Musiikkimelun vähentäminen vaimennettujen rumpujen avulla, jatkokehitysprojekti (DEMPPI)

Musiikkimelun vähentäminen vaimennettujen rumpujen avulla, jatkokehitysprojekti (DEMPPI) Henri Penttinen ja Vesa Välimäki Aalto-yliopisto, Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos Tutkimus- ja kehityshanketta on rahoittanut Työsuojelurahasto, Aalto yliopisto, Suomen Muusikkojen Liitto ry, Kumu Drums Oy, Amf Soitinrakentajat ja Suomen Akatemia 2011-09-09

1 LÄHTÖKOHTA JA TAUSTA... 3 2 RUMPUSETIN OSAT... 4 3 VAIMENNUSMENETELMÄT JA SUUNNITTELUPERIAATTEET... 5 3.1 VIRVELIRUMPU... 6 3.2 VIRVELIVAIMENNIN PROTO NRO 1... 7 3.3 VIRVELIVAIMENNIN PROTO NRO 2... 8 3.4 SYMBAALIT JA HI-HAT... 8 3.5 RUMPUSETIN BALANSSI... 9 4 MITTAUKSET JA TULOKSET... 10 4.1 MITTAUSMENETELMÄT... 10 4.2 VIRVELIRUMPU KAIUTTOMASSA MONIKANAVAHUONEESSA... 11 4.2.1 Kalvon kireys... 11 4.2.2 Virvelirummun vaimenemisaika... 12 4.2.3 Vaimentimien vaikutus energiaan... 12 4.2.4 Vaimentimien vaikutus spektriin... 13 4.3 VIRVELIRUMMUN KALVON KÄYTTÄYTYMINEN VAIMENNETTAESSA... 14 4.4 CRASH-SYMBAALI KAIUTTOMASSA HUONEESSA... 16 4.5 SOITTOA NORMAALISSA HUONEESSA... 16 4.6 VAIMENTIMIEN VAIKUTUS RUMPUSETIN BALANSSIIN... 17 5 TIEDOTUSTOIMET... 18 6 JATKOTUTKIMUSTARVE JA SOVELTAMISMAHDOLLISUUDET... 19 7 ARVIOINTI... 19 8 YHTEENVETO... 19 9 KIITOKSET... 20 10 LÄHTEET... 20 11 LIITTEET... 21 2

Musiikkimelun vähentäminen vaimennettujen rumpujen avulla, jatkokehitysprojekti (DEMPPI) Henri Penttinen ja Vesa Välimäki Aalto-yliopisto, Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos Henri.Penttinen@aalto.fi, Vesa.Valimaki@tkk.fi Tiivistelmä Tässä hankkeessa kehitettiin vaimennussarja, joka laskee normaalin rumpusetin äänipainetasoa keskimäärin 4 dba. Vaimennussarjalla vaikutetaan sekä symbaalien että virvelirummun äänenpainetasoon. Uuden vaimenninsarjan käyttäytymistä mitattiin soittajilla ja heiltä saatua palautetta käytettiin kehitystyössä. Edelleen kehitetty virvelirummun vaimennin on nyt tukeva, helppo käyttää ja sen aiheuttamaa vaimennusta voidaan säätää. Tutkimuksissa mitattiin sen aiheuttamaa vaimennusta, suuntaavuutta ja vaikutusta äänen spektriin. Peltien vaimentamiseen siirryttiin vaahtomuovista tukevampiin solumuovikiekkoihin. Muutaman metrin kuunteluetäisyydellä vaimennussarja laskee äännepainetasoa 3-5 dba, kun taas soittajan korvan kohdalla vaimennustasot ovat 1-4 dba. Vaimennusmenetelmät laskevat jonkin verran korkeita taajuuksia, mutta palautteen mukaan ne eivät kuitenkaan pilaa rummun omaa sointia. Miksaajilta saadun palautteen perusteella peltien vaimentaminen olisi erittäin hyödyllistä. 4dBA muutos äänenpainetasossa tarkoittaa, että melussa kulutettu aika voidaan yli kaksinkertaistaa. 1 LÄHTÖKOHTA JA TAUSTA Soittimien kehittelyssä on vuosisatojen ajan pyritty äänen vahvistamiseen kaikin mahdollisin keinoin. Tyypillisiä ratkaisuja ovat olleet resonaattorilevyt ja -ontelot, kuten pianon kaikupohjassa tai kitaran kaikukopassa. Kielisoittimissa kielten jännitysvoimaa on pyritty samasta syystä kasvattamaan. Ääripisteen tämä kehittely on saavuttanut flyygelissä, missä vahva valurautainen kehys tukee rakennetta, jotta kielet voidaan kiristää lähelle teräksen murtumispistettä. Lopulta äänen sähköisen vahvistuksen avulla saavutettiin tilanne, jossa musiikin voimakkuus voitiin säätää riittäväksi. Tilanne kääntyi nopeasti 1970-luvulla ja liian voimakas ääni muodostui ongelmaksi esimerkiksi rock-konserteissa ja diskoissa. Myös klassisen musiikin soittajiin kohdistuvat meluhaitat ja kuulonsuojelu ovat olleet tutkimuksen ja kehityksen aiheina [1-3]. Helmikuun 15. päivänä 2006 astui voimaan EU:n uusi meludirektiivi, jossa asetettiin työntekijän melualtistukselle toiminta- ja raja-arvot. Tämän direktiivin vaikutukset heijastuvat siirtymäajan jälkeen myös muusikkojen työelämään. Direktiivin pohjalta 3

laadituissa käytännesäännöissä hiljaisempien soittimien kehittäminen mainitaan yhtenä keinona saada musiikki- ja viihdealan toiminta direktiivin mukaiseksi. On tunnettua, että kevyessä musiikissa käytetyn rumpusetin (ks. kuva 1) äänenpainetasot ovat erittäin voimakkaita (90-120 db) [4,5] ja siksi haitallisia soittajille sekä muille kuulijoille. Tämän tutkimus- ja kehityshankkeen tavoitteena on tutkia musiikkimelun vähentämisen mahdollisuuksia rumpujen hiljentämisellä turvallisemmalle tasolle. Soitinsuunnittelun lähtökohtana on tehdä entistä hiljaisempia soittimia niin, että soitettavuus ja äänenlaatu säilyvät tai jopa paranevat. Koska rummut ovat selvästi äänekkäimmät soittimet, joita kevyen musiikin puolella käytetään, meluntorjuntaan liittyvät edut ja hyödyt ovat niissä parhaimmillaan. Hiljaisemmilla rummuilla voidaan vähentää soittajille ja kuulijoille aiheutuvia meluvammoja. Lisäksi hiljaisemmat rummut tuovat kustannussäästöjä kaikissa musiikkiteollisuuden arvoketjun vaiheissa. Äänentoistoyritykset selviävät vähemmällä monitorointilaitteistolla ja logistiikalla. Harjoittelutiloihin kohdistuvat erityisvaatimukset kevenevät eli esimerkiksi oppilaitosten tilojen rakentamiseen menevät kulut pienenevät ja tiloja, joita ei aikaisemmin ole voitu käyttää, päästään hyödyntämään musiikkikäytössä. Tutkimukset osoittavat, että nykyään nuoret altistuvat melutasoille, jotka ovat haitallisia heidän kuulolleen [6,7]. On ilmeistä, että oppilaitokset ja lasten vanhemmat valitsisivat nuorten käyttöön mieluummin hiljaiset rummut kuin nykyisin käytössä olevat vaaralliset rummut. 2 RUMPUSETIN OSAT Seuraavaksi kuvataan lyhyesti rumpusetin tärkeimmät osat, ks. myös kuva 1. Rumpusetin tärkein osa on virveli- eli pikkurumpu (engl. snare drum), jota pidetään jalkojen välissä telineessä. Virveli on marssimusiikista tuttu rämisevää ääntä tuottava rumpu. Räminä saadaan aikaan metallisista jousista muodostuvalla virvelimatolla, joka nostetaan virvelikoneiston avulla rummun alakalvoa vasten. Maton kireyttä voi säätää ja sen saa kokonaan pois käytöstä mattokoneistolla. Virvelin halkaisijat vaihtelevat yleensä välillä 12" 15" (tuumaa) ja yleisin koko on 14". Syvyys vaihtelee välillä 3" 8", yleensä 5" 6,5". Hyvin pienen halkaisijan virveliä sanotaan sopraanovirveliksi, ja matalat virvelit ovat nimeltään pikkolovirveleitä. Virveleitä valmistetaan metallista tai puusta, lähinnä koivusta tai vaahterasta. 4

Kuva 1. Kevyessä musiikissa käytetty rumpusetti sisältää virvelirummun, bassorummun, hi-hatin, yhden tai useamman tom-tomin ja symbaaleja. Bassorumpu (engl. bass drum) makaa kyljellään ja sitä soitetaan jalalla poljettavalla pedaalilla, joka kiristetään bassorummun vanteeseen. Bassorumpuja saattaa olla rumpusetissä kaksikin kappaletta tai vastaavasti yhtä bassorumpua voidaan soittaa ns. tuplapedaalilla, jolloin on mahdollista soittaa molempia jalkoja käyttäen tavanomaista nopeampia bassorumpukuvioita. Bassorummun halkaisija vaihtelee välillä 16" 30", mutta yleisimmät koot ovat 18", 20" ja 22" (melko usein myös 24"). Syvyys on välillä 14" 20". Lautaset (hi-hat) kiinnitetään hi-hat-telineeseen siten, että toinen makaa huovan päällä kupu alaspäin vapaana ja toinen kiristetään kupu ylöspäin ns. lukkoon (engl. clutch). Lukko kiinnitetään pystysuoraan tankoon, jonka liikettä ohjataan hi-hatpedaalilla. Ääni voi olla lyhytsointinen, kun lautaset on puristettu täysin yhteen, tai pidempi ja kolisevampi, jos lautaset ovat toisistaan täysin erillään. Hi-hattia voidaan soittaa myös jalalla, jolloin saadaan erityyppinen ääni. Rumpusetissä on yleensä vähintään yksi pieni tom-tom (engl. mounted tom/rack tom) ja yksi iso tom-tom (engl. floor tom). Pienet tomit on kiinnitetty omaan telineeseen, bassorumpuun, lautastelineeseen tai räkkiin. Niiden halkaisija vaihtelee välillä 6" 14" ja syvyys on n. 6" 12". Lattiatomit seisovat omilla jaloillaan tai ne on kiinnitetty lautastelineeseen tai räkkiin. Niiden halkaisija vaihtelee välillä 14" 18" ja syvyys välillä 12" 16". Tärkein symbaali on ride-symbaali, jolla nimensä mukaisesti ratsastetaan eli soitetaan kapulan päällä symbaalin selkään, ei reunaan. Ride on kiinnitetty joko bassorummussa olevaan telineeseen tai omaan telineeseen. Riden koko on yleensä välillä 18" 24". Seteissä on lisäksi ainakin yksi crash-symbaali eli aksenttisymbaali. Sitä käytetään korostuksiin eli aksentteihin. Koko on yleensä välillä 14" 20". Muita symbaaleja ovat pieni splash-symbaali (koko 6" 14") ja china-cymbaali (koko voi olla 8" 30") sekä kongi, jota soitetaan erityisellä nuijalla. 3 VAIMENNUSMENETELMÄT JA SUUNNITTELUPERIAATTEET Kehitystyö pohjautuu HILJA-projektiin, jossa parhaisiin tuloksiin päästiin, kun virvelirumpua vaimennettiin vaahtomuovilla, joka oli asennettu rummun alle, ja peltejä 5

vaahtomuovilla ja kankailla jotka oli kiinnitetty peltien kuvun alle. 3.1 Virvelirumpu Virveli- ja tom-tom-rummuille on kehitetty useita eri menetelmiä äänenmuokkaamiseen [9-15]. Osa niistä muuttaa hieman äänenväriä ja soinnin kestoa, ja osa pyrkii vaimentaa ääntä mahdollisimman paljon. Suurin osa äänen muokkaamismenetelmistä koskettaa jompaakumpaa kalvoa, kuten yleisesti käytetyt lyöntikalvolle asetettava vaimennusrengas tai lyöntikalvoa vasten mekaanisesti asetettava vaimennin. Patentoitu vaimennuspussi ei kosketa kumpaakaan kalvoa, vaan se asetetaan virvelin alle teltan muotoiseksi suojaksi ja kiinnitetään rumputelineeseen [15]. Aiemmin kokeilimme virvelirummun äänen vaimentamista mm. poistamalla alakalvo ja siirtämällä virvelimatto yläkalvon alapuolelle sekä täyttämällä rumpu vaahtomuovilla. Alakalvon poistaminen ja virvelimaton siirtäminen yläkalvon alapuolelle ei laskenut äänenpainetasoja (ks. kuva 2) ja vaahtomuovin lisääminen tyhjään osaan vaimensi sointia aivan liikaa. Vastaavasti virveli-rummun täyttäminen 50-70% vaahtomuovilla vaimensi sointia liikaa ja soittodynamiikka kärsi liikaa. Lisäksi kirjallisuudessa on todettu, että rummun reunat eivät säteile merkittävästi, mutta vaikuttavat äänen sointiin [5]. Parhaat tulokset saimme asettamalla vaahtomuovikiekon 2 cm:n päähän virvelin alapuolelle (ks. kuva 3). Tällöin mikään kappale ei kosketa ylätai alakalvoa, mutta rummun säteilytehokkuus heikkenee. Lisäksi alakalvossa oleva virveli-matto, joka aiheuttaa virveli-rummulle sen ominaisen soinnin, saa värähdellä vapaasti. Jatkokehityksen tavoitteena oli käytännöllisemmän, mutta ainakin yhtä tehokkaan ratkaisun löytäminen. Kuva 2. Virveli-rumpu, josta alakalvo on poistettu ja virveli-matto on siirretty yläkalvon alapuolelle. 6

Kuva 3. Aiempi virvelin vaimentaminen vaahtomuovikiekolla, joka on asetettu alakalvon läheisyyteen. Kuvassa näkyy myös vaimennusrengas ja vaimennuskangas tai vaimennustassu, jotka kumpikin koskettavat yläkalvoa. 3.2 Virvelivaimennin proto nro 1 Pekka Helanen (KUMU Drums Oy:stä) rakensi ensimmäisen virvelivaimentimen suunnitelmien mukaisesti vaimennusmatoksi, joka voidaan asentaa suoraan rummun alle. Kuva 4 esittää protoa sivulta päin kuvattuna. Ensimmäiset käyttäjäkyselyt rumpaleiden kanssa ja mittaukset osoittivat, että virvelivaimennin vähensi sointia ja dynamiikkaa liikkaa. Rumpaleiden mielestä äänensävy oli tukkoinen eikä reagoinut soittoon. Käyttäjät huomasivat vaimennuksen soittaessaan. Kuva 4. Virvelivaimentimen proto nro 1. Vaimennusmatto, joka voidaan asettaa suoraan virveli rummun alle. 7

3.3 Virvelivaimennin proto nro 2 Protoa lähdettiin parantamaan ensimmäisten kokeiden perusteella niin, että vaimennuslevyn ja rummun väliin rakennettiin 1.5 cm:n ilmarako. Kuva 5 esittää virvelivaimentimen protoa nro 2 sivusta ja päältä. Mikrofonille tehtiin erillinen reikä, jonka voi avata ja sulkea. Mikrofonia voidaan käyttää suuremmilla lavoilla, joissa äänenpainetasot halutaan säilyttää pieninä, mutta rummut toistetaan PA:sta. a) b) Kuva 5. Virvelivaimennin proto nro 2. vaimennusmatto, jossa on a) ilmarako virvelirummun ja vaimentimen välissä ja b) reikä mikrofonia varten. 3.4 Symbaalit ja hi-hat Symbaalien ja hi-hatin hiljentämiseen on erilaisia tuotteita ja patentteja, joiden tarkoitus on vaimentaa ääntä niin voimakkaasti, että niitä voidaan käyttää esim. kotona harjoitteluun [8-12]. Minkään näistä ei ole tarkoitus vaimentaa ääntä vain hieman, kuten meidän tavoitteemme on. Rumpalit käyttävät usein teipinpalasia symbaaleissa vaimentaakseen niitä hieman. Tästä syystä mittasimme erikokoisia ja -painoisia symbaaleja ja vaimensimme niitä teipinpalasilla, huovilla ja vaahtomuovilla. Edellisessä HILJA-projektissa osoittautui, että kuvun alle asetettu vaahtomuovin pala toimi hyvänä vaimentimena, joka oikein käytettynä ei täysin poista peltien luonnollista sointia. Parhaat tulokset saimme, kun vaimentavat materiaalit olivat kupujen alla. HILJA-projektissa käytimme myös teipin palasia peltien kupujen juurella tai reunoilla. Tässä projektissa käytimme teippiä vain hi-hatin alapellin vaimentamiseen. Tässä työssä vertasimme vaahtomuovia muihin samantyyppisiin materiaaleihin: tukevampiin vaahtomuoveihin ja solumuoveihin. Vaimensimme peltejä kuvassa 6 8

näkyvillä vaimentimilla. Eri kokoisia vaimentimia voi käyttää eri kokoisille pelleille, joissa kuvun koot voivat erota toisistaan huomattavasti. Kuvassa 6 b) peltivaimennin näkyy asennettuna paikoilleen pellin alle. Lisäksi rakensimme metallisen tuen, jota voi käyttää vaimentavaa materiaalia asetettaessa. a) b) Kuva 6. Symbaalien ja hi-hatin vaimentamiseen tarkoitettuja vaimentimia a) etualalla solumuovista ja keskellä vaahtomuovista tehdyt vaimentimet ja taka-alalla metallituki, b) peltivaimennin asetettuna paikoilleen. 3.5 Rumpusetin balanssi Selvitimme tyypillisen rumpusetin luonnollisen balanssin ja valmiin äänitteen miksauksen rumpusetin balanssin eroa analysoimalla studioäänitteitä. Tarkoituksena oli selvittää, mihin suuntaan rumpusetin balanssia voitaisiin kehittää, jotta se luonnostaan vastaisi paremmin tyypillisesti tavoiteltuja sointi-ihanteita äänitteillä. Vertasimme Risto Hemmin Finnvoxilla äänittämiä ja miksaamia rumpuraitoja keskenään. Materiaalina oli kolme kappaletta suomalaista pop-rock-musiikkia (Ile Kallio & Vierailevat Solistit, 2007 Capitol Records). Taulukko 1. esittää Tule kyytiin -kappaleen RMS-arvoja (50 ms liukuvalla ikkunalla, 50% päällekkäisyydellä) eri lyömäsoittimille ja raidoille. Vertasimme yläpuolella olevan mikrofonin (OH) tasoja lopulliseen rumpumiksaukseen (MIX). Kyseessä on studiomiksaus, jossa koko musiikkikappale on miksattu valmiiksi ennen masterointia ja jossa on mukana kaikki soittimet. Tämän jälkeen kaikki muut soittimet paitsi rummut on poistettu. Otimme virvelin tason referenssiksi, koska se on OH-raidalla voimakkain soitin. Korjaustermiksi tulee 5,5 db, jolloin saimme tulokseksi, että bassorumpua korostetaan 11,5 db ja hi-hattia 4,5 db MIX-raidassa. 9

Taulukko 1. Studioäänitteiden RMS-tasoja mikrofonissa rumpusetin yläpuolella ja miksatussa versiossa. Mikrofoni/Raita Virveli [db] Basso [db] Hi-hat [db] Yläpuolella (OH) -30-39,8-48,8 Miksaus (MIX) -24,5-22,7-39,3 Verrattuna virveliin 0 +11,5 +4,5 Teimme pienimuotoisen kyselyn studio- ja lavamiksaajien sekä äänittäjien kesken ja kysyimme mm. mitkä rummut he haluaisit hiljaisemmaksi ja kuinka paljon. Tulokseksi saimme, että äänekkäimmät ja häiritsevimmät rummut ovat virveli ja symbaalit/hi-hat. Toiveena heillä oli n. 5 db:n tason laskeminen kummallekin. Lisäksi ilmeni, että virvelirumpu ja symbaalit koettiin ongelmaksi varsinkin huonojen soittajien käsissä. Tästä syystä olemme keskittyneet virvelirummun ja symbaalien vaimentamiseen emmekä esim. bassorummun. 4 MITTAUKSET JA TULOKSET Sen lisäksi, että selvitimme kuinka tehokkaasti vaimentimet toimivat eri tilanteissa, mittasimme niiden toimintaa, jotta ymmärtäisimme, miten ne vaikuttavat rumpujen äänenväriin, resonansseihin, suuntaavuuteen ja vaimenemisaikaan. 4.1 Mittausmenetelmät Suoritimme mittauksia ja nauhoituksia Aalto-yliopiston monikanavaisessa kaiuttomassa huoneessa sekä soitto- ja harjoittelutiloissa (Nosturin harjoitussali, teollisuusalueen harjoitushuone, akustiikan laboratorion A-pajassa) useilla erikokoisilla soittimilla ja vaimennusmenetelmäyhdistelmillä. Kaiuton monikanavahuone Virvelivaimentimen toimintaa mitattiin monikanavaisessa kaiuttomassa huoneessa, jossa on 21 Röde NT1-A mikrofonia. Yksi mikrofoni sijaitsivat keskellä ja ylhäällä huonetta, loput mikrofonit muodostivat dodekaedrin. Mikrofonien paikat on esitetty kuvassa 7. Virvelirumpu oli sijoitettu keskelle muodostelmaa ollen 1.8-2.4 metrin etäisyydellä rummusta. Mikrofonien taajuusvasteiden, etuasteiden ja etäisyyserot kompensoitiin mikrofonikohtaisilla suotimilla. Kompensaatiosuodattimien muodostamiseen käytettiin logaritmista pyyhkäisyä, joka soitettiin Genelec 1032a - kaiuttimesta joka oli kohdistettu kohti kyseistä mikrofonia. Normaalia soittoa soitto- ja harjoittelutiloissa Normaalia soittoa mitattiin ja nauhoitettiin erilaisissa soitto- ja harjoittelutiloissa. Rumpalit soittivat heidän normaalilla soittovoimakkuudellaan ja täydellä voimalla. Äänenpainetasot (5 s A-painotettu, Fast) mitattiin eri etäisyyksiltä rummuista ja soittajan korvien tasolta. Rumpuja soitettiin noin 120 BMP (iskua minuutissa) tempolla avonaisella hi-hatilla sekä symbaalilla. Rumpuja vaimennettiin eri tavoin: 1) 10

virvelivaimentimella, jossa oli ilmarako ja pellit vaahtomuovivaimentimilla, 2) virvelivaimentimella ilman ilmarakoa ja pellit solumuovivaimentimilla ja 3) ilmaraollisella virvelivaimentimella ja pellit solumuovivaimentimilla. Laservibrometri Mittaisimme myös virvelirummun etukalvon värähtelyjä laservibrometrillä. Rummun kalvo herätettiin logaritmisella taajuuspyyhkäisyllä, joka soitettiin Genelec 8030Akaiuttimesta. Kalvon värähtelyä mitattiin laservibrometrillä eri vaimennustilanteissa: ilmaraollisella virvelivaimentimella, virvelivaimentimella ilman ilmarakoa ja vaimennustassulla. Käytössämme oli kolme erikokoista hi-hat-, ride- ja crash-symbaalia eli yhteensä yhdeksän symbaalia (katso taulukko 2). Mittasimme kaiuttomassa huoneessa äänipainetasoja yksittäisille iskuille 1 metrin päästä toistaen mittauksen kolme kertaa. Vakioherätteenä käytimme rumpukapulaa, joka pudotettiin pystysuoraan vakiokorkeudelta (28 cm). Kuva 7. Monikanavahuoneen mikrofonien sijoittelu. 4.2 Virvelirumpu kaiuttomassa monikanavahuoneessa Mitattava rumpu sijoitettiin kaiuttomaan huoneeseen niin, että se oli keskellä mikrofonihilaa. Rumpu herätettiin kuvassa 8 näkyvällä automaattisella herättimellä, jossa kapula päästetään kaatumaan akselin ympäri. Tällöin saadaan hyvin toistettava heräte, jolla on vakio voimakkuus. 4.2.1 Kalvon kireys Virvelikalvon kireyttä mitattiin poikkeuttamalla kalvoa erisuuruisilla painoilla. Gravitaation aiheuttama voima G painoi kalvoa ympyrän muotoisella alalla, jonka säde oli b. Virvelikalvon säteen ollessa a ja kalvon poikkeuma y voidaan ilmaista G:n ja kalvon kireyden T funktiona seuraavasti 11

y = G 2!T ln a b. (1) Samaa menetelmää kalvon kireyden määrittämiseksi ovat käyttäneet Rossing et al. Kalvon poikkeamaa mitattiin poikkeutusta mittaavalla laserilla (Sunx HL-C105B-BK Laser Displacement Sensor), jonka teoreettinen resoluutio on 1 µm. Tässä mittauksessa tarkkuus oli n. 10 µm. Kalvoa poikkeutettiin 50 g 500 g välillä 50 g askelissa. Kalvon kireydeksi saatiin 2040 N ± 30 N yläkalvolle ja 2130 N ± 40 N alakalvolle. Kalvon kireyttä mitattiin myös TAMA Tension Watch:lla. Vastaavilla kireyksillä kalvoille saatiin tuloksiksi yläkalvolle 81±2 ja alakalvolle 65±2. Tämä tulos on vastakkainen lasermittauksiin nähden. Tähän lienee syynä se, että alakalvo oli ohuempi jolloin mittari voisi näyttää pienempää arvoa, vaikka onkin viritetty kireämmälle. Tension Watchilla saatiin samantyyppiset tulokset myös rumpaleiden virveleille, vaikka hekin olivat oman tuntumansa mukaan virittäneet alakalvon kireämmälle. 4.2.2 Virvelirummun vaimenemisaika Virvelin vaimenemisaikaa arvioitiin T30-parametrin avulla. Parametri T30 ilmaisee, kuinka nopeasti ääni on vaimentunut 30 db. Huoneakustiikassa käytetään yleensä mittaa T60, joka ilmaisee, kuinka nopeasti ääni vaimenee 60 db. Rumpujen tapauksessa äänitapahtuma on niin nopea ja laitteiden signaalikohina vaatimuksille helpompi, että on järkevämpää käyttää mittaa T30. Taulukko 2 esittää vaimenemisajat ja muutokset prosentteina virvelivaimentimelle, vaimenninrenkaalle ja vaimenninkankaalle. Kaikki vaimennusmenetelmät vaikuttavat vaimenemisaikaan, mutta virvelivaimennin vaikuttaa kaikkein vähiten. Vaimenninrengas ja -kangas lyhentävät sointiaikaa yli 50 % kun taas virvelivaimennin lyhentää vaimenemisaikaa 22 %. Tämä oli myönteistä, sillä tavoitteenamme oli vaikuttaa mahdollisimman vähän rummun äänensävyyn. Taulukko 2. Eri vaimennusmenetelmien vaikutukset äänen vaimenemisnopeuteen. Suure Ilman Vaimennin Rengas Kangas T30 [s] 0.77 0.59 0.32 0.34 Muutos [%] 0.0 22 58 55 4.2.3 Vaimentimien vaikutus energiaan Vaimentimien vaikutuksia virvelirummun energiaan arvioitiin eri säteilykulmilla käyttäen 200 ms:n pituista ikkunaa. Ikkunaa, jossa vaimentamattoman virvelin ääni saavutti maksimiarvon, käytettiin vertailukohtana muille menetelmille. Taulukko 3 esittää energian vaimennusmääriä eri säteilykulmilla. Uusi vaimennin vaimentaa 12

odotetusti heikosti ylöspäin säteilevää ääntä, kun verrataan rengas- ja kangasvaimentimiin, mutta tehokkaammin alaspäin säteilevää ääntä. Keskiarvoltaan uusi virvelivaimennin kuitenkin vaimentaa tehokkaammin (8.2 db) verrattuna rengasvaimentimeen (2.7 db) ja kangasvaimentimeen (4.9 db). Taulukko 3. Virvelirummun vaimentuminen eri kulmissa eri menetelmillä. Vaimennusmenetelmiä verrataan vaimentamattoman rummun energiaan. Kulma Ilman Uusi [db] Rengas [db] Kangas [db] 90 0.0-0.8-6.1-4.5 53 0.0-1.9-4.9-4.8 11 0.0-4.9-1.8-4.5-11 0.0-10.0-1.6-4.6-53 0.0-19.4-2.2-5.3 Keskiarvo 0.0-8.2-2.7-4.9 4.2.4 Vaimentimien vaikutus spektriin Vaimentimien vaikutusta virvelin spektriin mitattiin kahdeksalla eri oktaavikaistalla (125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz, 4000 Hz, 8000 Hz ja 16000 Hz). Kuva 8 esittää energian keskiarvojen erot eri vaimennusmenetelmillä oktaavikaistoittain: vaimennusrengas o, virvelivaimennin * ja vaimenninkangas +. Virvelivaimennin vaimentaa kaikilla yli 250 Hz:n kaistoilla enemmän kuin kaksi muuta menetelmää. Se, että vaimennuskangas vaimentaa enemmän 125 Hz kaistalla, selittynee sillä, että kangastassu nostaa matalimman moodin keskitaajuutta (kts. kuva 9). Virvelivaimennin vaimentaa siis paremmin lähes koko audiokaistalla. On myös huomattava, että vaimennuksen määrä on huomattavasti suurempi korkeammilla kaistoilla. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että äänenväri tummenee hieman, kun käytetään virvelivaimenninta. Toisaalta rengas- ja kangasvaimentimet vaimentavat yli 2000 Hz:n kaistoilla 5-10 db vähemmän kuin virvelivaimennin. Korkeiden taajuuksien voimakas vaimentuminen selittyy pääosin sillä, että vaimennin heikentää alakalvoon kiinnitetyn virvelimaton säteilyä tehokkaasti. 13

Kuva 8. Keskimääräiset energian vaimennusmäärät oktaavikaistoittain: o rengasvaimentimelle, * virvelivaimentimelle ja + kangasvaimentimelle. 4.3 Virvelirummun kalvon käyttäytyminen vaimennettaessa Virvelirummun yläkalvon värähtelyä mitattiin laservibrometrillä (tarkempi kuvaus kappaleessa 4.1), jotta paremmin ymmärtäisimme, kuinka vaimennin toimii. Kappaleessa 4.2 tutkimme, kuinka äänensäteily muuttuu, kun käytetään vaimentimia. Tässä kappaleessa keskitymme pelkästään etukalvon värähtelyyn. Tästä syystä esimerkiksi virvelirummun virvelimaton käyttäytyminen ei näy tämän kappaleen mittauksissa ja kuvaajissa. Kuvassa 9 näkyy yläkalvon resonanssitaajuudet kolmessa tapauksessa: a) vaimentamattomalle, b) virvelivaimentimelle ja c) kangasvaimentimelle. Resonanssien yleisrakenne on erittäin samantyyppinen, muutama selkeä resonanssi pienillä taajuuksilla ja korkeammilla taajuuksilla resonansseja erittäin tiheästi. Kangasvaimentimen tapauksessa vaimennin koskettaa yläkalvoa, jolloin vaikutuksen sen värähtelyyn ovat suurimmat. Korkeilla taajuuksilla resonanssien värähtelymuodot ovat jakaantuneet useaksi pieneksi värähteleväksi osaksi, jolloin kangasvaimennin vaikuttaa paikallisesti kyseisten värähtelymuotojen amplitudeihin, taajuuksiin ja värähtelymuotoihin. Kangasvaimennin muuttaa hieman näitä asioita, mutta ei aiheuta mitään radikaaleja muutoksia. Molemmissa vaimennusmenetelmissä suurimmat erot ovat pienillä taajuuksilla. Kuva 10 esittää samojen vaimennustapauksien resonanssien spektrejä pienillä taajuuksilla: vaimentamaton (yhtenäinen viiva), virvelivaimennin (katkoviiva) ja kangasvaimennin (pisteellinen viiva). Kaikissa tapauksissa matalin resonanssi (160 Hz) (nk. (0,0) muoto) on eri taajuuksilla, mutta ylempien seuraavien resonanssien tapauksissa vaikutukset ovat hieman erilaiset. Virvelivaimennin laskee alimman resonanssin taajuutta (145 Hz) siitä syystä, että se kytkeytyy alakalvon värähtelyyn ja sitä kautta lisää vastusta yläkalvolle. Kangasvaimentimen tapauksessa alin resonanssi 14

(175 Hz) siirtyy korkeammalle taajuudelle, koska vaimennin koskettaa yläkalvoa ja pienentää kalvon vapaasti värähtelevän osan pinta-alaa. Hieman korkeammalla taajuuksilla (n. 230-240 Hz) sijaitsee pari resonanssia. Virvelivaimentimen tapauksessa molemmat resonanssit säilyvät suunnilleen samoilla taajuuksilla hieman eri amplitudeilla. Kangasvaimentimen tapauksessa resonanssit siirtyvät päällekkäin samalle taajuudelle. Tämä tarkoittaa sitä, että kangasvaimentimen tapauksessa kahden lähekkäin olevan resonanssin huojunta katoaa. Kuva 11 esittää yläkalvon resonanssien spektrejä pienillä taajuuksilla: vaimentamaton (yhtenäinen viiva), proto nro 2: virvelivaimennin ilmaraolla (katkoviiva) ja proto nro 1: virvelivaimennin ilman ilmarakoa (pisteellinen viiva). Ilman ilmarakoa matalin resonanssi siirtyy vieläkin matalammalle taajuudelle 125 Hz, mikä on täysin odotettua. Korkeammilla taajuuksilla erot eivät ole sen suuremmat kuin ilmaraollisessa tapauksessakaan. Kuva 9: Rumpukalvon resonassitaajuudet a) vaimentamattomalla virvelillä, b) ilmaraollisella virvelivaimentimella ja c) kangasvaimentimella vaimennetulla virvelillä. Kuva 10: Rumpukalvon resonassitaajuudet vaimentamattomalla virvelillä (yhtenäinen viiva), ilmaraollisella virvelivaimentimella (katkoviiva) ja kangasvaimentimella vaimennetulla virvelillä (pisteellinen viiva). 15

Kuva 11: Rumpukalvon resonassitaajuudet vaimentamattomalla virvelillä (yhtenäinen viiva), ilmaraollisella virvelivaimentimella (katkoviiva) ja virvelivaimentimella, jossa ei ole ilmarakoa (pisteellinen viiva). 4.4 Crash-symbaali kaiuttomassa huoneessa Crash-symbaalilla käytetyt tekniikat (solumuovi ja vaahtomuovi) vaimensivat kukin symbaalia n. 1-3 dba. Solumuovivaimentimet olivat vaahtomuoviin verrattuna 0-2 db tehokkaampia. Vaimentimen halkaisija vaikuttaa myös vaimennuksen määrään, vertasimme keskenään vaimentimia joilla oli sama halkaisija. Crash-symbaalin halkaisijalla sekä painolla on vaikutus sen äänekkyyteen. 20 Metal Sabian AA Metal-X on selkeästi äänekkäämpi kuin 16 symbaalit (Sabian ja Paiste). Samankokoiset 16 Sabian ja 16 Paiste -pellit eroavat äänipainetasoissa, puoliväliin lyötäessä, n. 3 db, Paisteen ollessa äänekkäämpi. Paiste painaa 100 g enemmän, mutta on koneellisesti puristettu, kun taas Sabian on taottu käsin. Yhdistelmä suuremmasta massasta ja puristustekniikasta selittänee Paisteen suuremman äänipainetason Sabianiin verrattuna.hi-hatille kehitetty vaimennusmenetelmä tehosi paremmin hi-hatin ollessa auki, jolloin vaimennus oli 3,7 ± 0,7 dba kuin hi-hatin ollessa kiinni ( 2,0 ± 1,2 dba). Lisäksi mittasimme hi-hatin vaimentamista kaupallisella Sound Off - vaimentimella, joka on pehmeä muovilevy ja asetetaan yläpellin päälle siten, että se peittää n. 70% pinta-alasta (vaimennus 8,5 ± 0,5 dba) [12]. Sound Off vaimentaa nimensä mukaisesti voimakkaasti, mutta poistaa soinnin symbaalien äänestä. 4.5 Soittoa normaalissa huoneessa Akustisesti tarkkojen mittausten lisäksi teimme mittauksia normaaleissa oloissa, tavoilla ja tiloissa, joissa rumpalit käyttävät normaalisti soittimiaan. Aiemmassa tutkimuksessa selvisi, että hi-hatin soitto auki asennossa ja crash-peltien soittaminen ovat äänekkäimmät tavat soittaa peruskomppia. Tästä syystä keskityimme näiden tapojen mittaamiseen. Lisäksi mittasimme altistustasoja soittajien korvien juurella. Ensin mittasimme soittoa kahdella eri vaimennuskombinaatiolla: i) virvelivaimentimella, jossa on ilmarako ja pellit, vaahtomuovilla, jossa on tuki sekä ii) virvelivaimentimella, jossa ei ole ilmarakoa ja pellit solumuovivaimentimilla. Lisäksi mittasimme vaimentimia suuremmassa harjoitustilassa niin, että käytimme virvelivaimenninta, jossa on ilmarako ja solumuovivaimentimia pelleille. A-painotetut mittaukset tehtiin 2-3 metrin päästä rumpusetistä ja 1 metrin korkeudella maasta. 16

Taulukko 3 esittää työssä kehitettyjen menetelmien keskimääräisiä tuloksia rumpusetin soitolle avonaiselle hi-hatille ja crash-pellille, kuunteluetäisyydellä ja soittajan korvan tasolla. Jos altistustaso laskee 3 db, melussa vietetty aika voidaan kaksinkertaistaa saman meluannoksen saamiseksi. Uusi vaimennussarja toimii siis lähes desibelin verran tehokkaammin kuin edellisessä HILJA-projektissa kehitetyt vaimentimet. Kuunteluetäisyydellä (2-3m) vaimennusta on n. 4 dba, avoimella hihatilla vaimennus toimii hieman tehokkaammin kuin crash-pellille. Soittajan korvalla vaimennusta on hieman vähemmän, joka on ymmärrettävää vaimentimien sijoittelun ja suuntakuviomittausten perusteella. Soittajan korvalla vaimennusta saadaan avoimelle hi-hatille lähes 3 dba ja crash-pellille n. 2 dba. A-painotetut äänenpainetasot soittajan korvalla ovat suurimmillaan 110 dba luokkaa, huipputasojen ollessa n. 115 dba. Vaimentamiset on ilmaistu ekvivalenttitasona (LAeq, T = 5 s) jolloin tulokset vastaavat altistustasoja. Muutokset hupputasoissa on myös ilmoitettu L AFmax. Taulukko 3. Projektissa kehitettyjen vaimennusmenetelmien keskimääräisiä vaimennustuloksia. Paikka Soitin Vaimennus [dba] Muutos soittoajassa Kuunteluetäisyydellä Hi-hat avoin 4,0 ± 0,7 [L Aeq ] yli 100% enemmän Hi-hat avoin 3,6 ± 0,7 [L AFmax ] Crash-pelti 3,8 ± 0,7 [L Aeq ] yli 100% enemmän Crash-pelti 3,7 ± 0,6 [L AFmax ] Soittajan korvalla Hi-hat avoin 2,7 ± 1,0 [L Aeq ] alle 100% Hi-hat avoin 1,9 ± 0,7 [L AFmax ] Crash-pelti 1,9 ± 0,8 [L Aeq ] alle 100% Crash-pelti 1,5 ± 0,7 [L AFmax ] 4.6 Vaimentimien vaikutus rumpusetin balanssiin Vaimennuksen vaikutusta äänenväriin tutkittiin mittaamalla soitetun signaalin spektrikeskipistettä (engl. spectral centroid) ajan funktiona. Kuva 12 esittää vaimentamattoman rumpusetin a) signaalin tasoa ja b) spektrikeskipistettä (yhtenäinen viiva) sekä sen keskiarvoa laskettuna 20 pisteestä (katkoviiva). Kuva 13 esittää vaimennetun rumpusetin a) signaalin tasoa ja b) spektrikeskipistettä (yhtenäinen viiva) sekä sen keskiarvoa laskettuna 20 pisteestä (katkoviiva). Mittaus on tehty 3 metrin päästä rumpusetin edestä (Zoom H2 nauhurilla). Rumpali on soittanut täydellä voimalla crash-peltiä ja 1/8-komppia. Spektrikeskipisteen keskiarvot laskettuna ajanjaksolta 1-8 sekuntia vaimentamattomalle ja vaimennetulle rumpusetille ovat 6400 Hz ja 6100 Hz. Vaimentimien aiheuttama lievä korkeiden taajuuksien tasonlasku voidaan siis mitata myös normaalista soitosta. 17

Kuva 12. Vaimentamattoman rumpusetin signaalin taso ja spektrikeskipiste, kun rumpuja on soitettu täydellä voimalla. Kuva 13. Vaimennetun rumpusetin signaalin taso ja spektrikeskipiste, kun rumpuja on soitettu täydellä voimalla. 5 TIEDOTUSTOIMET Tämän tutkimus- ja kehityshankkeesta, sen edistymistä ja tuloksista on tiedotettu seuraavasti 1. Kirjoituksen alla on lehtiartikkeli Journal of the Acoustical Society of America lehteen: H. Penttinen, O. Porkka ja V. Välimäki, Design and analysis of an externally damped snare drum, lähetetään syyskuussa 2011. 2. Projektisivulla internetissä (http://www.acoustics.hut.fi/projects/demppi). 3. Lehtiartikkeli Riffi-lehteen. Artikkelissa käsitellään rumpujen äänekkyyttä haastattelemalla Sami Kuoppamäkeä ja Anssi Nykästä, sekä käyttämällä hyväksi tämän tutkimuksen tuloksia. Riffi-lehti ja päätoimittaja Lauri Paloposki vastaavat lopullisesta sisällöstä, mutta tässä projektissa suunnitellut vaimentimet ja saatuja mittaustuloksia käytetään materiaalina artikkeliin. Julkaisuaikataulu on avoin. 18

6 JATKOTUTKIMUSTARVE JA SOVELTAMISMAHDOLLISUUDET Tämän tutkimus- ja kehityshankkeen puitteissa kehitetty vaimennussarja laskee äänipainetasoa keskimäärin 4 dba, jolloin melussa vietetty aika voidaan kaksinkertaistaa saman meluannoksen saamiseksi. Jatkotutkimushaasteina ja mahdollisina projekteina nähdään: 1. Koulujen ja oppilaitosten tietoisuuden lisäämien - rumpujen vaarat ja niiden välttäminen vaimentamalla (kehittämisavustus tai tiedoitushanke) 2. Kehitettyjä vaimentimia valmistavan teollisen yhteistyökumppanin löytäminen Koulujen ja oppilaitosten tietoisuuden lisäämien yhteistyössä esimerkiksi Kuuloliiton kanssa voitaisiin hyvinkin toteuttaa kehittämisavustuksella tai osana yllä mainittuja kehityshankkeita. Lisäksi tietokoneavusteinen simulointi ja mallinnus voisi tuoda tehokkuutta suunnitteluprosessiin ja lisää tietoa uusien materiaalien, kuten nanokuitujen, käyttäytymisestä peltien ja rumpujen yhteydessä. Markkinoille on ilmestynyt Cympad niminen tuotesarja, joka on tarkoitettu peltien äänenmuokkaukseen (http://cympad.com/). Cympadin sivuilla puhutaan äänen optimoimisesta, mutta ei sen vaikutuksista äänenpainetasoihin. Selvästi tämän kaltaisille tuotteille voi olla tarvetta ja kysyntää. 7 ARVIOINTI Tavoitteena oli kehittää vaimennussarja rummuille. Kehityshankkeessa saatiin aikaan vaimennussarja, joka vaikuttaa rumpusetin oleellisiin osiin eli pelteihin ja virvelirumpuun. Vaimennussarja laskee normaalin rumpusetin äänipainetasoa keskimäärin 4 dba, jolloin melussa vietetty aika voidaan yli kaksinkertaistaa saman meluannoksen saamiseksi. Tätä voidaan pitää projektin kannalta menestyksekkäänä tuloksena. HILJA-projektiin verrattuna tulos on 1 dba parempi. Lisäksi kehitetty vaimennussarja on selkeästi käytännöllisempi ja lisäksi ymmärrämme paremmin mitä äänelle tapahtuu ja miksi kun käytämme vaimennussarjaa. Vaimennussarja on lisäksi riippumaton rummusta tai pellistä, eikä vaadi kallista asennusprosessia. Positiivista projektin kannalta on lisäksi se, että jatkotutkimustarve näyttäisi olevan hyödyllistä ja tarpeellista. Yhteistyökumppaneiden asiantuntemus vaikutti keskeisesti kehityshankkeen tuloksien saavuttamiseen. Raportointiaikataulu venyi aiottua reilusti enemmän. Toisaalta projektissa työskennellyt tutkija Henri Penttinen sai merkittävää lisärahoitusta Suomen Akatemialta, joka tarkoittaa sitä, että projekti jatkuu suunniteltua pidempään. 8 YHTEENVETO Tämän tutkimus- ja kehityshankkeen tavoitteena oli tutkia mahdollisuuksia vähentää rumpujen melupäästöä turvallisemmalle tasolle akustisin keinoin. Tässä hankkeessa 19

kehitettiin vaimennussarja, joka laskee normaalin rumpusetin äänipainetasoa keskimäärin 4 dba. Vaimennussarjalla vaikutetaan sekä peltien että virvelirummun äänenpainetasoon laskevasti. Lisäksi ymmärretään, että peltien tapauksessa soittimen koolla on merkitys äänenpainetasoon, mutta halkaisija ei ole ainoa merkittävä suure. Peltien ja hi-hatin tapauksessa pellin paino, halkaisija ja taontatekniikka vaikuttavat lopulliseen äänipainetasoon. 9 KIITOKSET Tämän tutkimuksen ovat rahoittaneet Työsuojelurahasto, Suomen Muusikkojen Liitto ry, Aalto-yliopisto, Kumu Drums Oy, Amf Soitinrakentajat ja Suomen Akatemia (no. 128689). Kirjoittajat haluavat kiittää Risto Hemmiä ja Finnvox-studiota studioäänitteistä, Jaakko Pulkkia F-Musiikista symbaalilainasta ja Juha Rumputohtori Alankoa kalvomittarin lainasta. Lisäksi haluamme kiittää Pekka Helasta Kumu Drums Oy:stä, Jyrki Pölkkiä Soitinrakentajat Amf:stä, sekä Sami Kuoppamäkeä, Kai Halosta, Sasu Viitasta ja Tuomas Laivaaraa rumpujen soittamisesta. 10 LÄHTEET 1. TOPPILA E, LAITINEN H, STARCK J & PYYKKÖ I, Klassinen musiikki ja kuulonsuojelu, Työympäristötutkimuksen raporttisarja 10, Työterveyslaitos, 2004. Työsuojelurahasto projekti nro: 100070 2. LAITINEN H, TOPPILA E, OLKINUORA P & KUISMA K, Meluntorjuntaohjelma Suomen Kansallisoopperaan, Akustiikkapäivät 2001, 8.-9.10.2001, Espoo, 45-50. 3. LAITINEN H, Klassisen muusikin esittäjien suhtautuminen kuulonsuojeluun ja kuulo-oireiden esiintyminen tanskalaisissa sinfoniaorkestereissa, Akustiikkapäivät 2005, 26.-27.9.2005, Kuopio, 7-13. 4. FLETCHER N H & ROSSING T D, The Physics of Musical Instruments, Springer- Verlag, New York, 1991. 5. ROSSING T D, Science of Percussion Instruments, Series in Popular Science, no. 3, 2000. 6. BJÖRK E, LAITINEN H & MYYRYLÄINEN P, Nuorten altistuminen melulle vapaa-aikana Suomessa ja Japanissa sekä melun aiheuttamat kuulo-oireet, Akustiikkapäivät 2001, 8.-9.10.2001, Espoo, 51-56. 7. JOKITULPPO J, TOIVONEN M & BJÖRK E, Varusmiesten vapaa-ajan melualtistus ja vaikutukset kuuloon, Akustiikkapäivät 2005, 26.-27.9.2005, Kuopio, 1-5. 8. IPPOLITO F, Practice drum set, US Patent No. 2893283, 1956. 9. SLOMOVITS R, Practice cymbal covers, US Patent No. 4037509, 1977. 10. SHAPIRO V, Music cymbal mute device, US Patent No. 5959227, 1999. 11. DICKEN M, Cymbal damper, US Patent No. 6686528, 2004. 12. D ADDARIO & COMPANY, Sound Off Drum Set Mutes, URL: http://www.hqpercussion.com/, 01-09-2007. 13. VAN VALKENBURG H A, Damping device for snare drums, US Patent No. 1281107, 1918. 14. WALBERG B, Drum muffler, US Patent No. 2449616, 1946. 15. STEENBOCK D, Apparatus for modifying the percussive sound emanating from a drum, US Patent No. 5404784, 1995. 20

11 LIITTEET 21

Mittaustaulukot 22

23

24

25

26

27