HACİM AKUSTİĞİ KURAMI 2011-2012 Bahar yy Prof. Dr. Zerhan Yüksel Can Arş. Gör. Y. Mim. Aslı Özçevik 1 HACİM AKUSTİĞİ KURAMI KONULAR • Yanıt eğrisi • Yansıtıcı, dağıtıcı, yutucu yüzeyler • Konuşma amaçlı mekanların tasarım ilkeleri • Müzik amaçlı mekanların tasarımı ilkeleri • Çok amaçlı mekanların tasarım ilkeleri ÇALIŞMALAR/ÖDEVLER • Odeon programı ile modelleme çalışmaları • Çeviri ve sunumlar • Konferans salonu tasarımı ve akustik modellemesi • Konser salonu tasarımı ve akustik modellemesi 2 YANSITICI, YUTUCU, DAĞITICI YÜZEYLER • İşlevi belli bir hacmin biçimi, kapasitesi belirlendikten ve akustik kusurlar önlendikten sonra, hacmin iç yüzey gereçlerinin belirlenmesi gerekir. • Yutucu ve yansıtıcı yüzey gereçleri ve alanları temelde RT hesapları ile belirlenir. • Öte yandan bu gereçlerin hacim içerisinde hangi yüzeylerde yer alacağı sonuçtaki akustik ortamı büyük oranda etkiler. • Kaynak yerinin belirlenmesi, dolaysız sesin güçlendirilmesi, erken ses enerjisi vb.nin tümü gereçlerin hacimdeki yerlerine ve biçimlenişlerine bağlıdır. ROOM ACOUSTICS Lesson 4 3 3 Yansıtıcı Yüzeyler • Ses yansıtıcı bir yüzeyden yansıdığında yansıyan enerji belli koşullarda yankı olarak algılanabilir. • İlk ulaşan (dolaysız) ses ile onu izleyen ses arasındaki zaman gecikmesi azaltıldığında yankı duyulanması giderek azalır. Buna Varlık ya da Haas Etkisi denir. • Varlık etkisi hem kaynaktan gelen seslerin yansıtıcı yüzeyler aracılığıyla doğal olarak güçlendirilmesinde hem de konuşma ve müziğin elektronik olarak (seslendirme ile) güçlendirilmesinde önem taşır. ROOM ACOUSTICS Lesson 4 4 4 Varlık (Haas) Etkisi • İşitme sistemimiz kısa aralıklarla gelen sesleri entegre eden bir ses ölçme sistemi gibi davranır. • Daha basit anlatımla, işitme sistemimiz bir kapalı mekanda, dolaysız sesten 50 msn içinde gelen yansımaları dolaysız sesle birleştirir ve farklı doğrultulardan da gelseler, dolaysız sesin doğrultusunda algılar. • Bu sürede entegre edilen sesler aynı zamanda dolaysız sesin düzeyini arttırır. 5 Varlık (Haas) Etkisi • Haas 5 ile 35 ms süresince kulağa ulaşan seslerin düzeyleri dolaysız sesten 10 dB’den fazla olduğunda yankı olarak algılandığını bulmuştur. • Bu olay VARLIK ya da Haas etkisi olarak adlandırılır. Bir hacimde kulağa dolaysız sesten 35 msn’ye kadar gecikerek gelen sesler dolaysız sesle entegre edilir. Yani bunlar dolaysız sesmiş gibi algılanır. Bu erken yansımalar sesin düzeyini arttırır ve Haas’ın söylediği gibi “…yansımalar işitsel olarak algılanmazken birincil kaynağın genişlediği gibi hoşa giden bir izlenim yaratır’. 6 Varlık (Haas) Etkisi Haas etkisi Dolaysız sesten sonra gelen bir yansımanın dinleyiciler arasında % olarak oluşturduğu rahatsızlık oranı; • Dolaysız sese oranla yansımanın düzeyine • İlk ulaşım gecikmesine, bağlıdır. • Kısa ilk ulaşım gecikmesi söz konusu olduğunda yüksek ilk yansıma düzeyi rahatsızlık uyandırır. 20 msn’den uzun ilk ulaşım gecikmelerinde +10 dB’lik bir yansıma düzeyi bile rahatsızlık uyandırmaz. 7 8 Varlık etkisinin değerlendirilmesi • Şekildeki %10’dan az dinleyicinin rahatsızlık duyduğu alan yansıma düzeyi ve ulaşım gecikmesine göre kullanılabilir alanı gösterir. Yansıma gecikmesi= [yansıyan sesin yolu(m) – dolaysız sesin yolu(m)] / 345 m/s Yansıma düzeyi = 20 log [dolaysız sesin yolu/yansıyan sesin yolu(m)] • Bu durum yüzeyin tam yansıma yaptığını varsayar. 9 Kaynak dinleyici ilişkisi • Hacim ilk ulaşım gecikmesi sınırları içinde yeterli erken yansımaları sağlamalıdır. Dolaysız ses ters kare yasasına göre azalır. Tıpkı görme alanında olduğu gibi dolaysız sesin yeterli olması için kaynakla dinleyici arasındaki maksimum uzaklık en fazla 40 m olmalıdır. • Öte yandan erken yanal yansımalar da hacim etkisi için önemlidir. Bu açıdan salon genişliği de en fazla 32 m’yi aşmamalıdır. 10 • Erken yansımalar kaynak yerinin belirlenmesi açısından önemlidir. • Tavan yüzeyi, dolaysız sesin etkisini arttırmak için özellikle önemlidir. 11 Işın diyagramları Görüntü kaynak Yansıtıcı yüzey Yansıyan dalga Yansıyan ses ışını kaynak Dolaysız ses Dinleyici alanı 12 UNUTMAYIN ! YANSIMA VE DALGA BOYU • Sesin yansıma biçimi gelen sesin dalga boyuna ve yansıtıcı yüzeyin boyutlarına bağlıdır. • Eğer yansıtıcı yüzey gelen sesin dalga boyuna oranla büyükse, düzgün yansıma gerçekleşir yani geliş açıcı ile yansıma açısı eşit olur. 13 UNUTMAYIN! Yansıtıcı yüzey • Düzgün yüzeyli bir levhanın ses yansıtıcı yüzey olabilmesi için yanda görülen koşulları sağlaması gerekir. 14 Işın diyagramları Etkin yansıma yüzeyi Düz tavan 15 Işın diyagramları 16 Işın diyagramları 17 Işın diyagramları 18 Işın diyagramları 19 Işın diyagramları Işın diyagramlarının amacı, yansıyan sesleri salonun arka bölümlerine, dolaysız sesin azalmasını karşılayacak yani, kümülatif olarak artacak biçimde yönlendirecek yansıtıcı yüzeyleri tasarlamaktır. Konuşma için müziğe göre daha önemlidir. 20 Işın diyagramları 21 Hacim biçimi ve yanal ilk yansımalar 22 Işın diyagramları Sahne çevresinde sabit ya da hareketli yansıtıcı yüzeyler 23 24 Buffalo Kleinhans Music Hall 25 Buffalo Kleinhans Music Hall 26 Buffalo Kleinhans Music Hall 27 Lenape Middle School Auditorium (USA) 28 Lenape Middle School Auditorium (USA) 29 Holy Spirit Lutheran Church - Lancaster, PA 30 Holy Spirit Lutheran Church - Lancaster, PA 31 Reflective panels 32 Munich Phillarmonie Hall 33 Munich Phillarmonie Hall 34 Munich Phillarmonie Hall 35 Dağıtıcı yüzeyler ve Yayınma • Ses enerjisinin belli bir doğrultuya değil de gelişigüzel dağılması olarak tanımlanan Yayınma, dışbükey ya da düzgünsüz yüzeyler ile sağlanır. • Belli bir frekansta yayınmanın sağlanabilmesi için, yüzey düzgünsüzlüklerinin boyutları sesin dalga boyunun dörtte birine eşit ya da daha büyük olmalıdır. • Yayınma ses ile sarmalanma duyulanmasına ve yansışmış sesin gelişigüzel dağılımına 36 katkıda bulunur. ROOM ACOUSTICS Lesson 4 36 YAYINMA • Dışbükey ve girintili çıkıntılı yüzeyler sesin gelişigüzel doğrultulara yayılmasına yol açar. • Hacimlerde sesin yayınması yani seslerin hacmin her noktasında eşit gelişigüzellikte olması, dinleyicilerin açık havadan farklı olarak sesle sarmalanmasını sağlar. • Yayınma aynı zamanda yansışım süresinin hacimde noktadan noktaya değişimini en aza indirger. 37 SES DAĞITICI YÜZEYLER • Düzgün yansıma yapan yüzeyler, doğru tasarlanmadığında seste renklendirme etkisi yaratır. • Düzgün yansıma yapan yüzeyler seslerde filtreleme etkisine de yol açabilir. • Hacimlerde yayınmanın sağlanması için ses dağıtıcı yüzeyler kullanılır. Düzlem yüzeyden yansıma. Enerji (düşey) tek bir doğrultuya dağılmaktadır. Bir dizi arktan oluşan yansıma. Enerji değişik loblar halinde yönlenmekte. Düzgün yansıma lobu ve dört birinci yansıma lobu belirgin olarak görülmektedir. Tasarlanmış bir dağıtıcıdan yansıma. Enerji önceki yüzeyden daha gelişigüzel olarak yönlenmekte. Yüzey girintileri bu frekansta gelen sese göre az olduğundan, düzgün yansımanın belirginliği devam etmektedir. Periyodik bir düzenleme 38 olmadığından loblar oluşmamaktadır. SES DAĞITICI YÜZEYLER • Yayınmanın sağlanması için ses dağıtıcı yüzeyler kullanılması konusunda genel bir görüş birliği olmasına karşın, ne kadar ve ne türde ses dağıtıcıların kullanılması gerektiği henüz tam olarak belirlenmiş değildir. • Araştırmacılar dağılmanın frekansa ve geliş açısına bağlı olması ve alıcı ölçmelerinin yarım küre üzerinde yapılması gerekliliği gibi sorunları çözmeye uğraşmaktadır. 39 SES DAĞITICI YÜZEYLER ve DAĞITMA ÇARPANI • Yine de değişik gereçlerin ses dağıtım çarpanları ölçmelerle belirlenmekte ve özellikle bilgisayar programlarında yerini almaya başlamış bulunmaktadır. 40 SES DAĞITICI YÜZEYLER ve DAĞITMA ÇARPANI • QRD®’nin bant genişliği yüksek frekanslarda girinti genişliği, alçak frekanslarda ise max. girinti derinliği ile sınırlıdır. Ayrıca, periyodik olarak tekrarlanan hatların geniş yüzeylerde kullanımı enerjinin belli dağılma doğrultusunda yoğunlaşmasına yol açar. Tüm spektral alanda kapsama alanı olan dağıtıcılara gerek duyulur. Diffractal® bu amaçla üretilmiş ticari bir ses dağıtıcıdır. 41 SES DAĞITICI YÜZEYLER • Haan ve Fricke gibi araştırmacılar ise görsel izlenimlere dayalı basit değerlendirme yöntemleri önermektedir. Yüksek dağıtıcılık (SDI =1 “SDI; surface diffusivity index”) • 10 cm’den derin düzgünsüzlükleri olan tavan yüzeyi • Tüm yüzeyde gelişigüzel ses dağıtıcı elemanlar (5cm’den derin) Orta dağıtıcılık (SDI = 0,5) • 5 cm’den az düzgünsüzlükleri olan girintili yüzeyler Alçak dağıtıcılık (SDI = 0) • Düzgün düzlem ya da eğrilikli yüzeyler • Yutucu yüzeyler 42 Sesin dağılması • Düzgün yayılmış sıcaklık, düzgün yayılmış ışıklılık oluşturmada kullanılan yayıcılar gibi sesleri düzgün yayan yüzeylere gereksinim duyulması doğaldır. • Klasik mimaride heykeller, kolonlar, rölyefler ya da çeşitli biçimlerdeki süslemeler ses dalgalarının değişik doğrultulara yayılmasına yol açarak dinleyicilerin gelişigüzel doğrultulardan gelen sesle sarmalanmalarına katkıda bulunur. • Seksenli yıllarda Dr. Peter D’Antonio, Dr. Manfred Schroeder’in teorik matematik kuramını başarılı bir biçimde yeni bir yüzey tipi tasarımına uyarlamıştır. Bu yeni tip yüzey, sesi ne yutmakta ne de yansıtmakta ancak üniform olarak dağıtmaktadır. • Günümüzde Dr. D’Antonio ve Dr. Trevor Cox sesin istenen bant genişliğinde dağıtılmasına yarayan geniş bir ses dağıtıcı yüzey yelpazesi oluşturmuşlardır. 43 Schroeder Dağıtıcıları 1970’lerde Schroeder, Schroeder dağıtıcıları olarak adlandırılan yeni bir tip dağıtıcı geliştirmiştir. Bunların en çok bilineni Quadratic Residue Diffuser (QRD™,)-Kuadratik Artış Dağıtıcı-dır.Tek boyutlu QRD biçimi şekilde görüldüğü gibi bir girintiler dizisinden oluşur. Figure 1 Tek boyutlu QRD 44 Schroeder Dağıtıcılar • Tek boyutlu dağıtıcılar sesin bir düzlemde dağılmasını sağlar. Yüzeyin öteki doğrultudaki yapısı, düzlem yüzey gibi davranmasına yol açar. Bu nedenden Şekil 2’deki gibi maksimum dağıtıcı düzlemi kapsayan kesitin dikkate alınması normaldir. Şekil 2 N=7 QRD’nin kesiti 45 Schroeder dağıtıcısı nasıl çalışır? Orta frekansta bir düzlem dalganın QRD üzerine geldiğini varsayalım. Y doğrultusunda girintilerde düzlem dalga yayılması söz konusudur. Eğer yüzey katı ise, düzlem dalga girintinin dibinden yansıyacak ve hacme hiç enerji kaybına uğramadan yeniden yayılacaktır. Böylelikle dağıtıcının herhangi bir dış noktasındaki basınç her bir girintiden yayılan dalgaların girişiminden oluşacaktır. 46 Schroeder dağıtıcısı nasıl çalışır? • Tüm girintilerden yansıyan seslerin büyüklükleri aynı ama fazları farklıdır çünkü ses dalgasının her birinin dibine ulaşıp geri dönmesi için geçen süre farklıdır. • Böylelikle dağılmanın polar yayınımını girintilerin derinliği belirler. Schroeder Kuadratik Artış ardışıklığı kullanıldığında, yüzeyin dağıtıcılığının tanımladığı optimum yayınıma eşit olduğunu göstermiştir. • Şekil 3’te Schroeder’in kuramına göre hesaplanan bir QRD’nin ses dağıtımı görülmektedir. Şekil 3 1000 Hz tasarım frekansında 2 periyotluk N=17 QRD ses dağıtımı. Girinti genişliği: 4,7 cm. Ölçek: çemberler arası 20 dB 47 QRD tasarımı 1. Dağıtıcının frekans alanını belirleyin. N = fyüksek/fdüşük sn = (n² modN) n= tam sayılar (0’dan başlayarak) N= 11 olduğunda sn = 0,1,4,9,5,3,3,5,9,4,11 N= 17 olduğunda sn = 0,1,4,9,16,8,2,15,13,13,15,2,8,16,9,4,1 2. Girinti genişliğini en yüksek frekansın dalga boyundan küçük olacak biçimde belirleyin. w≤ c/2fyüksek 3. Her girintinin derinliğini λ = c/fdüşük hesaplayın dn = (λ/2N) sn 48 QRD tasarımı 1. N = fyüksek/fdüşük N = 3400/200 = 17 2. W ≤ c/2fyüksek w ≤ 340 / 2x 3400 w ≤ 0.05 w = 4,7 cm 3. dn = (λ/2N) sn λ = c/fdüşük dn = 49 ZAMANSAL VE UZAMSAL DAĞILIM • Schroeder in özgün çalışması dağıtıcılar tarafından yayımlanan sesin uzamsal dağılımını ele alır. Polar yanıtlar sesin belli frekanslarda değişik loplara nasıl dağıldığını incelemekte kullanılır. Daha sonraları yöntem uzamsal dağılımın tüm doğrultulara üçte bir oktavdaki dağılımını irdeleyecek biçimde geliştirilmiştir. • Uzamsal dağılım, dinleyici alanında ve sahnede kapsama alanının belirlenmesi açısından yararlı bir kavramdır. Ancak ses dağıtıcılar salondaki belli konumlardaki özellikle renklendirme ve yankı gibi akustik kusurları ortadan kaldırmak için de kullanılır. • Bu durum özellikle kayıt odaları gibi güçlü ilk yansımaların ses dağıtıcılar ile baskı altına alınması gereken küçük hacimlerde önemlidir. 50 ZAMANSAL VE UZAMSAL DAĞILIM Bir dağıtıcı renklendirme etkisini ortadan kaldırmak için kullanıldığında hem uzamsal hem de zamansal dağılım dikkate alınmalıdır. Şekil 1 ve 2 tek bir yarım silindirden kaynaklanan zamansal ve uzamsal dağılım yanıtını göstermektedir. Tek yarım silindir mükemmel uzamsal dağılım sağlamakta ancak Şekil 1’de görüldüğü gibi hiç zamansal dağılım yapmamaktadır. Buna bağlı olarak da gelen ve yansıyan seslerin birleşik yanıtı bu iki sesin benzerliğinden ötürü bir tür filtre etkisi oluşturmaktadır. Yarım silindirlerin artık tercih edilmemesinin nedenlerinden biri bu olgudur. Bu alandaki araştırmalar modüle yüzeylerden oluşan yansımaların basit eğimli yüzeylerden oluşan yansımalara tercih edildiğini belirlemiştir. 51 ZAMANSAL VE UZAMSAL DAĞILIM • İyi bir ses dağıtıcı uzamsal ve zamansal dağılım sağlamalıdır. Schroeder dağıtıcıları yalnızca uzamsal dağılım için tasarlansalar da karmaşık geometrik yapıları sonucunda (periyot genişliği yeterince büyük olduğunda) doğal olarak zamansal dağılım da sağlar. • Yarım silindirlerin periyodik dizilimi zamansal dağılım için yeterli olmayabilir, bunlarda gelişigüzel düzenlemeler daha başarılı sonuç verebilir. 52 ZAMANSAL VE UZAMSAL DAĞILIM • Uzamsal ve zamansal dağılımın kritik uygulamalarından biri de sahnelerdir. Sahnelerin yan ve arka duvar yüzeyleri bazılarında ses yayıcı bazılarında ise düzdür. Sahnede ses yayıcı yüzeyler kullanılmasının yararlı olduğuna yönelik bulgular olmasına karşın, bir çok uygulamacı hala düz yansıtıcı yüzeyleri yeğlemektedir. 53 ZAMANSAL VE UZAMSAL DAĞILIM • Salonlarda üst örtüler düzlem ya da eğimli yüzeylerden de oluşabilir. Hemen hemen hiç açıklığı bulunmayan bir sahne tavanı düşünün. Bununla ilgili yanlış bir kanı, burada en önemli konunun tavan dağıtıcıları ile sağlanan uzamsal dağılım olduğudur. • Büyük düzlem yüzeyler söz konusu olduğunda sahnedeki iki nokta arasında düzgün yansıma sağlamakta bir zorluk olmayacaktır. Buna bağlı olarak dağıtıcının sağlayacağı yayınma gereksiz olacaktır çünkü büyük olasılıkla sahnedeki tüm konumlarda yeterli yansıyan enerji bulunacaktır. • Öte yandan burada önemli olan zamansal dağılımdır. Zamansal dağılım güçlü tavan yansıması ile dolaysız ses arasındaki filtreleme etkisini ortadan kaldırır. Büyük yansıtıcı yüzeylerden kaynaklanan bu tür filtreleme müzisyenlerin doğru sesi bulmalarını güçleştirir. 54 Primitive Root Diffuser Designed utilizing modulated prime root number theory, the math shows us that the reflected energies will be equal in all the diffraction directions, yielding an even sound redistribution pattern as shown in the above right balloon plot. Its special performance feature is that it virtually eliminates the specular component of the incident sound wave. This means that in terms of creating a sense of spaciousness, while supporting imaging, there is no equal. 55 1D Quadratic Residue Diffusor Designed utilizing quadratic residue number theory, the math shows us that there will be equal energy in the diffraction directions, which depend on the number of wells and how wide they are. The bandwidth depends on the deepest and narrowest wells. The scattered energy is in the form of a hemidisc. The photo to the right shows an optimized quadratic residue diffusor, with nested components for increased performance. One of the most effective diffusers across the largest range of frequencies, these are most often used on the rear wall of theaters and listening rooms when the listening position is not close to the surface. 56 2D Quadratic Residue Diffuser • Designed utilizing modulated quadratic residue number theory, the performance of these units is similar to their 1D counterpart, only in 2D! The scattered energy is in the form of a hemi-sphere. Now available in a lightweight expanded polystyrene as well as molded gypsum and furniture grade wood units, this panel technology brings high performance in a low profile – great for applications where headroom is at a premium. 57 Binary Amplitude Grating Designed utilizing optimal binary number sequences, this panel technology has revolutionized small room acoustic design. By placing a 5/32” diffusing template between the fabric and fiberglass of a common absorptive panel, an often overused and misused tool in many theaters and listening rooms, this hybrid panel diffuses high frequencies in 2 dimensions, while simultaneously absorbing low frequencies. The low frequency absorption is determined by the thickness of fiberglass behind the template and the depth of the air cavity behind the panel. When the surface is flat, these panels are typically 2-4” thick, which work well in rooms that cannot afford to lose many inches in its length or width dimensions. Also, because it is a hybrid surface, the listener can sit much closer to them without experiencing near field phasing effects. The template that separates the fabric from the fiberglass provides a diaphragmatic mass, which allows it to absorb frequencies much lower than a common fabric wrapped absorptive panel. The panels are now available in a curved profile, which enhances the diffusion and increases the imaging and spatial performance. 58 Geometric Diffusers • Units like the one shown at right have been around for many years. Other forms that they may take on are trapezoidal, barrel and globular shapes. Since these geometric forms are really re-directors of sound, rather than diffusers, they tend to work better in larger spaces, such as choral rooms, churches and band rehearsal rooms. As they are technically classified as sound redirectors rather than true sound diffusers, you do not find them often in small rooms. 59 Yansıtıcı yüzeyler • Yansıtıcılar tavanda ve duvarların tavan yakın bölümlerinde kullanılmalıdır. • Yansıtıcıların genişlikleri kalın seslerde yeterli düzgün yansıma sağlayacak şekilde seçilmelidir. • Yansıtıcılar sıkı tesbit edilmeli, pürüzsüz yüzeyli ve kitle ağırlıkları 20-25 kg/m² olmalıdır. • Yansıtıcı yüzeyler düzlem ya da dışbükey olabilir. 60 Yutucu yüzeyler Yutucu yüzeyler; • Tavanın arka bölümlerinde (yararlı yansıtıcı alanın dışında) • Arka duvarda • Yan duvarların arka bölümlerinde (yararlı yansıtıcı alanın dışında) kullanılmalıdır. 61 Dağıtıcı yüzeyler Ses dağıtıcı yüzeylerin • miktarı • türleri • yerleri hacmin biçimine ve hacimdeki ses türlerine bağlı olarak belirlenmelidir. 62 Dağıtıcı yüzeyler • Salonlarda büyük düzlem yüzeylerin varlığı işitilen seste filtreleme, renklendirme, yankı gibi istenmeyen etkilere yol açabilir. Yine de unutulmamalıdır ki düzlem yüzeylerden oluşan başarılı bir çok salon vardır. Birmingham Symphony Hall göreceli olarak az dağıtıcı yüzeyi olan ama akustik açıdan iyi bir hacimdir. 63 Dağıtıcı yüzeyler • İyi dağıtıcı tasarımı güncel mimari akımları tamamlayan biçimler bulmakla yakından ilgilidir. Ses dağıtıcılar yalnızca akustik gereksinimleri karşılamakla kalmamalı aynı zamanda mimarın görsel konseptine de uygun olmalıdır. 64
