπερτίθενται με την επικρατούσα βαρομετρική πίεση. 2.2 Μήκος κύματος και συχνότητα Το μήκος κύματος είναι η απόσταση που διανύει ένα κύμα μέχρι να ολοκληρώσει έναν κύκλο. Η συχνότητα f καθορίζει τον αριθμό των κύκλων ανά δευτερόλεπτο, και μετράται σε Hz. Αν η ταχύτητα του ήχου είναι v, τότε συχνότητα και μήκος κύματος συνδέονται ως εξής: v f Αυτή η σχέση είναι πολύ σημαντική στην ακουστική θέτοντας v 347 m/s. 8

10 2.3 Σύνθετα κύματα Η απλή ημιτονοειδής κυματομορφή διαφέρει ριζικά από τις κυματομορφές ομιλίας και μουσικής, οι οποίες θεωρούνται σύνθετες κυματομορφές. Το κύμα, ανεξάρτητα από την πολυπλοκότητα του μπορεί να αναλυθεί σε ημιτονοειδείς συνιστώσες, με την προϋπόθεση ότι είναι περιοδικό. Αντίστροφα, τα ημιτονοειδή κύματα διαφορετικών συχνοτήτων, διαφορετικών πλατών και διαφορετικών χρονικών συσχετίσεων (φάσεων) μπορούν να συνθέσουν ένα σύνθετο περιοδικό κύμα. 3 Ακοή και αντίληψη του ήχου 3.1 Το ανθρώπινο αυτί Το ανθρώπινο αυτί, το οποίο δεν είναι λιγότερο περίπλοκο από το μάτι, είναι το αισθητήριο που επιτρέπει στον άνθρωπο να ανιχνεύει τα κύματα του ήχου και άρα να ακούει. Θα συζητηθεί εν συντομία η ανατομία του αυτιού καθώς και η συχνότητα και η απόκριση στα ηχητικά κύματα. Το αυτί χωρίζεται συνήθως σε τρία τμήματα: Α. Το εξωτερικό αυτί, Β. Το μέσο αυτί και Γ. Το εσωτερικό αυτί. Το ορατό τμήμα του αυτιού, λόγω του μικρού μεγέθους του, χρησιμεύει μόνο για μια μικρή ενίσχυση των ήχων που φτάνουν από το μπροστινό μέρος του ακροατή σε σχέση με εκείνες που φτάνουν από πίσω. Το υπόλοιπο μέρος του εξωτερικού του αυτιού, το οποίο αποτελείται από το κανάλι του αυτιού, τερματίζεται στην τυμπανική μεμβράνη ή απλώς τύμπανο. Το μέσο αυτί αποτελείται από μία κοιλότητα αέρα που διαμερίζεται από τρία μικρά οστά, τα οποία ονομάζονται σφύρα (hammer), άκμονας (anvil), και αναβολέας (stirrup), λόγω των σχημάτων τους. Η σφύρα είναι κολλημένη στο τύμπανο και ο αναβολέας κολλημένος στο ελλειψοειδές παράθυρο (oval window) του έσω αυτιού. Τα τρία αυτά οστά μαζί σχηματίζουν μια μηχανική σύνδεση μοχλού μεταξύ του τυμπάνου το οποίο ενεργοποιείται από τον αέρα και του κοχλία του έσω αυτιού ο οποίος είναι γεμάτος υγρό. Το έσω αυτί τερματίζεται στο ακουστικό νεύρο. Τα ερεθίσματα στο εγκέφαλο στέλνονται από αυτό. Η φυσιολογία του ανθρώπινου αυτιού φαίνεται στο παρακάτω σχήμα όπου διακρίνεται το εξωτερικό αυτί, το τύμπανο (μεμβράνη) και το εσωτερικό αυτί που αποτελείται από τρία οστά τα οποία μεταφέρουν μηχανικά τη διέγερση στον κοχλία. 9

11 Εκεί γίνεται η μετατροπή της μηχανικής διέγερσης σε νευρικό ερεθισμό μέσω των τριχιδίων πού καλύπτουν το εσωτερικό του κοχλία. Μεγέθυνση της εσωτερικής επιφάνειας φυσιολογικού κοχλία φαίνεται στο παρακάτω σχήμα αριστερά ενώ δεξιά διακρίνεται η απώλεια των τριχιδίων λόγω γήρατος. Κάθε ένα από τα τριχίδια αυτά ευαισθητοποιείται από ένα στενό φάσμα συχνοτήτων και κατά συνέπεια το σύστημα της ακοής λειτουργεί σαν ένας μη γραμμικός αναλυτής συχνοτήτων. Σχήμα 5: Tο ανθρώπινο αυτί. Σχήμα 6: Μεγέθυνση της εσωτερικής επιφάνειας του κοχλία για φυσιολογική ακοή (Α) και για ελλατωματική (Δ). 10

12 Στην πράξη για να προσομοιώσουμε την λειτουργία του αυτιού χρησιμοποιούμε 24 διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων. Τα τριχίδια αισθητήρες είναι ευαίσθητα σε δυνατές εντάσεις ήχου και είναι πιθανό να καταστραφούν με αποτέλεσμα την απώλεια ακοής. Μια άλλη σημαντική ιδιότητα του αυτιού είναι η ικανότητά του να προσδιορίζει την κατεύθυνση από την οποία προέρχεται ο ήχος. Λόγω του ότι ο ήχος φτάνει στο κάθε αυτί με μία μικρή χρονική διαφορά ο προσδιορισμός της θέσης της ηχητικής πηγής είναι εφικτός αφού τα δύο ηχητικά σήματα προσπίπτουν στους ακουστικούς πόρους με διαφορά φάσης. 3.2 Απώλεια ακοής Είναι γεγονός, ότι η υπερβολική και παρατεταμένη έκθεση σε θόρυβο μπορεί να προκαλέσει μόνιμη απώλεια της ακοής. Έχουν προταθεί διάφορες θεωρίες για την πρόβλεψη και την μέτρηση της ενδεχόμενης βλάβης στην ακοή μας από μια δεδομένη έκθεση σε θόρυβο. Είναι όμως αδύνατο να αναπτυχθεί μια απόλυτη θεωρία για ένα τόσο πολύπλοκο βιολογικό φαινόμενο. Ωστόσο, έχουν συλλεχθεί αρκετά δεδομένα που σχετίζονται με την συνεχή έκθεση εργατών σε δυνατό θόρυβο του εργασιακού τους περιβάλλοντος για πολλά χρόνια. Η απώλεια της ακοής συνήθως μετριέται σε όρους αλλαγής του ορίου ακοής. Δηλαδή μια μόνιμη απώλεια ακοής προκαλεί μετατόπιση στο κατώτατο όριο ακοής. Εν ολίγοις, είναι αποδεδειγμένο ότι η μόνιμη έκθεση σε θόρυβο προκαλεί μόνιμη βλάβη της ακοής καταστρέφοντας τα κύτταρα του ακουστικού αισθητήρα. Τα κύτταρα αυτά, είναι τα τριχίδια που βρίσκονται στην βασική μεμβράνη. Μία ακόμη πιθανή βλάβη είναι η ζημιά στους ακουστικούς νευρώνες ή και στην δομή του οργάνου του Corti (organ of Corti). Το όργανο του Κόρτι Είναι το όργανο της ακοής, δηλαδή η εξειδικευμένη εκείνη δομή του υμενώδους λαβυρίνθου, η οποία μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια του ήχου σε ηλεκτρική, την οποία μεταβιβάζει, μέσω ειδικών νευρικών συνάψεων, στο κοχλιακό νεύρο. Τούτο αποτελεί μέρος της 8ης εγκεφαλικής συζυγίας, η οποία συνολικώς λέγεται ακουστικό νεύρο. Εκτός του κοχλιακού περιλαμβάνει και το αιθουσαίο. Τα ειδικά αισθητηριακά κύτταρα του οργάνου του Κόρτι είναι τα τριχωτά κύτταρα, τα οποία υποδιαιρούνται σε έσω και έξω τριχωτά κύτταρα, με διαφοροποιημένη αισθητηριακή ευαισθησία, βιολογική αντοχή και ελαφρώς διαφορετική 11

13 λειτουργικότητα, τουλάχιστον ως προς την κοχλιακή κωδικοποίηση του σήματος. Κατά τη μηχανική διέγερση του οργάνου του Κόρτι υπό την επίδραση ήχου αναπτύσσονται διατμητικές τάσεις στους κροσσούς, οι οποίες, σε περιβάλλον τοπικώς μεταβαλλόμενης συγκεντρώσεως ιόντων μαγνησίου, διαταράσσουν την ηλεκτρική ισορροπία του τριχωτού κυττάρου και γεννούν τον ηλεκτρικό παλμό, ο οποίος αντιστοιχεί στο προκλητό κοχλιακό δυναμικό. Αυτό είναι δυνατόν να ανιχνευθεί με επεμβατική μέθοδο, που λέγεται κοχλιογραφία, και η οποία ποτέ δεν επεκράτησε ως κλινικοεργαστηριακή εξέταση, για προφανείς λόγους. Άντ αυτής χρησιμοποιείται ευρύτατα η μελέτη των δυναμικών του κοχλιακού νεύρου και όλων των επομένων νευρικών δομών του εγκεφαλικού στελέχους. Η εξέταση αυτή είναι γνωστή ως ακουστικά προκλητά δυναμικά. Η ταλάντωση του οργάνου του Κόρτι δημιουργεί και ηχητικό σήμα, το οποίο συλλεγόμενο στον έξω ακουστικό πόρο, και καταλλήλως επεξεργασμένο, είναι οι λεγόμενες ωτακουστικές εκπομπές. 3.3 Αντίληψη του ήχου και συχνότητες Το ανθρώπινο αυτί έχει μεγάλη ευαισθησία, καθώς και ένα τεράστιο δυναμικό εύρος στο οποίο λειτουργεί υπό φυσιολογικές συνθήκες. Το κατώτατο όριο τις ακρόασης (binaural listenisng) είναι η πίεση του ήχου σε ένα ελεύθερο πεδίο, που μπορεί να αντιληφθεί κανείς, όσο το ηχητικό σήμα μειώνεται. Ή με άλλα λόγια, είναι η πίεση του ήχου που αρχικά αντιλαμβάνεται κανείς καθώς το ηχητικό σήμα αυξάνεται. Η αρχική μελέτη της ακουστότητας πραγματοποιήθηκε στα εργαστήρια Bell από τους Fletcher & Munson και δημοσιεύτηκε το Από τότε έχουν προταθεί πολλές βελτιώσεις από τρίτους. Η οικογένεια καμπυλών ισοσταθμικών ακουστότητας (equal loudness contours) από μία εργασία των Robinson and Dadson έχει υιοθετηθεί ως διεθνές πρότυπο (ISO 266). Οι καμπύλες του σχήματος 6 αναδεικνύουν το γεγονός, ότι η αντιληπτική ακουστότητα μεταβάλλεται έντονα με τη συχνότητα και με τη στάθμη πίεσης ήχου. 12

14 Σχήμα 7: Ισοσταθμικές ίσης ακουστότητας του ανθρώπινου αυτιού για απλούς τόνους. Από αυτές τις ισοσταθμικές διαπιστώνεται η σχετική έλλειψη ευαισθησίας του ανθρώπινου αυτιού στους μπάσους τόνους, ειδικά σε κατώτερες στάθμες ήχου. 4 Στάθμη ήχου 4.1 Ντεσιμπέλ To Ντεσιμπέλ (decibel, συντομογραφία db) είναι μονάδα, η οποία ακολουθεί λογαριθμική κλίμακα και στην οποία εκφράζεται η διαφορά στάθμης μίας φυσικής ποσότητας. Συνήθως χρησιμοποιείται για να εκφράσει λόγο ισχύων ή εντάσεων. Η κύρια χρήση της μονάδας είναι στην ακουστική και στην ηλεκτρονική. Το όνομά της μονάδας δόθηκε προς τιμήν του Γκράχαμ Μπελ, πρωτοπόρου εφευρέτη της τηλεφωνίας, ενώ το πρόθεμα ντέσι δηλώνει πως είναι δεκαδική υποδιαίρεση της κύριας μονάδας Μπελ. Η μονάδα Μπελ δεν χρησιμοποιείται γιατί είναι δύσχρηστη στους υπολογισμούς και γι' αυτό τον λόγο χρησιμοποιείται αποκλειστικά το db. Η μονάδα Ντεσιμπέλ χρησιμοποιείται για να εκφραστεί στάθμη έντασης ήχου. Η στάθμη έντασης ήχου σε Ντεσιμπέλ ορίζεται ως το δεκαπλάσιο του δεκαδικού λογαρίθμου του λόγου της έντασης του ήχου προς την ένταση αναφοράς του κατωφλίου ακουστότητας (ή των αντιστοίχων τιμών ισχύος). 13

15 L P 1 ( db) 10log10 P0 I. 1 ή L( db) 10log10 I0 Η ακουστική ισχύς του κατωφλίου ακουστότητας έχει οριστεί ίση με 12 P 0 10 W. 4.2 Ακουστική ισχύς Δεν χρειάζονται πολλά watt ακουστικής ισχύος για να παραχθεί πολύ δυνατός ήχος. Παραδείγματος χάρη, ένα μεγάφωνο μπορεί να οδηγείται από κάποιον ενισχυτή των 100 W, αλλά η απόδοση του πρώτου (έξοδος για δεδομένη είσοδο) να είναι πολύ μικρή της τάξεως των 10%. Ένα τυπικό μεγάφωνο μπορεί να εκπέμπει ακουστική ισχύ 1 W. Η αύξηση της ισχύος για να πετύχουμε μεγαλύτερα αποτελέσματα είναι συχνά απογοητευτική. Ο διπλασιασμός της ισχύος από ένα σε 2 W αντιστοιχεί σε αύξηση της στάθμης ισχύος κατά 3 db, που είναι πολύ μικρή αύξηση της έντασης. Ομοίως μια αύξηση στην ισχύ από τα 100 στα 200 W ή από τα 1000 στα 2000 W έχει και πάλι ως αποτέλεσμα αύξηση κατά 3 db της στάθμης. Στον παρακάτω πίνακα βλέπουμε την πίεση ήχου και τη στάθμη πίεσης ήχου για μερικούς συνηθισμένους ήχους. Σχετικά με την πίεση ήχου, η τιμή 0,00002 Pa (20 μpa) διαφέρει πάρα πολύ από την τιμή Ρa. Όμως αυτή η διαφορά ελαττώνεται σε μια αρκετά πιο βολική μορφή όταν εκφράζεται σε στάθμες ήχου. Ένας άλλος τρόπος παραγωγής στάθμης πίεσης ήχου 194 db, εκτός από την εκτόξευση ενός πυραύλου τύπου Saturn, είναι να προκαλέσουμε την έκρηξη 25 κιλών εκρηκτικού ΤΝΤ σε απόσταση περίπου 3 μέτρων. Τα συνηθισμένα ηχητικά κύματα δεν είναι τίποτε άλλο από μικροσκοπικές διακυμάνσεις της σταθερής ατμοσφαιρικής πίεσης. Στάθμη πίεσης ήχου 194 db πλησιάζει την ατμοσφαιρική και, συνεπώς, είναι η διακύμανση που έχει την ίδια τάξη μεγέθους με την ατμοσφαιρική πίεση. Πίεση ήχου 1.4 φορές μεγαλύτερη θα άλλαζε τελείως την ατμοσφαιρική πίεση. 14

16 Σχήμα 8: Παραδείγματα πίεσης ήχου και στάθμης πίεσης ήχου. Σχήμα 9: Μια εκτίμηση της σχετικής τιμής της πίεσης ήχου του 1μPa μπορεί να ληφθεί μέσω της σύγκρισης με γνωστούς ήχους. Η καθιερωμένη πίεση αναφοράς για τον ήχο στον αέρα είναι 20 μpa και η τιμή της προσεγγίζει πολύ καλά την ελάχιστη ακουστή πίεση. 15

17 5 Ομιλία, μουσική και θόρυβος Τα σήματα όπως η ομιλία, η μουσική και ο θόρυβος αποτελούν καθημερινή εμπειρία για τον καθένα μας. Είμαστε εξαιρετικά εξοικειωμένοι με τον ήχο της ομιλίας, αφού τον ακούμε σχεδόν καθημερινά. Η ομιλία συνιστά ένα από τα δομικά στοιχεία της ανθρώπινης επικοινωνίας και η περίπτωση μειωμένης καταληπτότητας της ομιλίας είναι αρκετά ενοχλητική. Εάν είμαστε από τους τυχερούς, ακούμε επίσης καθημερινά μουσική. Η μουσική είναι ενδεχομένως μια από τις πιο ευχάριστες και αναγκαίες ανθρώπινες εμπειρίες. Θα ήταν πολύ δύσκολο να φανταστούμε ένα κόσμο χωρίς μουσική. Ο θόρυβος είναι συνήθως μη επιθυμητός ήχος, συχνά χαοτικός που αποδιοργανώνει την ομιλία, τη μουσική ή τη σιγή. 5.1 Ομιλία Στην παραγωγή ήχων της ομιλίας, υπάρχουν δυο σχεδόν ανεξάρτητες λειτουργίες: η ηχητική πηγή και το φωνητικό σύστημα. Η ομιλία είναι μια ακολουθιακή ροή, όπου αρχικά παράγεται άμορφος ήχος από την πηγή και ύστερα, στην φωνητική οδό, μορφοποιείται. Οι διαφορετικές μορφές ήχου που υπάρχουν είναι τρεις: Οι ήχοι που παράγονται από τις φωνητικές χορδές, αυτοί που δημιουργούνται σχηματίζοντας ένα στένωμα σε κάποιο σημείο της φωνητικής οδού με τα δόντια, τη γλώσσα, τα χείλη, και αυτοί που δημιουργούνται με την πλήρη παύση της αναπνοής, συνήθως προς τα εμπρός, με αύξηση της πίεσης και έπειτα την απότομη ελευθέρωση της αναπνοής. Οι ήχοι της ομιλίας δεν έχουν την ίδια ισχύ προς όλες τις κατευθύνσεις. Ο λόγος που συμβαίνει αυτό είναι η κατευθυντικότητα του στόματος και η σκίαση του ήχου εξαιτίας του κεφαλιού και του κορμού. Στο σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζονται δύο μετρήσεις κατευθυντικότητας ήχου ομιλίας. Να αναφέρουμε ότι επειδή οι ήχοι ομιλίας είναι μεταβλητοί και πολύπλοκοι, χρησιμοποιούνται μέσες τιμές για να μετρήσουμε με ακρίβεια την επίδραση της κατευθυντικότητας. 5.2 Μουσική Οι μουσικοί ήχοι είναι ιδιαιτέρως μεταβλητοί στην πολυπλοκότητά τους και εκτείνονται από τη σχεδόν ημιτονοειδή μορφή ενός απλού οργάνου ή φωνής, μέχρι τον εξαιρετικά πολύπλοκο αναμειγμένο ήχο μιας συμφωνικής ορχήστρας. Για κάθε νότα, υπάρχει διαφορετική τονική υφή για κάθε όργανο και για κάθε φωνή. 16

18 0 5 db 10 db Hz Hz 180 A 90 5 db 10 db Hz Hz 270 B Σχήμα 10: α) Κατευθυντικά φαινόμενα τύπου εμπρός-πίσω στα 12 db στις κρίσιμες συχνότητες. β) Στο κατακόρυφο επίπεδο τα κατευθυντικά φαινόμενα τύπου εμπρόςπίσω για τη ζώνη Ηz είναι περίπου ίσα με αυτά για το οριζόντιο. 5.3 Δυναμική περιοχή ομιλίας και μουσικής Σε μία αίθουσα συναυλιών, μια πλήρης συμφωνική ορχήστρα μπορεί να παράγει μερικούς πολύ έντονους ήχους, αλλά και πολύ απαλά, ευαίσθητα κομμάτια. Όταν βρισκόμαστε σε καθίσματα, μπορούμε να εκτιμήσουμε πλήρως αυτή τη μεγάλη έκταση του ήχου εξαιτίας της μεγάλης δυναμικής περιοχής του ανθρώπινου αυτιού. Η δυναμική περιοχή μεταξύ των εντονότερων και των απλότερων κομματιών θα είναι της τάξης των 100 db (η δυναμική περιοχή του αυτιού είναι 120 db). Τα απαλά κομμάτια θα πρέπει να είναι ακουστά και πάνω από το θόρυβο βάθους του περιβάλλοντος της αίθουσας για να ακούγονται αποτελεσματικά. Γι αυτό και δίνεται έμφαση στην επαρκή δομική μόνωση για προστασία από τους θορύβους κυκλοφορίας και από άλλους εξωτερικούς θορύβους, καθώς και σε μέτρα προφύλαξης για να εξασφαλιστεί ότι ο θόρυβος από τις συσκευές κλιματισμού θα είναι μικρός. 17

19 5.4 Περιοχή ακουστότητας ομιλίας και μουσικής Ακολουθούν σχήματα στα οποία απεικονίζονται α) το τμήμα της ακουστικής περιοχής που αντιστοιχεί σε ήχους ομιλίας, και β) τμήμα της ακουστικής περιοχής που αντιστοιχεί σε ήχους μουσικής. Σχήμα 11: Τμήμα της ακουστικής περιοχής που αντιστοιχεί σε ήχους ομιλίας. Σχήμα 12: Τμήμα της ακουστικής περιοχής που αντιστοιχεί σε ήχους μουσικής. 18

20 5.5 Θόρυβος Ο θόρυβος μπορεί να θεωρηθεί φορέας πληροφορίας. Μια ζώνη θορύβου που αποσβένει μπορεί να δώσει πληροφορίες για την ακουστική ποιότητα μιας αίθουσας. Από την άλλη υπάρχουν και είδη θορύβου που είναι ανεπιθύμητα όπως ο θόρυβος κυκλοφορίας ή η ενστάλαξη από σωλήνες. Ο θόρυβος αποτελεί ένα σημαντικό εργαλείο για μετρήσεις στην ακουστική. Στις ακουστικές μετρήσεις, η χρήση των καθαρών τόνων είναι συχνά πολύ δύσκολη ενώ με μια στενή ζώνη θορύβου με κέντρο την ίδια συχνότητα γίνονται εφικτές μετρήσεις ικανοποιητικής ακρίβειας. Για παράδειγμα, αν ένα μικρόφωνο σε ένα στούντιο λαμβάνει ένα σήμα καθαρού τόνου στο 1 ΚΗz από ένα μεγάφωνο, η έξοδος του θα παρουσιάζει διακυμάνσεις ανάλογα με τη θέση εξαιτίας των συντονισμών της αίθουσας. Εάν, ωστόσο, το ίδιο μεγάφωνο εκπέμψει μια ζώνη θορύβου με εύρος μια οκτάβα και κέντρο το 1 ΚΗz, η στάθμη συναρτήσει της θέσης θα τείνει να γίνει πιο ομοιόμορφη, αλλά και η μέτρηση θα περιέχει πληροφορίες του τι συμβαίνει στην περιόχή του ενός ΚΗz. Επειδή συνήθως ενδιαφερόμαστε για τον τρόπο αντίδρασης ενός στούντιο ή μιας αίθουσας ακρόασης στους πολύπλοκους ήχους που ηχογραφούνται ή αναπαράγονται, αυτές οι τεχνικές μέτρησης έχουν λογική. 6. Ανάκλαση Όταν ο ήχος, κατά τη διάδοσή του, συναντήσει μια επιφάνεια αρκετά μεγαλύτερη από το μήκος κύματος του ένα μέρος του ανακλάται, με τη γωνία που προσπίπτει να είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης του. Ένα μικρότερο μέρος του μετατρέπεται σε θερμότητα αφού πρώτα διεγείρει τα μόρια του υλικού. Το ποσοστό του που θα μετατραπεί σε ενέργεια έχει να κάνει με τη φύση του υλικού. Εδώ θα σταθούμε πολύ περισσότερο γιατί σε ένα κλειστό χώρο οι ανακλάσεις είναι από τα κυρίαρχα χαρακτηριστικά του και καθορίζουν κατά πολύ την ακουστική του. Για να καταλάβουμε το γιατί συμβαίνει αυτό θα πρέπει να ρίξουμε μια ματιά στο σχετικό σχήμα. 19

21 Σχήμα 13: Πρώτος καταφθάνει ο απευθείας ήχος σε χρόνο t=0, και οι ανακλώμενες συνιστώσες καταφθάνουν αργότερα. Ένας ακροατής απολαμβάνει, καθισμένος σε μια πολυθρόνα τη μουσική του. Βλέπουμε ότι ο ήχος που τελικά ακούει έρχεται από διαφορετικές κατευθύνσεις. Έχουμε λοιπόν τον απευθείας ήχο που έρχεται από το ηχείο και έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια, αλλά έχουμε και τις ανακλάσεις του που έρχονται από το πάτωμα, την οροφή και τους πλαϊνούς τοίχους. Εύκολα καταλαβαίνουμε ότι η απόσταση που διανύει ο ήχος μέχρι να φτάσει στον ακροατή μας είναι διαφορετική αναλόγως από που προέρχεται ο ήχος. Αν είναι δηλαδή ανακλώμενος ή απευθείας. Αυτό το γεγονός, ανάλογα και την εκάστοτε συχνότητα, έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχει χρονική διαφορά ή όπως λέμε διαφορά φάσης της άφιξης του ήχου στον ακροατή. Αυτή η κατάσταση έχει ως αποτέλεσμα σε κάποιες συχνότητες να αθροίζεται η ενέργεια ανακλώμενου και απευθείας ήχου ενώ σε κάποιες άλλες να παίρνουμε τη διαφορά τους. Με απλά λόγια αν υποθέσουμε ότι η απόκριση συχνοτήτων του ηχείου μας είναι επίπεδη στην ουσία αυτό που φτάνει στα αυτιά μας δεν είναι. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας των ανακλάσεων που παρουσιάζει ο χώρος μας. Το να προβλεφτούν οι ανακλάσεις ενός κλειστού χώρου είναι σχεδόν αδύνατο. Οι ανακλάσεις που αναφέρθηκαν πριν είναι μόνο οι πρωτογενείς ενώ έχουμε πάρα πολλές ακόμα δευτερογενείς, τριτογενείς κ.ο.κ. με εξασθένηση βέβαια κάθε φορά της ενέργειας τους. Οι ανακλάσεις μπορούν να αποβούν προς όφελος μας στη περίπτωση που ελέγχοντας την ακουστική ενός χώρου και ενισχύοντας κάποιες συχνότητες που μας ενδιαφέρουν. Παράδειγμα τέτοιο είναι τα αρχαία στάδια. 20

22 Έστω ότι έχουμε μια ηχητική πηγή σε ελεύθερο χώρο όπως για παράδειγμα σε μία πεδιάδα. Ο ήχος θα διαδίδεται ακτινικά από την πηγή προς όλες τις κατευθύνσεις και δεν θα επέστρεφε ξανά πίσω. Ας σκεφτούμε τώρα την ίδια πηγή σε ένα δωμάτιο. Ο ήχος που θα διέρχεται από εμάς, θα προσπίπτει στα σύνορα του δωματίου και θα ανακλάται από αυτά. Ο ήχος θα διέρχεται ξανά και ξανά όσες είναι και οι διαφορετικές διαδρομές που προκύπτουν από τις διαδοχικές ανακλάσεις, μέχρι να εξασθενήσει εντελώς. Ο ήχος αυτός ακούγεται σημαντικά αλλοιωμένος σε σχέση με αυτόν στον ελεύθερο χώρο. Από τις ανακλάσεις μπορούμε να αντλήσουμε σημαντικές πληροφορίες για το μέγεθος του δωματίου, τη σύνθεση των ορίων του καθώς και το σχήμα του και διάφορα άλλα χαρακτηριστικά του. 6.1 Ανάκλαση σε επίπεδη επιφάνεια Στο σχήμα που ακολουθεί απεικονίζεται η ανάκλαση των ηχητικών κυμάτων μιας σημειακής πηγής από μια άκαμπτη, επίπεδη επιφάνεια. Τα σφαιρικά μέτωπα κύματος (συνεχείς γραμμές) προσπίπτουν πάνω στην επιφάνεια και τα ανακλώμενα μέτωπα (διακεκομμένες) επιστρέφουν πίσω προς την πηγή. Ο τύπος αυτός της ανάκλασης ονομάζεται κατευθυνόμενη ανάκλαση (specular reflection). Source Wall Σχήμα 14: Ανάκλαση από σημειακή ηχητική πηγή εξαιτίας μιας επίπεδης επιφάνειας (προσπίπτων ήχος: συνεχείς γραμμές, ανακλώμενος ήχος διακεκομμένες). Ο ανακλώμενος ήχος μπορεί να θεωρηθεί ότι προέρχεται από μια εικονική πηγή. 21

23 Στην περίπτωση που ο ήχος προσπίπτει σε περισσότερες από μία επιφάνειες δημιουργούνται πολλαπλές ανακλάσεις. Παράλληλες επιφάνειες μπορεί να προκαλέσουν ακουστικά προβλήματα όπως είναι η πολλαπλή ηχώ. Εάν η απόσταση μεταξύ τους είναι αρκετά μεγάλη, ώστε το χρονικό διάστημα μεταξύ των ανακλάσεων να βρίσκεται εκτός της ζώνης Haas (Haas fusion zone), θα δημιουργηθεί μια πολλαπλή ηχώ καθώς ο ήχος πάλλεται μπρος και πίσω από τη μια επιφάνεια στην άλλη. 6.2 Ανάκλαση από κυρτές επιφάνειες Αν θεωρήσουμε τον ήχο ως ακτίνες, κάθε ακτίνα θεωρείται ότι αντιστοιχεί σε μια δέσμη ακτινικά διαδιδόμενου ήχου με σφαιρικά μέτωπα κύματος. Αυτά, από μια σημειακή πηγή γίνονται επίπεδα σε μεγάλες αποστάσεις από την πηγή. Έτσι ο ήχος που προσπίπτει στις διάφορες επιφάνειες μπορεί να θεωρηθεί ως επίπεδα μέτωπα κύματος. Η ηχητική ενέργεια διασκεδάζεται σε διάφορες κατευθύνσεις, εξαιτίας της ανάκλασης των επιπέδων μετώπων κύματος ήχου σε μια στερεά, κυρτή επιφάνεια. Όπως φαίνεται και στο σχήμα, ο ανακλώμενος ήχος επιστρέφει και προκαλεί τη διάχυση του προσπίπτοντος ήχου. Wavefront source Σχήμα 15: Επίπεδα ηχητικά κύματα που προσπίπτουν σε κυρτή ανομοιομορφία τείνουν να σκεδάζονται, εάν το μέγεθος της ανωμαλίας είναι αρκετά μεγάλο σε σύγκριση με το μήκος κύματος του ήχου. 22

24 6.3 Ανάκλαση από κοίλες επιφάνειες Επίπεδα μέτωπα κύματος που προσπίπτουν σε μια κοίλη οπή τείνουν να συγκεντρωθούν σε ένα σημείο εάν το μέγεθος της οπής είναι μεγάλο σε σχέση με το μήκος κύματος του ήχου. Οι πιο κοινές κοίλες επιφάνειες είναι οι σφαιρικές λόγω της εύκολης κατασκευής τους. Μια συνήθης εφαρμογή είναι η κατασκευή μικροφώνων υψηλής κατευθυντικότητας, τα οποία χρησιμοποιούνται συνήθως για τη λήψη του ήχου σε αθλητικά γεγονότα ή για εγγραφή ηχώ στη φύση. Σε άλλες περιπτώσεις όμως η συγκέντρωση του ήχου εξαιτίας της ανάκλασης του σε κοίλες επιφάνειες όπως οι αψίδες στις εκκλησίες ή σε αίθουσες συναυλιών, αποτελεί πρόβλημα αφού δεν κατανέμεται ομοιόμορφα ο ήχος στην αίθουσα. Σχήμα 16: Επίπεδα μέτωπα κύματος που προσπίπτουν σε μία κοίλη οπή τείνουν να συγκεντρωθούν σε ένα σημείο εάν το μέγεθος της οπής είναι μεγάλο σε σύγκριση με το μήκος κύματος του ήχου. 6.4 Ανάκλαση από παραβολικές επιφάνειες. Μια παραβολική επιφάνεια έχει το χαρακτηριστικό ότι προκαλεί τη συγκέντρωση του ήχου ακριβώς σε ένα σημείο. Μια πολύ βαθειά παραβολική επιφάνεια, παρουσιάζει πολύ καλύτερες κατευθυντικές ιδιότητες από μια ρηχή. Και εδώ οι κατευθυντικές ιδιότητες εξαρτώνται από το μέγεθος της οπής σε σχέη με το μήκος κύματος. 23

25 Σχήμα 17: Μια παραβολική επιφάνεια μπορεί να συγκεντρώσει τον ήχο σε ακριβώς ένα σημείο εστίασης ή αντίστροφα, μια ηχητική πηγή που τοποθετείται στο σημείο εστίασης μπορεί να παράγει επίπεδα, παράλληλα μέτωπα κύματος. 6.5 Γωνιακός ανακλαστήρας Ανακλάσεις συντελούνται και στις γωνίες ενός δωματίου. Αυτό που ισχύει γενικά είναι ότι οι ανακλάσεις ακολουθούν τις πηγές στο χώρο του δωματίου. Ένας γωνιακός ανακλαστήρας έχει την ιδιότητα να ανακλά τον ήχο πίσω προς την πηγή από οποιαδήποτε κατεύθυνση. Γενικότερα οι κοίλες επιφάνειες προκαλούν ακουστικά προβλήματα. Ο γωνιακός ανακλαστήρας του σχήματος περιλαμβάνει δύο επιφάνειες. Η αρχή ότι οι ανακλάσεις ακολουθούν την πηγή, ισχύει και για τις τέσσερις γωνίες τριών επιφανειών ενός δωματίου, που σχηματίζονται από την οροφή και τους τοίχους, καθώς και για τις υπόλοιπες τέσσερις μεταξύ δαπέδου και τοίχων. Source 2 Source 1 Source 3 Σχήμα 18: Ένας γωνιακός ανακλαστήρας έχει την ιδιότητα να ανακλά τον ήχο πίσω προς την πηγή από οποιαδήποτε κατεύθυνση. 24

26 7 Περίθλαση Είναι και αυτή ένα είδος ανάκλασης με τη διαφορά ότι η ανακλαστική επιφάνεια δεν έχει διαστάσεις μεγαλύτερες από το μήκος κύματος αλλά συγκρίσιμες με αυτό. Σε αυτή τη περίπτωση στα όρια της επιφάνειας (άκρες της) δημιουργούνται δευτερογενείς ηχητικές πηγές ίδιας συχνότητας με την αρχική. Αυτές βέβαια είναι ανεπιθύμητες και προσπαθούμε να τις εξαλείψουμε. Παράδειγμα αυτού είναι η ανάγκη ύπαρξης πατούρας, στη καμπίνα των ηχείων, για τα μεγάφωνα υψηλών συχνοτήτων (τουίτερς). Αυτό διότι στην ακμή του σασί τους που δεν εφάπτεται στη καμπίνα θα έχουμε ανεπιθύμητη εκπομπή συχνοτήτων άρα και έμφαση στο συγκεκριμένο σημείο του φάσματος. Το ποια ακριβώς θα είναι αυτή η συχνότητα εξαρτάται από την ακτίνα του σασί του μεγαφώνου και αντίστοιχη στη συχνότητα με το ίδιο μήκος κύματος. Συνήθως είναι από επτά έως δέκα χιλιοκύκλους. Είναι γνωστό, ύστερα από παρατήρηση, ότι ο ήχος διαδίδεται γύρω από γωνίες και εμπόδια. Η μουσική από ένα δωμάτιο για παράδειγμα, μπορεί να ακουστεί και στο διάδρομο και σε άλλα δωμάτια. Οι χαμηλές νότες είναι εντονότερες. Αυτό συμβαίνει επειδή έχουν μεγαλύτερα μήκη κύματος και έτσι περιθλώνται ευκολότερα γύρω από γωνίες και εμπόδια. Η περίθλαση προκαλεί τη διάδοση του ήχου σε διαφορετικές κατευθύνσεις καθώς και την κάμψη του, που διαφορετικά θα διαδιδόταν ευθύγραμμα. Υπάρχουν διάφορες μορφές περίθλασης του ήχου. Περίθλαση του ήχου από εμπόδια, από οπές, από σχισμή, από την πλάκα με ζώνες και από διάφορα αντικείμενα. Υπάρχει επίσης η περίθλαση γύρω από το ανθρώπινο κεφάλι και η περίθλαση από τις ακμές κιβωτίου μεγαφώνου. 7.1 Περίθλαση γύρω από το ανθρώπινο κεφάλι Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται η περίθλαση που προκαλείται από μια σφαίρα με μέγεθος περίπου σαν αυτό του ανθρώπινου κεφαλιού. Η περίθλαση αυτή από το κεφάλι καθώς και οι ανακλάσεις και οι περιθλάσεις από τους ώμους και τον άνω κορμό επηρεάζουν την ανθρώπινη αντίληψη του ήχου. Όταν ένας ήχος συχνότητας 1-6 KHz καταφθάνει από μπροστά, η περίθλαση εξαιτίας του κεφαλιού τείνει να αυξήσει την πίεση του ήχου μπροστά και να την ελαττώσει στο πίσω μέρος του κεφαλιού. Για μικρότερες συχνότητες η μορφή της περίθλασης τείνει να γίνει κυκλική. 25

27 khz 6 khz 0 Direction of plane wave 5 db 0 db +5 db 90 Σχήμα 19: Περίθλαση γύρω από στερεά σφαίρα περίπου στο μέγεθος ανθρώπινου κεφαλιού. 7.2 Περίθλαση από τις ακμές κιβωτίου μεγαφώνου Τα φαινόμενα περίθλασης είναι προκαλούνται σε μεγάλο βαθμό από τα κιβώτια μεγαφώνου. Αν για παράδειγμα τοποθετήσουμε ένα μεγάφωνο στραμμένο προς τον τοίχο, τότε αυτός, εξακολουθεί να δέχεται ήχο, ο οποίος προέρχεται από περίθλαση από τις γωνίες του κιβωτίου. Η ποιότητα του ήχου ενδέχεται να αλλοιωθεί από τις ανακλάσεις αυτού του ήχου, στη θέση του ακροατή. Ο ήχος που φτάνει στο σημείο ακρόασης είναι το άθροισμα του απευθείας ήχου. Το άθροισμα φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. Οι διακυμάνσεις οφείλονται στην περίθλαση από τις ακμές για αυτήν την συνηθισμένη περίπτωση πλησίασαν τα +-5 db. Για ένα σύστημα αναπαραγωγής ήχου, η μεταβολή αυτή είναι σημαντική στην συνολική απόκριση της συχνότητας. Αν τοποθετήσουμε την πρόσοψη του κιβωτίου του μεγαφώνου, μπορεί να περιοριστεί αυτό το φαινόμενο γιατί η επιφάνεια διαφράγματος θα είναι μεγαλύτερη. Ένας άλλος τρόπος είναι να εξομαλύνουμε τις ακμές ή να χρησιμοποιήσουμε αφρό ή άλλο απορροφητικό στην πρόσοψη τoυ κιβωτίου. 26

28 Diffracted Direct Point source Observing point Σχήμα 20: Διάταξη για τη μέτρηση της περίθλασης από τις ακμές του κιβωτίου του μεγαφώνου. 8. Διάθλαση Κατά την εξέταση της ηχητικής διάδοσης, ιδιαίτερα στον εξωτερικό χώρο, η διάθλαση παίζει σημαντικό ρόλο. Με τη διάθλαση περιγράφουμε μια μεταβολή στη διεύθυνση διάδοσης του ήχου, που συντελείται όταν υπάρχει κάποια αλλαγή στο μέσο διάδοσης. Ειδικότερα, η αλλαγής το μέσο μεταβάλλει την ταχύτητα της διάδοσης του ήχου με αποτέλεσμα να κάμπτεται ο ήχος. Αρχικά, η διάδοση του ήχου σε μεγάλη απόσταση, επηρεάζεται σημαντικά από την διάθλαση στην ατμόσφαιρα. Ακόμη, η απόδοση των πηγών ήχου είναι συνήθως αρκετά χαμηλή. Επίσης, εξαιτίας της τριβής των μετώπων κύματος, στη μη λεία επιφάνεια της γης προκαλεί απώλεια ενέργειας. Μια ακόμη απώλεια οφείλεται στη διάχυση στην ατμόσφαιρα, με επίδραση ιδιαίτερα στις υψηλές συχνότητες. 8.1 Η φύση της διάθλασης Για τη διάδοση του ήχου απαραίτητο είναι να υπάρχει ένα μέσον, στη περίπτωση μας ο αέρας. Όταν ο ήχος κατά τη διάδοση του συναντήσει διαφορετική πυκνότητα του υλικού μέσω του οποίου διαδίδεται τότε αλλάζει η διεύθυνση διάδοσής του. Σε ένα κλειστό χώρo, λόγω της σταθερής θερμοκρασίας η πυκνότητα του αέρα είναι δεδομένη άρα η διάθλαση δε μας απασχολεί για κλειστούς χώρους αλλά μόνο για ανοιχτούς. 27

29 Η διάθλαση είναι η αλλαγή στη διεύθυνση διάδοσης του ήχου λόγω των διαφορών στην ταχύτητα διάδοσης. Είναι διαφορετική από την περίθλαση που είναι η αλλαγή στη διεύθυνση διάδοσης του ήχου όταν συναντά αιχμηρές πλευρές και φυσικά εμπόδια. Ο ίδιος ήχος είναι πιθανό να επηρεάζεται και από τα δυο αυτά φαινόμενα, όταν βρισκόμαστε σε πρακτικές καταστάσεις. 8.2 Διάθλαση του ήχου στα στερεά Οι ηχητικές ακτίνες είναι πάντοτε κάθετες στα μέτωπα κύματος του ήχου. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε δύο ηχητικές ακτίνες που διέρχονται από ένα πυκνό μέσο σε ένα πιο αραιό. Η ταχύτητα στο πυκνότερο μέσο είναι μεγαλύτερη από αυτή στο αραιό. Οι ηχητικές ακτίνες διαθλώνται όταν διαδίδονται από πυκνότερο μέσο με υψηλότερη ταχύτητα ήχου σε αραιότερο μέσο με μικρότερη ταχύτητα ήχου. Ενδεικτικά αναφέρουμε την ταχύτητα του ήχου σε κάποια μέσα: Πίνακας 1: Ταχύτητα ήχου σε διάφορα μέσα. 8.3 Διάθλαση του ήχου σε κλειστούς χώρους Όπως αναφέρθηκε στην αρχή, η διάθλαση σε εσωτερικούς χώρους παίζει πολύ μικρό ρόλο. Αν σκεφτούμε για παράδειγμα μια αίθουσα γυμναστηρίου που λειτουργεί και ως αίθουσα συνεδριάσεων, με ένα τυπικό σύστημα θέρμανσης και κλιματισμού εξομαλύνεται η θερμοκρασία στο χώρο και αποφεύγονται οι μεγάλες διακυμάνσεις, οριζόντια ή κατακόρυφα. Σε αυτήν την περίπτωση, που η θερμοκρασία είναι ομοιόμορφη και δεν υπάρχουν προβλήματα στη σχεδίαση του χώρου, τότε μπορούν να θεωρηθούν αμελητέες οι επιδράσεις της διάθλασης. Ας υποθέσουμε όμως ότι στην παραπάνω αίθουσα υπάρχει μόνο ένα θερμαντικό σώμα στερεωμένο στην οροφή. Αυτή η δεξαμενή θερμού αέρα και το στρώμα ψυχρού αέρα από κάτω θα μπορούσε να έχει μια επίδραση δεύτερης τάξης στη 28

30 διάδοση του ήχου από το ηχητικό σύστημα της αίθουσας καθώς και στην ακουστική του χώρου. Εξαιτίας λοιπόν της διάθλασης, οι διαμήκεις και εγκάρσιες διαδρομές του ήχου αυξάνονται σε μήκος λόγω της καμπυλότητας τους, και έτσι τα στάσιμα κύματα του δωματίου μεταβάλλονται ελαφρά. Η λύση είναι να τοποθετήσουμε το ηχητικό σύστημα ψηλά σε μια πλευρά της αίθουσας έτσι ώστε οι διαδρομές του ήχου να καμφθούν προς τα κάτω και έτσι να βελτιωθεί η κάλυψη του ακροατηρίου. 9 Η διάχυση Το φαινόμενο της διάχυσης συμβαίνει όταν ένα ηχητικό κύμα προσκρούει σε μια επιφάνεια με ακανόνιστες διαστάσεις. Τότε αυτό θα διασπαστεί σε πολλές μικρότερες, ενεργειακά, και με διαφορετικές κατεύθυνσης ανακλάσεις. Αυτό προσπαθούμε να πετύχουμε όταν καμπυλώνουμε τις ακμές ενός ηχείου ή όταν χρησιμοποιούμε τους λεγόμενους διαχυτές στη ηχητική διαμόρφωση ενός δωματίου. Οι θεωρητικοί, προκειμένου να καταστήσουν τους υπολογισμούς τους ευκολότερους υποθέτουν συχνά ένα πλήρως διάχυτο ηχητικό πεδίο (diffuse sound field), που είναι ομογενές και ισοτροπικό. Δηλαδή ένα ηχητικό πεδίο, όπου σε οποιοδήποτε σημείο, ο ήχος μπορεί να φθάσει από οποιαδήποτε κατεύθυνση και το πεδίο είναι το ίδιο σε όλο το δωμάτιο. Ειδικά στα μικρά δωμάτια, αυτό συμβαίνει πολύ σπάνια. Στους περισσότερους σχεδιασμούς δωματίων, εφόσον ο στόχος είναι η βύθιση του ακροατή στον ήχο, χρησιμοποιείται η διάχυση για αποτελεσματικότερη κατανομή του ήχου και για μια πιο ομοιόμορφη απόκριση σε όλο το δωμάτιο. Ιδιαίτερα στις χαμηλές συχνότητες, είναι πολύ δύσκολο να επιτύχουμε την ικανοποιητική διάχυση. Ωστόσο αυτή βοηθά πολύ στην προσπάθειά μας να επιτύχουμε την ομοιόμορφη κατανομή της ηχητικής ενέργειας σε όλο το δωμάτιο και για όλο το ακουστό φάσμα συχνοτήτων, αφού αποτελεί το βασικό στόχο του σχεδιασμού δωματίων. 9.1 Εκτίμηση της διάχυσης σε ένα δωμάτιο Προκειμένου να λάβουμε την απόκριση συχνότητας ενός ενισχυτή, παρατηρούμε το αποτέλεσμα για τη μέτρηση της απόκρισης αφού εισάγουμε ένα σήμα μεταβλητής συχνότητας. Με τον ίδιο τρόπο μπορούμε να παρατηρήσουμε το σύστημα αναπαραγωγής ήχου ενός δωματίου, με την αναπαραγωγή ενός σήματος μεταβλητής συχνότητας μέσω ενός μεγαφώνου και τη μέτρηση του ακουστικού σήματος που λαμβάνεται από ένα μικρόφωνο στο δωμάτιο. Εντούτοις, οι μη διαχυτικές συνθήκες 29

31 που υπάρχουν στο δωμάτιο, προκαλούν αποκλίσεις στις ακουστικές αποκρίσεις. Δηλαδή η ακουστική απόκριση των συστημάτων αναπαραγωγής του ήχου στα δωμάτια δεν είναι ποτέ τόσο επίπεδη όσο η απόκριση των ηλεκτρικών συσκευών. Επομένως, η πολλή διάχυση μπορεί να καταστήσει δύσκολο τον εντοπισμό της ηχητικής πηγής, ενώ όταν υπάρχει σε μικρά επίπεδα, είναι επιθυμητή επειδή βοηθά να περικλύσει τον ακροατή στο ηχητικό πεδίο. 9.2 Χωρική ομοιομορφία του χρόνου αντήχησης Αν θέλουμε να περιγράψουμε ακριβώς τον χρόνο αντήχησης σε μια δεδομένη συχνότητα, θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι η μέση τιμή πολλαπλών παρατηρήσεων σε κάθε μια από διάφορες θέσεις στο δωμάτιο. Στο ακόλουθο σχήμα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μετρήσεων από ένα μικρό τηλεοπτικό στούντιο όγκου 623 m3. Εκεί ηχογραφήθηκαν διάφορες αποσβέσεις αντήχησης για τις τρεις ίδιες θέσεις μικροφώνων τόσο για τις αντανακλαστικές όσο και για τις απορροφητικές συνθήκες. Είναι εμφανές ότι υπάρχουν σημαντικές διακυμάνσεις, άρα το ηχητικό πεδίο ενός δωματίου δεν είναι απολύτως ομοιογενές κατά τη διάρκεια αυτής της μεταβατικής περιόδου απόσβεσης Panels reflective Reverberation time sec Panels absorptive k 2k 4k 5k Frequency Hz Σχήμα 21: Χαρακτηριστικές καμπύλες χρόνου αντήχησης τηλεοπτικού στούντιο 30

32 Οι λόγοι για τους οποίους οι χρόνοι αντήχησης μεταβάλλονται από σημείο σε σημείο στο δωμάτιο είναι, οι ανομοιογένειες του ηχητικού πεδίου, οι αβεβαιότητες στην προσαρμογή της ευθείας γραμμής στα δεδομένα της απόσβεσης. Άρα συμπεραίνουμε ότι οι χωρικές διακυμάνσεις στο χρόνο αντήχησης συσχετίζονται, τουλάχιστον μερικώς, με το βαθμό διάχυσης στο χώρο. Στον ακόλουθο πίνακα παρουσιάζουμε μια ανάλυση του χρόνου αντήχησης για ένα μικρό στούντιο. Για την ανακλαστική συνθήκη στα 500 Ηz, ο μέσος χρόνος αντήχησης είναι 0,56 sec με μια τυπική απόκλιση 0,06 sec. Για μια κανονική κατανομή, το 68% των σημείων των δεδομένων θα περικλειόταν μεταξύ 0,50 και 0,62 sec. Αυτή η τυπική απόκλιση 0,06 αντιστοιχεί στο 11% τις μέσης τιμής 0,56. Τα ποσοστά που αναφέρονται στον πίνακα μας δίνουν μια πρόχειρη εκτίμηση της ακρίβειας της μέσης τιμής. Πίνακας 2: Χρόνος αντήχησης ενός μικρού στούντιο βιντεοληψίας. 31

33 ΜΕΡΟΣ Β: ΑΚΟΥΣΤΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Η πιο βασική ιδιότητα του ήχου που σχετίζεται με τον ακουστικό σχεδιασμό χώρων είναι η απορρόφηση. 10 Απορρόφηση Σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας, η ενέργεια μπορεί να μετατρέπεται από τη μία μορφή στην άλλη. Τα απορροφητικά υλικά μετατρέπουν την υπερβολική ηχητική ενέργεια που μπορεί να υπάρχει σε ένα δωμάτιο, σε μη επιβλαβείς μορφές. Οι απορροφητές ήχου είναι: πορώδεις, τύπου μεμβράνης και συντονισμού. Στις υψηλότερες συχνότητες χρησιμοποιούνται οι πορώδεις, ενώ στις χαμηλές οι μεμβράνης και συντονισμού. Η αρχή λειτουργίας των απορροφητών είναι ότι η ενέργεια δονήσεων των σωματιδίων του αέρα (δηλαδή ο ήχος) μπορεί να καταναλωθεί υπό τη μορφή θερμότητας σε μικροσκοπικό επίπεδο Κατανάλωση της ηχητικής ενέργειας Κατά τη διάδοση ενός ηχητικού κύματος στον αέρα, αρχικά προκύπτει μια μικρή απώλεια θερμότητας εξαιτίας της απορρόφησης από τον αέρα (Σχήμα 22). Με την πρόσκρουση του ήχου σε έναν τοίχο, δημιουργείται μια ανακλώμενη συνιστώσα που επιστρέφει στον αέρα από την επιφάνεια του ακουστικού υλικού. Το ακουστικό υλικό διαπερνάται από ένα μέρος του ήχου. Η διεύθυνση διάδοσης του ήχου διαθλάται προς τα κάτω επειδή το ακουστικό υλικό είναι πυκνότερο από τον αέρα. Λόγω της αντίστασης της τριβής του ακουστικού υλικού κατά την ταλάντωση των σωματιδίων του αέρα, υπάρχει μια απώλεια σε θερμότητα. Όταν η ηχητική ακτίνα προσκρούει στην επιφάνεια από σκυρόδεμα, τότε μια συνιστώσα ανακλάται και η ακτίνα κάμπτεται προς τα κάτω, αφού εισέρχεται σε πολύ πυκνότερο σκυρόδεμα. Καθώς η ηχητική ακτίνα συνεχίζει να ταξιδεύει και να εξασθενεί ολοένα και πιο πολύ, προσκρούει στη διαχωριστική επιφάνεια σκυροδέματος-αέρα και υφίσταται άλλη ανάκλαση και διάθλαση, απώλεια θερμότητας και στα 3 μέσα. 32

34 Σχήμα 22: Μια ηχητική ακτίνα που προσπίπτει σε ακουστικό υλικό τοίχου υφίσταται ανάκλαση από τρείς διαφορετικές επιφάνειες και απορρόφηση από τον αέρα και από δυο διαφορετικά υλικά, με διαφορετικούς βαθμούς διάθλασης σε κάθε διαχωριστική επιφάνεια Συντελεστές απορρόφησης Ο συντελεστής απορρόφησης αποτελεί ένα μέτρο της ικανότητας ενός υλικού να απορροφά τον ήχο. Η απορρόφηση μεταβάλλεται με τη γωνία πρόσπτωσης του ήχου στην επιφάνεια (η απορρόφηση εξαρτάται από τη συχνότητα). Η απορρόφηση του ήχου A που παρέχεται από μια συγκεκριμένη περιοχή του υλικού λαμβάνεται από το γινόμενο του συντελεστή απορρόφησης του με το εμβαδόν της περιοχής του υλικού που εκτίθεται στον ήχο. Άρα: A S όπου A μονάδες απορρόφησης σε sabins ή μετρικά sabins, S το εμβαδόν της περιοχής σε τετραγωνικά πόδια ή μέτρα και ο συντελεστής απορρόφησης. Η απορρόφηση του ήχου A μετριέται σε sabin, προς τιμήν του Wallace Sabine. Ένα ανοικτό παράθυρο θεωρείται τέλειος απορροφητής, επειδή ο ήχος που διέρχεται μέσω αυτού δεν επιστρέφει ποτέ στο δωμάτιο. 33

35 Κατά τον υπολογισμό της συνολικής απορρόφησης ενός δωματίου, όλα τα υλικά στο δωμάτιο θα συμβάλουν στην συνολική απορρόφηση, σύμφωνα με το εμβαδόν τους A S S S όπου S1, S2, S 3 τα εμβαδά των επιφανειών και 1, 2, 3 οι αντίστοιχοι συντελεστές απορρόφησης. Επιπλέον, ο μέσος συντελεστής απορρόφησης μπορεί να υπολογιστεί διαιρώντας τη συνολική απορρόφηση με το συνολικό εμβαδόν της επιφάνειας average A. S 10.3 Τοποθέτηση απορροφητικών υλικών Ο τρόπος τοποθέτησης έχει μεγάλη επίδραση στις απορροφητικές ιδιότητες του υλικού. Για παράδειγμα, η απορρόφηση στα πορώδη υλικά είναι πολύ μεγαλύτερη όταν υπάρχει διάκενο αέρα μεταξύ του υλικού και του τοίχου. Ο κανόνας τετάρτου μήκους κύματος (λ/4) δηλώνει ότι ο πορώδης απορροφητής για κανονική πρόσπτωση πρέπει να έχει πάχος τουλάχιστον ένα τέταρτο του μήκους του κύματος στη ζητούμενη συχνότητα Απορρόφηση από το πορώδες σε μεσαίες / υψηλές συχνότητες Τα υλικά που έχουν διάκενα μεταξύ των τμημάτων τους (πορώδη σύνθεση) μπορούν να λειτουργήσουν ως πορώδεις απορροφητές του ήχου. Έστω ότι έχουμε μια βαμβακοστιβάδα. Ο ήχος διεισδύει μέσα στα διάκενα του βαμβακιού, χάνοντας ενέργεια καθώς ταλαντώνονται οι ίνες. Το βαμβάκι και πολλά άλλα αφρώδη υλικά ανοικτών κυψελών, όπως ο πολυεστέρας και η πολυουρεθάνη, είναι εξαιρετικοί απορροφητές ήχου, λόγω της πορώδους σύστασης ανοικτών κυψελών που επιτρέπει τη διείσδυση των ηχητικών κυμάτων στο υλικό. Αντιθέτως, τα υλικά κλειστών κυψελών, όπως το πολυστυρένιο, δεν επιτρέπουν την διείσδυση του ήχου στο υλικό. Τα υλικά που είναι καλοί απορροφητές του ήχου, συνήθως αποτελούνται από κυτταρίνη ή ορυκτές ίνες. Η αποτελεσματικότητα τους εξαρτάται από την πυκνότητα του υλικού, το διάκενο αέρος και το πάχος του υλικού. 34

36 Σε μερικά δωμάτια υπάρχει υπερβολική χρήση ταπήτων και κουρτινών, αναδεικνύοντας ένα μειονέκτημα των πορώδων απορροφητών, αυτό της μικρής απορρόφησης σε χαμηλές συχνότητες. Έτσι, όχι μόνο προκαλείται υπεραπορρόφηση της ηχητικής ενέργειας σε υψηλές συχνότητες, αλλά ούτε επιλύεται το πρόβλημα της ακουστικής δωματίου, αυτό των στάσιμων κυμάτων σε χαμηλές συχνότητες Μονωτικά υλικά από υαλοβάμβακα Ο υαλοβάμβακας χρησιμοποιείται σε μεγάλες ποσότητες για την ακουστική επεξεργασία στούντιο ηχογραφήσεων, δωματίων ελέγχου και δημοσίων χώρων συγκεντρώσεων. Η μόνωση από υαλοβάμβακα συνοδεύεται κυρίως με χάρτινη πλάτη από χαρτί Kraft. Η μόνωση από υαλοβάμβακα αποτελεί ένα εξαιρετικό και ταυτόχρονα χαμηλού κόστους απορροφητικό υλικό. Υαλοβάμβακας: Πλάκες Στην ακουστική επεξεργασία ακουστικών δωματίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν ημίκαμπτες πλάκες από υαλοβάμβακα. Αυτός ο τύπος έχει μεγάλη πυκνότητα σε σχέση με τον υαλοβάμβακα δομικής μόνωσης. Μπορεί να καλύπτονται με ύφασμα λόγω της κακής τους εμφάνισης, όμως έχουν εξαιρετική απόδοση στην απορρόφηση του ήχου και χρησιμοποιούνται ευρέως στην επεξεργασία δωματίου. Υαλοβάμβακας: Ακουστικό πλακίδιο Η επιφανειακή επεξεργασία για τα πλακίδια αυτά περιλαμβάνει οπές σε ίσες αποστάσεις, τυχαίες οπές, σχισμές ή άλλες ειδικές συνθέσεις. Τα πλακίδια αυτά έχουν καλή φήμη για έλεγχο του θορύβου και των αντηχήσεων. Το αρνητικό είναι ότι δεν είναι πάντοτε γνωστοί οι συντελεστές απορρόφησης για κάθε πλακίδιο (Σχήμα 23) Άλλοι τύποι απορροφητικών υλικών Απορροφητικά υλικά που συχνά χρησιμοποιούνται είναι και: αφροί ανοικτών κυψελών, κουρτίνες, τάπητες, απορροφητές τύπου μεμβράνης (συντονισμού ή αντιδραστικοί απορροφητές), παγίδες μπάσων, αντηχεία Helmholtz, διάτρητοι απορροφητές, απορροφητές με πηχάκια, πολυκυλινδρικοί απορροφητές/διαχυτές. 35

37 Σχήμα 23: Χαρακτηριστική καμπύλη απορρόφησης οκτώ ακουστικών πλακιδίων με πάχος 2 cm. Οι κατακόρυφες γραμμές δείχνουν τη διασπορά των δεδομένων Πολυκυλινδρικοί διαχυτές Όπως αναφέρθηκε, η διάχυση του ήχου είναι ιδιαίτερα επιθυµητή σε ένα κλειστό χώρο, καθώς συµβάλει στην οµοιόµορφη κατανοµή του ήχου. Στον παρελθόν η διάχυση αναζητούνταν µε ρυθµίσεις των αναλογιών των δωµατίων, µε στρέβλωση των τοίχων, µε χρήση ηµισφαιρικών, πολυκυλινδρικών, τριγωνικών και άλλων γεωµετρικών προεξοχών καθώς και µε την κατανοµή του απορροφητικού υλικού µέσα σ αυτόν. Σήµερα η χρήση των διαχυτών, διατάξεων που διαχέουν τον ήχο µε τον επιθυµητό τρόπο, έχει δώσει µεγάλη ώθηση στον ακουστικό σχεδιασµό ενός χώρου [1]. Η χρήση ενός υλικού που εµφανίζει µια κυρτή τοµή κυλίνδρου είναι πολύ αποτελεσµατική στην διάχυση του ήχου. Ένα τέτοιο υλικό ονοµάζεται πολυκυλινδρικός διαχυτής και έχει τη δυνατότητα να ανακλά και να διασκορπίζει τον ήχο, να τον απορροφά και τέλος να τον ακτινοβολεί και πάλι. Τέτοια στοιχεία χρησιµοποιούνται σαν απορροφητές στην περιοχή των χαµηλών συχνοτήτων. Το τµήµα του ήχου που δεν απορροφάται, ακτινοβολείται και πάλι λόγω λειτουργίας του παραπάνω υλικού ως διαφράγµατος και αυτό γίνεται σε γωνία περίπου Ένα παρόµοιο επίπεδο στοιχείο επανακτινοβολεί τον ήχο σε µια πολύ µικρότερη γωνία, περίπου

38 Στο ακόλουθο σχήµα φαίνεται ένας πολυκυλινδρικός διαχυτής και ένα αντίστοιχο επίπεδο στοιχείο, ενώ στο επόμενο σχήµα συγκρίνεται η επίδραση που έχει η χρήση ενός απορροφητικού υλικού, ενός ανακλαστικού υλικού και ενός διαχυτή σε ένα ηχητικό κύµα που προσπίπτει σ αυτό. Σχήμα 24: Πολυκυλινδρικός διαχυτής και αντίστοιχο επίπεδο στοιχείο. Σε περίπτωση που πρόκειται να χρησιµοποιηθούν πολυκυλινδρικοί διαχυτές ως στοιχεία διάχυσης σε ένα κλειστό χώρο, καλό είναι να χρησιµοποιηθούν διάφορα µεγέθη, ώστε η τελική διάταξη να επηρεάζει µια µεγάλη ζώνη συχνοτήτων. Για παράδειγµα ένας τοίχος που καλύπτεται από πολυκυλινδρικούς διαχυτές ίδιων διαστάσεων µπορεί να είναι καλαίσθητος όµως δεν είναι τόσο αποτελεσµατικός στην διάχυση. Η κανονικότητα της κατασκευής θα επηρεάζει µια συγκεκριµένη συχνότητα µε πολύ διαφορετικό τρόπο από ότι άλλες, γεγονός που είναι αντίθετο από αυτό που πρέπει να κάνει ο ιδανικός διαχυτής. Σχήμα 25: Σύγκριση απόκρισης τριών υλικών κατά την πρόσπτωση ηχητικού κύµατος. 37

39 11 Ακουστική μικρών studio ηχογραφήσεων Τα μικρά studio ηχογράφησης παίζουν ένα σημαντικό ρόλο στην επαγγελματική βιομηχανία ηχογράφησης μουσικής, λόγω του χαμηλού τους κόστους και της μεγάλης διαθεσιμότητάς τους. Η μουσική που ηχογραφείται σε αυτά τα στούντιο είναι κατάλληλη για έκδοση σε δίσκο ή για downloading και μεταπώληση. Μια άλλη λειτουργία των μικρών στούντιο είναι η χρησιμότητά τους ως μη κερδοσκοπικοί οργανισμοί, που παράγουν υλικό τόσο για εκπαιδευτικούς όσο και για διαφημιστικούς σκοπούς. Χρησιμοποιούνται δηλαδή για την παραγωγή κοινοτικών ραδιοφωνικών σταθμών, σταθμών τηλεόρασης και καλωδιακών προγραμμάτων. Ένα επιτυχημένο στούντιο ηχογραφήσεων θεωρείται αυτό που είναι συνεχώς κατειλημμένο και αποδίδει χρήματα. Όταν ο ηχογραφημένος ήχος γίνεται αποδεκτός από το ακροατήριο για το οποίο προορίζεται, τότε το στούντιο περνά με επιτυχία τη δοκιμή. Υπάρχουν κι άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την αποδοχή του στούντιο βέβαια, αλλά σε μακροχρόνια βάση, η ποιότητα του ήχου του στούντιο είναι μείζονος σημασίας για την αξιολόγησή του. Η ακουστική απόκριση, όπως λαμβάνεται από τα μικρόφωνα είναι υψίστης σημασίας σε ένα στούντιο ηχογράφησης Οι χώροι του στούντιο ηχογράφησης Οι απολύτως απαραίτητοι χώροι ενός επαγγελματικού στούντιο είναι το control-room και τουλάχιστον ένας επιπλέον χώρος όπου ένας ή περισσότεροι μουσικοί παίζουν ζωντανά τα προς ηχογράφηση μουσικά τους μέρη. Ιδανικά η διαμόρφωση ενός επαγγελματικού στούντιο απαιτεί εκτός του control-room και του live ή play-room όπου παίζουν ζωντανά οι μουσικοί, ένα drum-booth, το οποίο «φιλοξενεί» τον drummer κυρίως και ένα vocal-booth αποκλειστικά για τον τραγουδιστή ή για τις ανάγκες ενός «σπικάζ». Το control-room είναι η καρδιά ενός στούντιο αφού εκεί βρίσκεται το μεγαλύτερο μέρος του εξοπλισμού του. Στο control-room βρίσκονται τα μαγνητόφωνα (σε αναλογική, ψηφιακή μορφή ή σε συνδυασμό και των δύο), η κονσόλα, η οποία μπορεί και αυτή να είναι αναλογική, ψηφιακή ή απλά ένα tactile surface (θα εξηγήσουμε αργότερα τις διαφορές μεταξύ τους), τα περιφερειακά μηχανήματα επεξεργασίας του ήχου, τα ψηφιακά και αναλογικά εφέ, τα ηχεία με τα οποία ο ηχολήπτης κάνει monitoring, αλλά και πολλές ακόμη κατηγορίες μηχανημάτων τα οποία, ανάλογα με τον ιδιαίτερο μουσικό προσανατολισμό που έχει το κάθε στούντιο, 38

40 μπορεί και να διαθέτει στον τεχνολογικό του εξοπλισμό (όπως π.χ. synthesizers, samplers, mother keyboards, videoplayers κ.λ.π.). Ένα βοηθητικό μικρό συνήθως δωμάτιο υπήρχε παλαιότερα δίπλα στο C.R. για να φιλοξενεί τα μαγνητόφωνα, το οποίο λεγόταν Machine-room. Ο σκοπός της ύπαρξης αυτού του δωματίου ήταν κατ αρχάς να απομονώσει τα θορυβώδη αναλογικά ή ψηφιακά μαγνητόφωνα ταινίας από τον κυρίως χώρο του control-room ώστε η στάθμη θορύβου μέσα σε αυτόν να διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα, αλλά και να τα προφυλάξει από την σκόνη και τον καπνό του τσιγάρου. Στις μέρες μας τα μαγνητόφωνα ταινίας βρίσκονται σε χρήση σε μικρό πλέον αριθμό στούντιο (αν και τελευταία υπάρχει μια τάση επιστροφής στην χρήση των αναλογικών μαγνητοφώνων ταινίας), αλλά η ανάγκη ύπαρξης του Machine-room εξακολουθεί να υφίσταται αφού πλέον χρησιμοποιούνται κομπιούτερς (συνήθως περισσότερα από ένα) τα οποία παρά τα εξελιγμένα συστήματα ψύξης (liquid-cooled) που διαθέτουν εξακολουθούν να είναι πηγή θορύβου μη αποδεκτή σε οποιοδήποτε control-room. Είναι βέβαια αυτονόητο ότι εάν το στούντιο δεν διαθέτει ογκώδη μαγνητόφωνα ταινίας οι διαστάσεις του Machine-room μπορούν να είναι σχετικά περιορισμένες. Αυτονόητο επίσης είναι ότι ο χώρος αυτός πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στο controlroom ώστε να είναι εύκολη η πρόσβαση σε αυτό αλλά και εφικτή η καλωδίωση με το υπόλοιπο σετ των μηχανημάτων του control-room αλλά και η επέκταση των καλωδίων του πληκτρολογίου του ποντικιού, της οθόνης ή οποιουδήποτε άλλου μέσου ελέγχου του υπολογιστή. Η επιλογή των μηχανημάτων που θα εξοπλιστεί ένα στούντιο ηχογράφησης είναι ένα ζήτημα το οποίο αντιμετωπίζεται με ιδιαίτερη προσοχή ώστε αυτά να είναι τα πλέον κατάλληλα σε σχέση με την μουσική κατεύθυνση που έχει το συγκεκριμένο στούντιο αλλά και να καλύπτονται από τον προϋπολογισμό που έχει τεθεί εξ αρχής. Όσο σημαντικός είναι όμως ο εξοπλισμός ενός control-room άλλο τόσο σημαντική είναι και η ακουστική σχεδίασή του. Το καλό control-room είναι αυτό που έχει καλό εξοπλισμό μεν αλλά και προσεκτική και λεπτομερή ακουστική σχεδίαση. Εν ολίγοις το δωμάτιο πρέπει να έχει ομοιογενή αλλά και ισορροπημένο ήχο σε όλο το φάσμα των ακουστικών συχνοτήτων. Στην παρακάτω εικόνα φαίνονται η κονσόλα μίξης (mixing desk), η θέση του ηχολήπτη, το rack με τα εφέ και τα περιφερειακά μηχανήματα (outboard), τα εντοιχισμένα ηχεία (main monitors), το machine-room στο πίσω αριστερά μέρος του δωματίου ενώ στην συγκεκριμένη περίπτωση ο αντίστοιχος χώρος στο δεξί πίσω μέρος του δωματίου χρησιμεύει σαν χώρος αποθήκευσης των μικροφώνων. Στον μπροστινό τοίχο και 39

41 ανάμεσα στα ηχεία υπάρχει το τζάμι μέσω του οποίου υπάρχει οπτική επαφή ανάμεσα στον ηχολήπτη και τους μουσικούς που βρίσκονται στο live-room (ή αλλιώς play-room). Σχήμα 26: Κάτοψη ενός τυπικού control-room. Στην κάτοψη αυτή είναι εμφανής η συμμετρία που υπάρχει στις διαστάσεις αλλά και στην διάταξη των μεγάλων αντικειμένων (μηχανημάτων και επίπλων) μέσα στον χώρο, μια πρακτική στην σχεδίαση, η οποία βοηθάει την σωστή ακουστική του χώρου και ιδιαίτερα την σωστή αντίληψη της στερεοφωνικής εικόνας. Ένα άλλο αξιοσημείωτο είναι το τελικό σχήμα των εσωτερικών επιφανειών του δωματίου όπου είναι φανερή η προσπάθεια να αποφευχθεί η παραλληλία των τοίχων γεγονός το οποίο επίσης βοηθάει στην ακουστική. Τρίτο στοιχείο είναι η σημαντική απόσταση των εσωτερικών επιφανειών από τις εξωτερικές αρχικές επιφάνειες, έτσι ώστε το κενό ανάμεσα τους να χρησιμοποιηθεί για την ηχομόνωση ή αν θέλετε την 40

42 ηχητική απομόνωση από τους συνορεύοντες χώρους του στούντιο ή από άλλους γειτονικούς χώρους του κτιρίου. Η σχεδίαση και κατασκευή ενός στούντιο ηχογραφήσεων είναι πάρα πολύ πολύπλοκη, εμπεριέχει πολλές παραμέτρους και απαιτεί γνώσεις και εμπειρία πάνω στο αντικείμενο της επιστήμης της ακουστικής Προδιαγραφές θορύβου περιβάλλοντος Ένα στούντιο οφείλει να είναι αθόρυβο κάθε στιγμή. Θα πρέπει δηλαδή να έχει χαμηλή στάθμη θορύβου περιβάλλοντος και να μην υπάρχουν παροδικοί θόρυβοι. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί επιλέγοντας κάποια αθόρυβη τοποθεσία, μακριά από διασταυρώσεις, αεροδρόμια, τρένα κλπ. Ενδεχομένως να απαιτηθεί και χρήση πλωτών δαπέδων για την απόλυτη απομόνωση. Επίσης, εάν ο υπό μελέτη χώρος βρίσκεται μέσα σε κάποιο μεγαλύτερο κτήριο, θα πρέπει να αξιολογηθούν και άλλες πηγές θορύβου και δονήσεων που μπορεί να προκύπτουν από τους άλλους ορόφους. Η δομή των τοίχων καθορίζει το βαθμό εξασθένησης της εξωτερικής πηγής, τόσο για την οροφή όσο και για το δάπεδο. Θα πρέπει ακόμη, να εξετάσουμε και όλους τους τους ενδεχόμενους θορύβους από τα τμήματα υποστήριξης του στούντιο όπως είναι η γραμματεία, το λογιστήριο, οι φορτοεκφορτώσεις κλπ. Τέλος, το σύστημα του στούντιο θα πρέπει να σχεδιαστεί σύμφωνα με τους ζητούμενους στόχους κριτηρίων θορύβου. Οι ανεμιστήρες, οι αεραγωγοί και οι περσίδες προκαλούν διάφορους ήχους που πρέπει να ελαχιστοποιηθούν Ακουστικά χαρακτηριστικά του στούντιο Όταν βρισκόμαστε σε ένα στούντιο, ο ήχος που συλλαμβάνεται από τα μικρόφωνα αποτελείται και από απευθείας και από έμμεσο ήχο. Απευθείας και έμμεσος ήχος Ο απευθείας ήχος είναι ο ίδιος με αυτόν που θα υπήρχε αν βρισκόμασταν στην ύπαιθρο ή σε ανηχοϊκό θάλαμο. Ο έμμεσος ήχος, που ακολουθεί αμέσως μετά τον απευθείας, είναι ο ήχος που είναι αποτέλεσμα όλων των διάφορων φαινομένων μη ελεύθερου πεδίου που χαρακτηρίζουν έναν κλειστό χώρο. Τα φαινόμενα αυτά είναι μοναδικά σε ένα συγκεκριμένο δωμάτιο και συνιστούν την ακουστική απόκριση. Οτιδήποτε δεν είναι απευθείας ήχος, είναι ήχος από ανάκλαση, δηλαδή έμμεσος ήχος. 41

43 Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται ο τρόπος μεταβολής της στάθμης του ήχου με την απόσταση από την πηγή για διάφορες τιμές απορρόφησης. Η πηγή μπορεί να είναι κάποιος που μιλά, ένα μουσικό όργανο ή ένα μεγάφωνο. Σχήμα 27: Η στάθμη πίεσης ήχου σε κλειστό χώρο μεταβάλλεται με την απόσταση από την ηχητική πηγή σύμφωνα με την απορροφητικότητα του χώρου. Ρόλος της ακουστικής επέμβασης δωματίου Ο πραγματικός κόσμος της ακουστικής των στούντιο βρίσκεται μεταξύ των δύο ακρότατων της πλήρους αντήχησης και της απουσίας αντήχησης. Το δωμάτιο που παριστάνεται στην καμπύλη C είναι πολύ πιο νεκρό από το δωμάτιο της καμπύλης D. Στην πράξη, ο απευθείας ήχος μπορεί να παρατηρηθεί σε μικρή απόσταση από την πηγή, αλλά μετά από αυτό κυριαρχεί ο έμμεσος ήχος. Ένας μεταβατικός ήχος που συλλαμβάνεται από μικρόφωνο σε στούντιο, θα κυριαρχείται για τα πρώτα μερικά ms από την απευθείας συνιστώσα, μετά τα οποία καταφτάνει στο μικρόφωνο ο έμμεσος ήχος με τη μορφή ανακλάσεων από τις επιφάνειες του δωματίου. Οι ανακλάσεις αυτές είναι διασκορπισμένες χρονικά εξαιτίας των διαφορετικών μηκών διαδρομών στις οποίες κινούνται. Οι συντονισμοί του δωματίου, οι οποίοι προέρχονται από τον ανακλώμενο ήχο αποτελούν την δεύτερη συνιστώσα έμμεσου ήχου. Ο απευθείας ήχος από την πηγή διεγείρει αυτούς τους συντονισμούς, προκαλώντας τα φαινόμενα της διάθλασης, ανάκλασης κλπ. Όταν παύσει η διέγερση από την πηγή, κάθε ρυθμός αποσβένει με τη δική του ταχύτητα απόσβεσης. Ήχοι με πολύ μικρή χρονική διάρκεια δεν διαρκούν 42

44 αρκετά ώστε να διεγείρουν πλήρως τους συντονισμούς του δωματίου. Ο έμμεσος ήχος εξαρτάται επίσης από τα υλικά κατασκευής όπως πόρτες, παράθυρα, τοίχοι και δάπεδα. Και αυτά εξαναγκάζονται σε ταλάντωση από τον ήχο της πηγής, και όταν απομακρυνθεί η διέγερση αποσβένουν και αυτά με τη δική τους ταχύτητα. Όλες αυτές οι συνιστώσες έμμεσου ήχου συν τον απευθείας ήχο, έχουν το ανάλογο τους στα μουσικά όργανα. Μπορούμε να φανταστούμε το στούντιό μας σαν ένα μουσικό όργανο Όγκος και ρυθμοί δωματίου Οι ακουστικές ανωμαλίες που προκύπτουν από την απόσταση μεταξύ των συχνοτήτων συντονισμού του δωματίου, είναι σχεδόν δεδομένες όταν μιλάμε για ένα μικρό δωμάτιο. Ένα κυβικό δωμάτιο κατανέμει τις συχνότητες με το χειρότερο δυνατό τρόπο, συσσωρεύοντας και τις τρεις θεμελιώδεις και κάθε τριάδα πολλαπλάσιών τους με μέγιστα διάκενα μεταξύ των ρυθμών. Θα πρέπει λοιπόν να προσέχουμε τις αναλογίες των διαστάσεων του δωματίου για καλύτερη κατανομή των αξονικών ρυθμών. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στα μικρά δωμάτια. Τα μεγάλα δωμάτια έχουν το εγγενές πλεονέκτημα μεγαλύτερου πλήθους ρυθμών και κατά συνέπεια ομαλότερης απόκρισης χαμηλής συχνότητας. Εάν στο υπό μελέτη δωμάτιο υπάρχουν λιγότεροι αξονικοί ρυθμοί χαμηλής συχνότητας από ότι είναι επιθυμητό, και αυτό συμβαίνει πάντοτε σε μικρά δωμάτια, οι ρυθμοί πρέπει να κατανεμηθούν όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφα. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί επιλέγοντας μια από τις ευνοϊκές αναλογίες δωματίου. Πίνακας 3: Διαστάσεις στούντιο. 43

45 Ανάλυση ρυθμών για διάφορα μεγέθη δωματίου Παρατηρώντας το ακόλουθο σχήμα αναδεικνύεται η αύξηση στο πλήθος των αξονικών ρυθμών καθώς αυξάνει ο όγκος. Ως αποτέλεσμα, προκύπτει το όφελος μικρότερων αποστάσεων στους ρυθμούς χαμηλών συχνοτήτων και έτσι ομαλότερη απόκριση χαμηλής συχνότητας. Στον πίνακα παρατίθεται η μεταβολή του πλήθους των αξονικών ρυθμών κάτω από 300 Hz από 18 για μικρό στούντιο σε 33 για μεγάλο. Η απόκριση για χαμηλών συχνοτήτων των δυο μικρότερων στούντιο στα 45.9 και 30.6 Hz είναι υποδεέστερη από αυτή του μεγάλου στούντιο στα 22.9 Hz. Small studio Medium studio Amplitude Large studio Frequency Hz Σχήμα 28: Σύγκριση των συντονισμών των αξονικών ρυθμών σε μικρό (28 m3), μεσαίο (96 m3), και μεγάλο (25 m3) στούντιο, που όλα έχουν τις αναλογίες 1.00:1.28:1.54. Πίνακας 4: Συντονισμοί στούντιο. Small Studio Medium Studio Large Studio Number of axial modes below 300 Hz Lowest axial mode (Hz) Average mode spacing (Hz) Frequency corresponding to room diagonal (Hz) Assumed reverberation time of studio (sec) Mode bandwidth (2.2/RT 60 )

46 Στον Πίνακα αναφέρεται και η μέση απόσταση των ρυθμών με βάση την περιοχή συχνοτήτων από τον μικρότερο ρυθμό στα 300 Hz. Η μέση απόσταση κυμαίνεται από τα 14.1 Hz για το μικρό στούντιο στα 8.4 Hz για το μεγάλο στούντιο. Ο όγκος του δωματίου είναι επομένως ένας σημαντικός παράγοντας όσον αφορά την ποιότητα της ηχογράφησης του ήχου και συγκεκριμένα, τα μικρά στούντιο παρουσιάζουν μια εγγενή αδυναμία. Υπάρχουν και άλλοι ρυθμοί εκτός από τους αξονικούς. Η κύρια διαγώνια διάσταση του δωματίου παριστάνει επίσης την κατώτατη συχνότητα των συντονισμών δωματίου εξαιτίας των πλάγιων ρυθμών. Έτσι, η συχνότητα που αντιστοιχεί στη διαγώνιο του δωματίου και αναφέρεται στον πίνακα είναι ένα εναλλακτικό μέτρο της ικανότητας χαμηλών συχνοτήτων του δωματίου πέρα από την κατώτατη αξονική συχνότητα. Οι χρόνοι αντήχησης που παρατίθενται στον πίνακα είναι οι ονομαστικές τιμές για τα αντίστοιχα μεγέθη στούντιο. Το εύρος ζώνης των ρυθμών κυμαίνεται από 3 Ηz για τα μεγάλα στούντιο σε 7 Ηz για τα μικρά στούντιο. Το πλεονέκτημα των μικρότερων αποστάσεων των αξονικών ρυθμών στο μεγάλο στούντιο τείνει να αναιρεθεί από το μικρότερο εύρος ζώνης ρυθμών. Έτσι βλέπουμε να προκύπτουν ασύμβατοι παράγοντες καθώς διαπιστώνουμε το πλεονέκτημα της αλληλεπικάλυψης των παρυφών των ρυθμών. Γενικά, ωστόσο, το μεγαλύτερο πλήθος των αξονικών αξονικών ρυθμών για μεγάλο στούντιο μαζί με την επέκταση απόκρισης δωματίου στις μικρές συχνότητες, παράγει απόκριση ανώτερη από την απόκριση του μικρού στούντιο. Επομένως, στούντιο με πολύ μικρό όγκο έχει θεμελιώδη προβλήματα απόκρισης ως προς τους συντονισμούς δωματίου. Μεγαλύτερος όγκος στούντιο, δίνει ομαλότερη απόκριση. Ανωμαλίες στην απόκριση συχνοτήτων που συναντούμε σε στούντιο με όγκους μικρότερους από 40m 3 είναι αρκετά σοβαρά, ώστε να καθιστούν τα μικρά δωμάτια μη πρακτικά Χρόνος αντήχησης Τα τρία είδη έμμεσου ήχου συνθέτουν την αντήχηση. Η κάθε συνιστώσα της αντήχησης δεν αποκαλύπτεται με τη μέτρηση του χρόνου της αντήχησης. Αυτός ακριβώς είναι ο λόγος που ο χρόνος αντήχησης αδυνατεί να αποτελέσει δείκτη της ακουστικής ποιότητας του δωματίου. Η σημαντική δράση μιας ή περισσότερων από τις συνιστώσες αντήχησης μπορεί να επισκιαστεί από τη διαδικασία σύνθεσης. Έτσι 45

47 καταλαβαίνουμε ότι ο χρόνος αντήχησης δεν είναι ο μοναδικός δείκτης των ακουστικών συνθηκών στο στούντιο. Αντήχηση σε μικρά δωμάτια Υποστηρίζεται από κάποιους ότι η ιδέα του χρόνου αντήχησης σε σχετικά μικρά δωμάτια είναι ανακριβές να εφαρμοστεί. Είναι γεγονός ότι ένα γνήσιο πεδίο αντήχησης ίσως να μην υπάρχει σε μικρούς χώρους. Η εξίσωση αντήχησης Sabine βασίζεται σε στατιστικές ιδιότητες τυχαίου ηχητικού πεδίου. Μπορεί θεωρητικά να μην είναι σωστό να εφαρμόσουμε αυτήν την εξίσωση για να υπολογίσουμε το χρόνο αντήχησης ενός μικρού δωματίου, αλλά πρακτικά γίνεται. Ο χρόνος αντήχησης είναι ένα μέτρο της ταχύτητας εξασθένησης. Χρόνος αντήχησης 0.5 sec σημαίνει ότι εξασθένηση 60 dβ πραγματοποιείται σε 0.5 sec. Εναλλακτικά αυτό εκφράζεται ως εξής: 60 db / 0.5 sec = 120 db / sec ταχύτητα εξασθένησης. Ακόμη και στις μικρές συχνότητες που το πεδίο είναι ελάχιστα διάχυτο, ο ήχος εξασθενεί με συγκεκριμένη ταχύτητα. Ακόμη κι αν μόνο μερικοί ρυθμοί περιέχονται στη μετρούμενη ζώνη, η ηχητική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στις συχνότητες ρυθμών εξασθενεί με κάποια μετρήσιμη ταχύτητα. Αν θέλουμε να εκτιμήσουμε τις ανάγκες απορρόφησης σε διαφορετικές συχνότητες, είναι πρακτικό να εφαρμόσουμε την εξίσωση Sabine, έχοντας υπόψιν μας τους περιορισμούς. Πρέπει τέλος, να σημειωθεί ότι, ενώ ο χρόνος αντήχησης είναι χρήσιμος για ένα σχεδιαστή για να υπολογίσει το απαιτούμενο ποσό απορρόφησης για την ακουστική εγκατάσταση του δωματίου, οι τιμές του χρόνου αντήχησης σε ένα μικρό στούντιο δεν είναι το ίδιο σημαντικές με ένα μεγάλο χώρο. Κι αυτό γιατί στο μικρό χώρο το ηχητικό πεδίο δεν είναι τυχαίο. Βέλτιστος χρόνος αντήχησης Όταν ο χρόνος αντήχησης είναι πολύ μεγάλος, οι μουσικές φράσεις και οι συλλαβές της ομιλίας επικαλύπτονται, και έτσι υποβαθμίζεται η κατανόηση της μουσικής ποιότητας και της ομιλίας. Από την άλλη, αν ο χρόνος αντήχησης είναι πολύ μικρός, η ποιότητα ειδικά της μουσικής αλλά και της ομιλίας υποβαθμίζεται αφού χάνουν το χαρακτήρα τους. Δυστυχώς τα φαινόμενα αυτά δεν είναι καθορισμένα λόγω του ότι υπεισέρχονται πολλοί άλλοι παράγοντες. Για παράδειγμα αν έχουμε ανδρική η γυναικεία φωνή, Αγγλικά ή Γερμανικά (διαφορετικές συλλαβές ανά λεπτό), μουσική ροκ ή βαλς, φλογέρα ή έγχορδο, όργανο ή φωνητικά. Στο ακόλουθο σχήμα βλέπουμε ένα προσεγγιστικό βέλτιστο, το οποίο αν το ακολουθήσουμε θα λάβουμε λογικές και χρήσιμες συνθήκες για πολλούς τύπους ηχογραφήσεων. Μια συμβιβαστική λύση για 46

48 στούντιο που χρησιμοποιούνται για ηχογράφηση τόσο ομιλίας όσο και μουσικής παριστάνεται στη γραμμοσκιασμένη περιοχή Reverberation time sec Speech Music ,000 2,000 5,000 10,000 20,000 30,000 Room volume cu ft Σχήμα 29: Συνιστώμενοι χρόνοι αντήχησης για στούντιο ηχογραφήσεων. Το σκιασμένο χωρίο παριστάνει μια περιοχή συμβιβαστικής λύσης για στούντιο όπου ηχογραφούνται μουσική και ομιλία Διάχυση Η αίσθηση ευρυχωρίας μέσω των πολλαπλών χωρικών ανακλάσεων δημιουργείται λόγω της διάχυσης. Η στρέβλωση των τοίχων και η χρήση γεωμετρικών προεξοχών έχουν μικρή επίδραση στην διάχυση. Η κατανομή του απορροφητικού υλικού αποτελεί έναν πρακτικό τρόπο όχι μόνο για να πετύχουμε κάποια διάχυση, αλλά και για να αυξήσουμε την απορροφητικότητα. Για να επιτευχθεί η διάχυση σε μικρά στούντιο, μπορούμε εύκολα να εγκαταστήσουμε απορροφητικές μονάδες πλέγματος περίθλασης Θόρυβος Σε ένα μικρό στούντιο, τοίχοι, δάπεδα και οροφές θα πρέπει να κατασκευάζονται με υψηλή απώλεια μετάδοσης και αποσύζευξης από τον εξωτερικό θόρυβο και τις πηγές δονήσεων. Έτσι διασφαλίζεται η χαμηλή στάθμη θορύβου περιβάλλοντος, κάτι το οποίο αποτελεί βασική προϋπόθεση για καλή ποιότητα ηχογράφησης. Ο διαχωρισμός μεταξύ στούντιο ηχογράφησης και δωματίου ελέγχου είναι ιδιαίτερα κρίσιμος. Πρέπει να υπάρχει καλή απομόνωση, έτσι ώστε οι μηχανικοί στο δωμάτιο ελέγχου να ακούν μόνο τον ήχο από τα μεγάφωνα ελέγχου, δηλαδή αυτό ακριβώς που ηχογραφείται. 47

49 ΜΕΡΟΣ Γ: ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ Σε αυτό το μέρος της εργασίας θα παρουσιαστεί αρχικά ένα παράδειγμα σχεδιασμού στούντιο από την βιβλιογραφία. Η πολύπλοκη αυτή διαδικασία βασίζεται σε μεγάλη εμπειρία του σχεδιαστή και δεν εξασφαλίζει τον βέλτιστο σχεδιασμό. Στη συνέχεια θα προταθούν δύο νέες μεθοδολογίες με στόχο την βέλτιστη απορροφητικότητα του στούντιο με όσο το δυνατόν λιγότερη επέμβαση του σχεδιαστή. 12 Παράδειγμα σχεδιασμού στούντιο Ακολουθεί ένα παράδειγμα της μεθοδολογίας που μπορεί να ακολουθηθεί για τη σχεδίαση των βασικών ακουστικών χαρακτηριστικών ενός μικρού στούντιο. Ας θεωρήσουμε ένα δωμάτιο με διαστάσεις 25 x 16 x 10 ft (7,62 x 4,88 x 3,05 m). Έστω ότι μας ενδιαφέρει κυρίως η συμβατική μουσική που παράγεται από ένα φωνητικό και μουσικό σύνολο. Με όγκο περίπου 4000 ft 3 (113 m 3 ), μπορούμε να επιλέξουμε χρόνο αντήχησης περίπου 0,6 sec. Οι αναλογίες δεν είναι ιδανικές για την απόκριση ρυθμών. Μια καταλληλότερη αναλογία θα είχε για μήκος δωματίου 7 m αντί για το υφιστάμενο 7,62 m. Μπορούμε να στενέψουμε το δωμάτιο, αλλά σε αυτήν την περίπτωση το μήκος δεν δημιουργεί σοβαρά προβλήματα αξονικών ρυθμών. Σε πολλούς σχεδιασμούς, συμβιβασμοί όπως αυτός είναι αναπόφευκτοι. Μάλιστα αποτελεί αντικείμενο της δουλειάς του σχεδιαστή τόσο από ακουστικής όσο και από οικονομικής πλευράς, να καταλαβαίνει πότε ένας συμβιβασμός είναι αποδεκτός και πότε όχι. Επειδή ασχολούμαστε με ένα μικρό μουσικό στούντιο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε διαχωριστικά, και επειδή αναζητούμε καλή διάχυση και λαμπρότητα, πολυκυλινδρικοί απορροφητές μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν Σχεδιαστικός στόχος απορρόφησης Η διαδικασία σχεδίασης ξεκινάει με κάποιες γενικές εκτιμήσεις για την απορρόφηση. Ζητείται χρόνος αντήχησης 0,6 sec. Για ένα στούντιο με όγκο 4000 ft 3 υπολογίζουμε την απαιτούμενη απορρόφηση στα 327 sabin από τη σχέση A V / RT 60 Οι πολυκυλινδρικοί απορροφητές μπορούν να προσφέρουν μεγάλο μέρος της απορρόφησης χαμηλών συχνοτήτων και ένα μέρος της απαιτούμενης διάχυσης. 48

50 Πόσες τέτοιες μονάδες θα χρειαστούμε; Στην περιοχή από τα 100 έως τα 300Hz, ο συντελεστής απορρόφησης είναι 0,3 με 0,4 επιλέγουμε τη μέση τιμή 0,35, επειδή θα χρησιμοποιήσουμε πολυκυλινδρικούς απορροφητές διαφόρων μεγεθών. Για να εκτιμήσουμε την απαιτούμενη επιφάνεια τους χρησιμοποιούμε τη σχέση: A S όπου A μονάδες απορρόφησης σε sabins ή μετρικά sabins, S το εμβαδόν της περιοχής σε τετραγωνικά πόδια ή μέτρα και ο συντελεστής απορρόφησης. Το συμπέρασμα είναι λοιπόν, ότι η απαιτούμενη επιφάνεια ισούται με S = 327/0,35 = 934 ft 2. Για ευρυζωνική απορρόφηση, τα πολυκυλινδρικά πρέπει να έχουν διαφορετικά μήκη χορδών. Η απορρόφηση των χαμηλών συχνοτήτων δεν θα προέρχεται όλη από τα πολυκυλινδρικά. Η οροφή έχει εμβαδόν 400 ft 2 οπότε αρκεί για να εγκαταστήσουμε 934 ft 2 πολυκυλινδρικών. Για την απορρόφηση υψηλών συχνοτήτων ας επιλέξουμε κοινά ακουστικά πλακίδια. Ιδανικά, θα πρέπει να εφαρμόσουμε μερικά από τα ακουστικά υλικά σε κάθε επιφάνεια του στούντιο. Πρακτικά, μπορούμε απλώς να προσεγγίσουμε το παραπάνω. Σίγουρα, το μόνο πρακτικό ακουστικό υλικό για το δάπεδο είναι ο τάπητας και εάν καλύψουμε το δάπεδο με τάπητα θα έχουμε περισσότερη απορρόφηση υψηλών συχνοτήτων από την απαιτούμενη. Έχοντας συντελεστή απορρόφησης του τάπητα 0,7 και με εμβαδόν δαπέδου 400 ft 2 προκύπτουν 280 sabin στις υψηλές συχνότητες μόνο για τον τάπητα, και τα πολυκυλινδρικά έχουν επίσης συντελεστές της τάξης των 0,2 στις υψηλές συχνότητες. Ακόμη και εάν χρησιμοποιήσουμε 500 ft 2 πολυκυλινδρικών, αυτά θα συνεισφέρουν άλλα 100 sabin. Ο τάπητας σε συνδυασμό με τα πολυκυλινδρικά θα πετύχουν = 380 sabin και χρειαζόμαστε μόνο 327. Επομένως ο τάπητας δεν θα χρησιμοποιηθεί Επέμβαση στο προτεινόμενο δωμάτιο Στο ακόλουθο σχήμα παρουσιάζεται η επέμβαση του προτεινόμενου δωματίου. Η τομή των πολυκυλινδρικών στην οροφή φαίνεται στο βόρειο και νότιο τοίχο. Ένα μεγάλο πολυκυλινδρικό Α βρίσκεται στο κέντρο και περιβάλλεται από ένα πολυκυλινδρικό D σε κάθε πλευρά. Μεταξύ των πολυκυλινδρικών D και των εξωτερικών πολυκυλινδρικών Β υπάρχει χώρος για φωτιστικά και κατά μήκος του 49

51 δωματίου. Το σκληρό ανακλαστικό δάπεδο καλυμμένο με πλακίδιο βινυλίου έρχεται σε αντίθεση με αυτήν την τοποθέτηση πολυκυλινδρικών στην οροφή. Δύο πολυκυλινδρικά Α, διατάσσονται κατακόρυφα στο δυτικό τοίχο, έτσι ώστε να είναι κάθετα στα πολυκυλινδρικά της οροφής όπως οφείλουν. Τέσσερις σειρές ακουστικών πλακιδίων των 2 cm τοποθετούνται στον δυτικό τοίχο. Στις δυο γωνίες, όπου οι απορροφητές είναι ιδαίτερα αποτελεσματικοί. Έτσι ο δυτικός τοίχος υποδιαιρείται, ώστε να μην αναμένουμε πολλαπλή ηχώ μεταξύ αυτού και του ανατολικού τοίχου. Σχήμα 30: Αναδιπλωμένη κάτοψη στούντιο μουσικής με διαστάσεις 7.5x5x3 m. Για την απορρόφηση εφαρμόζονται πολυκυλινδρικοί απορροφητές και ακουστικά πλακίδια. Οι άξονες και τα πολυκυλινδρικά στους τοίχους και την οροφή είναι αμοιβαία κάθετοι. Ο νότιος τοίχος διαθέτει ένα απλό Α και ένα απλό Β πολυκυλινδρικό διευθετημένα οριζόντια, ώστε ο άξονας της κάθε ομάδας πολυκυλινδρικών να είναι κάθετος στις άλλες δύο. Τοποθετούνται δυο οριζόντιες σειρές ακουστικών πλακιδίων μεταξύ 1,2 και 1,8 m από το δάπεδο. Στο ίδιο ύψος τοποθετούνται καλοί απορροφητές υψηλών συχνοτήτων σε όλους τους τοίχους, εκτός από εκείνον στον οποίο ο μουσικός έχει στραμμένη την πλάτη του. 50

52 Εφαρμόζοντας τους κατάλληλους συντελεστές απορρόφησης και με τη συγκεκριμένη επιλογή πολυκυλινδρικών, υπολογίστηκε η απορρόφηση στις έξι πρότυπες συχνότητες, όπως φαίνεται στον πίνακα. Η απορρόφηση που οφείλεται στα πολυκυλινδρικά σχεδιάζεται στο σχήμα. Σχήμα 31: Σχετικές συνεισφορές των πολυκυλινδρικών απορροφητών και των ακουστικών πλακιδίων στη συνολική απορρόφηση του στούντιο μουσικής του προηγούμενου σχήματος. Τα ακουστικά πλακίδια των 2 cm προσφέρουν συντελεστή απορρόφησης 0,73 στις υψηλές συχνότητες και ακολουθώντας την ίδια διαδικασία με τα πολυκυλινδρικά βρίσκουμε ότι απαιτούνται 200/0,73 = 274 ft 2. Από το παραπάνω σχήμα προκύπτει μια ανεπαίσθητη ελάττωση της απορρόφησης χαμηλών συχνοτήτων και σημαντική επιπλέον απορρόφηση στις μεσαίες συχνότητες. Γεμίζοντας τα πολυκυλινδρικά με υαλοβάμβακα θα αυξήσει την απορρόφηση χαμηλών συχνοτήτων. Είναι απαραίτητο να έχουμε συνεχώς υπόψιν μας, ότι υπολογισμοί όπως οι προηγούμενοι δεν είναι ακριβείς. Οι καμπύλες φαίνονται να είναι ακριβείς αλλά χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή ώστε να αποφεύγονται ανωμαλίες απόκρισης συχνότητας εξαιτίας αξονικών ρυθμών. Μπορεί για παράδειγμα να απαιτείται επιπλέον διάχυση. Με λίγα λόγια η επιτυχής σχεδίαση στούντιο και δωματίων απαιτεί εκτός από υπολογισμούς, καλό αυτί και εμπειρία. 51

53 Τέλος, πρέπει να τονιστεί ότι όταν σχεδιάζουμε ένα μικρό στούντιο πρέπει να μην παραβλέψουμε λεπτομέρειες όπως επεξεργασία κλειδαριάς ήχου, πόρτες και τα σφραγίσματα αυτών, μονώσεις καλωδίων, φωτιστικά, παράθυρα παρατήρησης και άλλα χαρακτηριστικά κοινά σε στούντιο. Πίνακας 5: Συνθήκες δωματίου και υπολογισμοί για μικρό στούντιο Απόκλιση από το σχεδιαστικό στόχο Χρησιμοποιώντας το παραπάνω παράδειγμα σχεδιασμού, μπορούμε αρχικά να μετατρέψουμε τις μονάδες σε SI. Σε αυτή την περίπτωση, ο σχεδιαστικός στόχος είναι A 0,161 V / RT 0, , 42 / 0,6 30, 43 metric sabins 60 Στο σχήμα 32 παρουσιάζονται οι απορροφήσεις του προηγούμενου πίνακα συναρτήσει των συχνοτήτων. Αρχικά θα πρέπει εκτός από την οπτική σύγκριση μεταξύ αποτελεσμάτων και στόχου να υπολογίσουμε και μια αριθμητική τιμή της απόκλισης. Λόγω των διακριτών τιμών, καταλληλότερος δείκτης είναι η μέση τετραγωνική απόκλιση που ορίζεται ως 1 RMSd A DG j, j 1 52

54 όπου A j η συνολική απορρόφηση στην συχνότητα j και DG ο σχεδιαστικός στόχος. Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα υπολογίζουμε ότι οι αποκλίσεις είναι 5,16 (ή 17% του στόχου) για τα άδεια πολυκυλινδρικά και 6,31 (ή 20,7% του στόχου) για τα γεμάτα πολυκυλινδρικά Απορρόφηση (Sa) Σχεδιαστικός στόχος Άδεια Γεμάτα Συχνότητα (Hz) Σχήμα 32: Απορρόφηση συναρτήσει της συχνότητας. 13 Ανάπτυξη μεθοδολογιών Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν δύο μεθοδολογίες για την βελτιστοποίηση της απόκλισης της απορρόφησης από τον σχεδιαστικό στόχο. Χρησιμοποιώντας το ίδιο παράδειγμα έχουμε ένα χώρο με σχεδιαστικό στόχο DG 30,43, συνολικό όγκο V 113,42 m T 3 και συνολική επιφάνεια S 150 m T 2. Θεωρούμε ακριβώς τις δύο λύσεις που προτάθηκαν στη βιβλιογραφία και η προσπάθεια είναι να υπολογιστούν τα νέα εμβαδά που θα δίνουν μικρότερες αποκλίσεις από τον στόχο Μεθοδολογία - Α Σε αυτή τη μεθοδολογία, αρχικά επιλέγουμε την συνολική επιφάνεια που θα χρησιμοποιήσουμε για τους απορροφητές. Ως πρώτη προσέγγιση θεωρούμε τη μισή 2 από την συνολική επιφάνεια, δηλαδή 75 m. Αρχικά, θεωρούμε ότι κάθε υλικό έχει 53

55 2 το 1/4 αυτής της επιφάνειας, δηλαδή 18,75 m. Κρατώντας σταθερή την επιφάνεια των τριών από τα τέσσερα υλικά, μπορούμε να μεταβάλλουμε την επιφάνεια του ενός και να μελετήσουμε για ποια τιμή ελαχιστοποιείται η απόκλιση από τον σχεδιαστικό στόχο. Τα σχήματα 33 και 34 δείχνουν την απόκλιση συναρτήσει της επιφάνειας κάθε υλικού για τις 2 περιπτώσεις που εξετάζονται. Τα αποτελέσματα για τις βέλτιστες επιφάνειες φαίνονται στον πίνακα 6. Εντούτοις, τα αποτελέσματα αυτά δεν αποτελούν την τελική λύση. Χρησιμοποιώντας έναν κοινό πολλαπλασιαστή για όλες τις επιφάνειες, υπολογίζουμε τις επιφάνειες που ελαχιστοποιούν συνολικά την απόκλιση. Οι τελικές αυτές τιμές φαίνονται στον πίνακα 6 ενώ οι καμπύλες της απορρόφησης συναρτήσει της συχνότητας παρουσιάζονται στο σχήμα 35. Με τις νέες τιμές των επιφανειών έχουμε μείωση της απόκλισης από 5,16 σε 3,72 για άδεια πολυκυλινδρικά και από 6,31 σε 5,03 για τα γεμάτα πολυκυλινδρικά. Πίνακας 6: Επιφάνειες υλικών όπως υπολογίστηκαν από την μεθοδολογία -Α ΥΛΙΚΟ ΑΡΧΙΚΗ ΛΥΣΗ ΤΕΛΙΚΗ ΛΥΣΗ ΑΔΕΙΑ ΓΕΜΑΤΑ ΑΔΕΙΑ ΓΕΜΑΤΑ Poly A 33,5 20,6 24,8 19,4 Poly B 33,5 20,6 24,8 19,4 Poly D 33,5 20,6 24,8 19,4 Acoust. tiles 22,5 20,6 16,7 19,4 54

56 Poly A Poly B Poly D Acoust. tiles 10 RMSd Εμβαδόν (m2) Σχήμα 33: Απόκλιση από τον σχεδιαστικό στόχο συναρτήσει της επιφάνειας κάθε υλικού (άδεια πολυκυλινδρικά) Poly A Poly B Poly D Acoust. tiles 10 RMSd Εμβαδόν (m2) Σχήμα 34: Απόκλιση από τον σχεδιαστικό στόχο συναρτήσει της επιφάνειας κάθε υλικού (γεμάτα πολυκυλινδρικά). 55

57 50 40 Απορρόφηση (Sa) Σχεδιαστικός στόχος Άδεια Γεμάτα Συχνότητα (Hz) Σχήμα 35: Απορρόφηση συναρτήσει της συχνότητας (μεθοδολογία - Α) Μεθοδολογία - Β Αν και η προηγούμενη μεθοδολογία έδωσε καλύτερα αποτελέσματα από την μεθοδολογία της βιβλιογραφίας, εμπεριέχει και αυτή προβλήματα σε σχέση με τις αρχικές τιμές των επιφανειών που δόθηκαν αυθαίρετα ίσες με το 1/4 της συνολικής επιφάνειας. Αν δοθούν άλλες τιμές, τότε έχουμε διαφορετικά ελάχιστα στα σχήματα 33 και 34 και μάλιστα μερικές φορές τα ελάχιστα είναι κοντά στο μηδέν. Επιπλέον, θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί στο τέλος μια διαδικασία trial and error για τον υπολογισμό του πολλαπλασιαστή που θα ελαχιστοποιήσει την απόκλιση. Στη συνέχεια προτείνεται μια μεθοδολογία που λύνει αυτά τα προβλήματα. Θεωρούμε πάλι ότι έχουμε επιλέξει 4 υλικά (Ν γενικά) και ότι γνωστός ο σχεδιαστικός στόχος και οι συντελεστές απορρόφησης σε όλες τις συχνότητες. Η απορρόφηση σε κάθε συχνότητα j δίνεται από την σχέση A N S με i 1, 2,, N και j 1, 2,, 6 j i ij i 1 όπου S i η επιφάνεια του υλικού i και ij ο συντελεστής απορρόφησης του υλικού i στη συχνότητα j. Η μέση τετραγωνική απόκλιση από το σχεδιαστικό στόχο είναι 56

58 1 RMSd A DG j. j 1 Θεωρούμε την επιφάνεια του κάθε υλικού σε κάθε συχνότητα που θα μας δώσει ακριβώς το σχεδιαστικό στόχο S ij DG ij και υπολογίζουμε το συνολικό άθροισμα για κάθε συχνότητα S * j N S. i 1 ij Στη συνέχεια υπολογίζουμε το ποσοστό του κάθε υλικού ως P ij S S ij * j και αθροίζουμε αυτά τα ποσοστά σε κάθε συχνότητα P * i 6 P. j 1 ij Στη συνέχεια μπορούμε να υπολογίσουμε το τελικό ποσοστό κάθε υλικού P i P * i N * Pi i 1 και θεωρούμε ότι η επιφάνεια κάθε υλικού θα είναι το ποσοστό του επί ένα πολλαπλασιαστή S i P. i Χρησιμοποιώντας τις παραπάνω σχέσεις η απόκλιση δίνεται από την σχέση 1 1 RMSd A DG P DG 6 j 1 6 j 1 i N 2 j i ij. Ελαχιστοποίηση της απόκλισης σημαίνει 2 57

59 d RMSd d 0, το οποίο μας δίνει μια σχέση του πολλαπλασιαστή με τον σχεδιαστικό στόχο DG 6 j 1 i 1 6 N N j 1 i 1 Pi ij DG Pi ij DG 2. Εφαρμόζοντας αυτή τη μεθοδολογία βρίσκουμε απευθείας την τιμή των επιφανειών όλων των υλικών. Στους πίνακες 7 και 8 παρουσιάζεται η μεθοδολογία για τις δύο περιπτώσεις υλικών που εξετάστηκαν. Ο πολλαπλασιαστής υπολογίστηκε 88,55 για τα άδεια πολυκυλινδρικά και 78,30 για τα γεμάτα πολυκυλινδρικά. Στον πίνακα 9 φαίνονται οι τελικές τιμές των επιφανειών των υλικών ενώ στο σχήμα 36 οι καμπύλες απορρόφησης. Η απόκλιση υπολογίστηκε σε 4,03 για τα άδεια πολυκυλινδρικά και σε 5,12 για τα γεμάτα πολυκυλινδρικά. Στην μεθοδολογία - Α οι τιμές ήταν 3,72 και 5,03. Βλέπουμε ότι οι τιμές είναι πολύ κοντά. Πίνακας 7: Εφαρμογή της μεθοδολογίας - Β για τα άδεια πολυκυλινδρικά Συχνότητα (Hz) ,41 0,4 0,33 0,25 0,2 0,22 Συντελεστές 0,37 0,35 0,32 0,26 0,22 0,22 απορρόφησης 0,25 0,3 0,33 0,22 0,2 0,21 α-ij 0,09 0,26 0,78 0,84 0,73 0,64 74,22 76,08 92,21 121,72 152,15 138,32 82,24 86,94 95,09 117,04 138,32 138,32 S-ij 121,72 101,43 92,21 138,32 152,15 144,90 338,11 117,04 39,01 36,23 41,68 47,55 S-j* 616,29 381,49 318,53 413,30 484,30 469,09 P-ij ΥΛΙΚΑ Poly A Poly B Poly D Acoust. tiles Σχεδιαστικός στόχος 30,43 P-i* P-i 0,12 0,20 0,29 0,29 0,31 0,29 1,51 0,25 0,13 0,23 0,30 0,28 0,29 0,29 1,52 0,25 0,20 0,27 0,29 0,33 0,31 0,31 1,71 0,29 0,55 0,31 0,12 0,09 0,09 0,10 1,25 0,21 58

60 Πίνακας 8: Εφαρμογή της μεθοδολογίας - Β για τα γεμάτα πολυκυλινδρικά Συχνότητα (Hz) ,45 0,57 0,38 0,25 0,2 0,22 Συντελεστές 0,43 0,55 0,41 0,28 0,22 0,22 απορρόφησης 0,3 0,42 0,35 0,23 0,19 0,2 α-ij 0,09 0,26 0,78 0,84 0,73 0,64 67,62 53,39 80,08 121,72 152,15 138,32 70,77 55,33 74,22 108,68 138,32 138,32 S-ij 101,43 72,45 86,94 132,30 160,16 152,15 338,11 117,04 39,01 36,23 41,68 47,55 S-j* 577,93 298,20 280,25 398,93 492,31 476,33 P-ij ΥΛΙΚΑ Poly A Poly B Poly D Acoust. tiles Σχεδιαστικός στόχος 30,43 P-i* P-i 0,12 0,18 0,29 0,31 0,31 0,29 1,49 0,25 0,12 0,19 0,26 0,27 0,28 0,29 1,42 0,24 0,18 0,24 0,31 0,33 0,33 0,32 1,71 0,28 0,59 0,39 0,14 0,09 0,08 0,10 1,39 0,23 Πίνακας 9: Επιφάνειες υλικών όπως υπολογίστηκαν από την μεθοδολογία -Β ΥΛΙΚΟ ΑΡΧΙΚΑ ΠΟΣΟΣΤΑ ΤΕΛΙΚΗ ΛΥΣΗ ΑΔΕΙΑ ΓΕΜΑΤΑ ΑΔΕΙΑ ΓΕΜΑΤΑ Poly A 0,25 0,25 22,1 19,6 Poly B 0,25 0,24 22,1 18,8 Poly D 0,29 0,28 25,7 21,9 Acoust. tiles 0,21 0,23 18,6 18,0 59

61 50 40 Απορρόφηση (Sa) Σχεδιαστικός στόχος Άδεια Γεμάτα Συχνότητα (Hz) Σχήμα 36: Απορρόφηση συναρτήσει της συχνότητας (μεθοδολογία - Β). 14 Παραδείγματα εφαρμογής Στη συνέχεια η μεθοδολογία-β θα εφαρμοστεί σε ένα μικρότερο χώρο με διαστάσεις 4,6Χ3,8Χ3m και συνολικό όγκο 52,4 m 3. Για τον συγκεκριμένο όγκο ο βέλτιστος χρόνος αντήχησης είναι 0,5s και ο σχεδιαστικός στόχος 16,89 metric sabins. Συγχρόνως, και για να αξιολογηθεί η μεθοδολογία και με άλλα υλικά, επιλέχθηκαν 8 νέα υλικά και δημιουργήθηκαν 2 σετ των 4 υλικών έτσι ώστε οι συντελεστές απορρόφησης να καλύπτουν όλο το εύρος των συχνοτήτων. Κάποια από τα υλικά φαίνονται στο σχήμα 37 ενώ οι συντελεστές απορρόφησης δίνονται στον πίνακα 12. Στη συνέχεια περιγράφονται τα υλικά. Clearsorber DeAmp Το Clearsorber DeAmp είναι άνα συστημα απο πάνελ ρητίνης που μπορεί να παρέχει σημαντική ηχητική απορρόφηση στο φάσμα συχνοτήτων NRC αλλά και στις χαμηλότερες συχνότητες. Επειδή το σύστημα δεν απαιτεί την πρόσθετη χρήση συμβατικών απορροφητικών υλικών, έχει τη μοναδική δυνατότητα να παρέχει είτε υψηλή διαφάνεια για το φυσικό φωτισμό ημέρας, είτε φιλτραρισμένη ελαφριά διαύγεια. 60

62 Absorbor Panel Ένα πάνελ υψηλής αντοχής από fiberglass, τυλιγμένο με ύφασμα, το οποίο παρέχει την πιο οικονομική λύση για τον έλεγχο της αντανάκλασης και αντήχησης, ενώ μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Με πάχος από 1 έως 4 ίντσες μπορεί να χρησιμοποιηθεί ανάλογα με τις ανάγκες της κάθε περίπτωσης. BAD Panel Τα πάνελ BAD είναι η απόλυτη σύμπραξη προηγμένης ακουστικής τεχνολογίας και απλότητας σχεδιασμού, όταν απαιτείται υψηλή απόδοση αλλά και ο προυπολογισμός είναι περιορισμένος. Χρησιμοποιώντας ένα δυαδικό διάτρητο μοτίβο μέσω ενός πυρίμαχου υλικού κατηγορίας Α, το πάνελ BAD πετυχαίνει εξαιρετική ισορροπία ηχητικής απορρόφησης σε όλο το φάσμα χωρίς να είναι ογκώδες. Εν γένει, αυτή η μοναδική επιφάνεια ελαχιστοποιεί την απορρόφηση υψηλών συχνοτήτων, διασκορπίζει τις πολύ υψηλές συχνότητες, και παρουσιάζει σημαντική απορρόφηση στις μεσαίες και χαμηλές συχνότητες. Kinetics Fiberglass Absorbers Model PA Οι πρότυποι απορροφητές φίμπεργκλας PA είναι φορμαρισμένα πάνελ από φίμπεργκλας διαστάσεων 4' x 8' (1.2 m x 2.4 m) που σχεδιάζονται για να παρέχουν απορρόφηση σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Οι απορροφητές PA μπορούν να κολληθούν, να καρφωθούν, ή να στερεωθούν σε πλαίσιο. Ανάλογα με την επιλογή του εκάστοτε μοντέλου PA, μπορούμε να πετύχουμε ιδανική απορρόφηση στο πεδίο συχνοτήτων που επιθυμούμε. TopAkustik Panels Το TopAkustik είναι ίσως το πιο επεκτάσιμο και ευπροσάρμοστο ξύλινο ηχοαπορροφητικό σύστημα κρατώντας μια ιδανική ισορροπία μεταξύ αρχιτεκτονικής και ακουστικής. Χρησιμοποιώντας μια σειρά αυλακιών σε μια πυρίμαχη επιφάνεια (Class A), διαθέτοντας πιστοποιήσεις FSC, τα πάνελ TopAkustik επιτυγχάνουν μια άριστη ισορροπία ηχητικής απορρόφησης στο φάσμα συχνοτήτων NRC, διατηρώντας την αίσθηση του χώρου με τις αντανακλάσεις υψηλότερων συχνοτήτων. Teknofon πυραμίδες 'HF' Τα προϊόντα Teknofon πυραμίδες 'HF' παράγονται από ειδική ποιότητα αφρώδους εύκαμπτης πολυουρεθάνης πολυεστερικής βάσης, με ομοιογενή μάζα και βέλτιστο 61

63 ποσοστό κλειστών κυψελίδων για υψηλή ηχοαπορροφητική απόδοση. Τα πολύεδρα των κυψελίδων έχουν κατά 20-30% ανοικτά τοιχώματα ώστε να μπορεί να εισχωρεί ο αέρας που μεταφέρει το ακουστικό κύμα. Ταυτόχρονα είναι κατά 70-80% κλειστά με ελαστικούς υμένες ώστε να απορροφούν την ενέργεια των μορίων του αέρα με αποτέλεσμα την ηχοαπορρόφηση. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό τους είναι η επιφανειακή διαμόρφωση πυραμίδας που προσδίδει πολλαπλάσια ενεργή ηχοαπορροφητική επιφάνεια σε σύγκριση με επίπεδα προϊόντα του ίδιου μέσου πάχους. Υπάρχουν δύο διαφορετικοί τύποι πυραμίδας: κανονική και κόλουρη. Teknofon «Κυματοειδής Λαβύρινθος» Παράγονται από ειδική ποιότητα αφρώδους εύκαµπτης πολυουρεθάνης πολυεστερικής βάσεως, µε οµοιογενή µάζα και βέλτιστο ποσοστό κλειστών κυψελίδων για υψηλή ηχοαπορροφητική απόδοση. Τα πολύεδρα των κυψελίδων έχουν κατά 20-30% ανοικτά τοιχώµατα ώστε να µπορεί να εισχωρεί ο αέρας που µεταφέρει το ακουστικό κύµα. Ταυτόχρονα είναι κατά 70-80% κλειστά µε ελαστικούς υµένες ώστε να απορροφούν την ενέργεια των µορίων του αέρα µε αποτέλεσµα την ηχοαπορρόφηση. TopAkustik Panels Teknofon Λαβύρινθος» «Κυματοειδής Teknofon πυραμίδες 'HF' Kinetics Fiberglass Absorbers Model PA Absorbor Panel BAD Panel Σχήμα 37: Φωτογραφίες υλικών. 62