Petri Hänninen YLIVIESKATALO AKUSTIIKAN STUDION AKUSTINEN ARVIOINTI

Petri Hänninen YLIVIESKATALO AKUSTIIKAN STUDION AKUSTINEN ARVIOINTI Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Mediatekniikan koulutusohjelma Marraskuu 2008

TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ Yksikkö Aika Ylivieskan yksikkö 3.11.2008 Koulutusohjelma Mediatekniikan koulutusohjelma Työn nimi Ylivieskatalo Akustiikan studion akustinen arviointi Työn ohjaaja Mikko Himanka Työelämäohjaaja Veli Lesell Tekijä/tekijät Petri Hänninen Sivumäärä 64 + 3 Opinnäytetyössäni perehdyttiin Ylivieskatalo Akustiikan studion akustiikkaan ja tutkittiin siellä esiintyviä akustisia ongelmia ja kehitettiin niihin ratkaisut. Akustinen arviointi tehtiin vain tarkkaamon osalta. Arviointi keskittyi pelkästään kaiutinkuunteluun, joten esimerkiksi kuulokkeiden kautta tapahtuva kuuntelu suljettiin opinnäytetyön ulkopuolelle. Myös tulosten avulla saatujen ratkaisujen toteuttaminen jätettiin opinnäytetyön ulkopuolelle. Kokonaisvaltainen akustinen arviointi perustui akustisiin mittauksiin ja niistä saatuihin tuloksiin. Myös studion käyttäjien mielipiteitä kuunneltiin arviointia tehtäessä. Mittauslaitteistona käytettiin ammattimaisiin akustisiin mittauksiin tarkoitettua tietokonepohjaista järjestelmää, joka antoi mahdollisuuden tehdä monipuoliset mittaukset. Studion käyttäjien kanssa käydyissä keskusteluissa saatiin selville, mitkä asiat häiritsivät työskentelyä studiolla. Käyttäjien näkemykset esimerkiksi studion melunlähteistä olivat yhtenäiset, joten jo ennen mittauksia tiedettiin selvistä melunlähteistä. Käyttäjät kertoivat myös omat ehdotuksensa akustiikan parantamiselle. Itse mittaukset ja niiden analysointi antoivat pohjaa subjektiivisille näkemyksille, mutta toivat myös esille muita huomioon otettavia seikkoja studion akustiikasta. Studiolla ilmeni lieviä ongelmia huoneen taajuusvasteen sekä jälkikaiunta ajan suhteen. Näihin ongelmiin on olemassa omat ratkaisunsa. Myös melunlähteet selvitettiin helposti. Arvioinnin yhteydessä jotkin asiat jäivät arvailun varaan, sillä tarkkaa tietoa ei ollut mahdollista saada. Studion kumiseva lattia oli yksi tällainen ongelma. Asiasanat Akustiikka, huoneakustiikka, akustiset mittaukset, taajuusvaste, melu, jälkikaiunta aika

ABSTRACT CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Ylivieska Date 3.11.2008 Degree programme Media Technology Name of thesis The Acoustic Evaluation of The Ylivieskatalo Akustiikka Studio Instructor Mikko Himanka Supervisor Veli Lesell Author Petri Hänninen Pages 64 + 3 The aim of this thesis was to concentrate on the acoustics of the studio in Ylivieskatalo Akustiikka, find out the existing acoustical problems, and solve them. The acoustic evaluation was done in the control room only. The evaluation was based on speaker listening exclusively, so the headphones listening was out of this thesis. Also the execution of the solutions were excluded from the thesis. The whole evaluation was based on acoustical measurements and their results. Also the opinions of the studio users were taken in consideration. The hardware and software used in measurements were professional and exclusively meant for acoustical measurements. The system could give versatile results. The conversations and interviews with the studio users brought out the existing and distracting problems. Their opinions were alike, so main problems were all known before the measurements. The users also gave me their opinions, what should be done in the studio. The measurements and the analysis set up the subjective insights, but also highlighted other facts about the problems that should be solved. There were some minor defects with the frequency balance and the reverberation time. These problems have their own solutions available. The noise sources were found out easily. Some things were only conjectural because all the needed information was not available at the time. Key words Acoustics, room acoustics, acoustical measurements, frequency response, noise, reverberation time

TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYS 1 JOHDANTO...1 2 ÄÄNEN FYSIKAALISET OMINAISUUDET...3 2.2 Ihmisen kuulo...6 2.3 Melu...8 3 AKUSTIIKAN PERUSTEET...10 3.1 Mikrofonit...10 3.2 Kaiuttimet...12 4 HUONEAKUSTIIKKA...14 4.1 Seisovat aallot ja huonemoodit...14 4.2 Äänen heijastuminen...17 4.3 Äänen absorptio...18 4.4 Jälkikaiunta-aika...20 4.5 Diffuusi äänikenttä ja diffuusorit...22 4.6 Kampasuodinilmiö...23 5 AKUSTOINTITAPOJA...25 5.1 Bass trapit...25 5.2 Akustointilevyt ja paneelit...27 5.3 Verhot...27 5.4 Seinät...28 5.5 Lattiat...28 5.6 Kattorakenteet...29 5.7 Ovet ja ikkunat...29 6 IDEAALISET STUDIO-OLOSUHTEET...31 6.1 Studion muoto...32 6.2 Kaiutinten sijoittelu...33 7 AKUSTISET MITTAUKSET...36 7.1 Kaistanpäästösuodattimet...36 7.2 Mittaustapoja...37 7.3 Mittausohjeita...39 7.4 Akustiset mittausvälineet...39 7.5 Tosiaikainen analysointiohjelmisto...41 8 MITTAUSTULOKSET...42 8.1 Ylivieskatalo Akustiikan studion rakenne...42 8.2 Mittauslaitteisto...43 8.2.1 Tietokonelaitteisto...43 8.2.2 Kaiuttimet...44 8.3 Taustamelu...46 8.4 Jälkikaiunta-aika...47 8.5 Taajuusvaste...50 8.5.1 Lasketut huonemoodit...51 8.5.2 Mitattu taajuusvaste...52 9 POHDINTAA TULOKSISTA...55 10 RATKAISUT...58 11 YHTEENVETO...62 LÄHTEET...63 LIITTEET

1 1 JOHDANTO Tämä opinnäytetyö on tehty työnantona CENTRIAlle. Se käsittelee Ylivieskatalo Akustiikan studion akustista arviointia ja rajoittuu pelkästään studion tarkkaamon tutkimiseen sekä kaiutinkuunteluun. Tämä siis rajaa tutkimuksen ulkopuolelle esimerkiksi kuulokkeiden kautta tapahtuvan kuuntelun ja soittotilan akustiikan tutkimuksen. Opinnäytetyö rajaa ulkopuolelle myös akustisten parannusehdotusten toteuttamisen konkreettisella tasolla. Studion käyttäjät ovat sanoneet studion akustiikassa olevan puutteita, jotka parhaiten selviävät mittaamalla studion akustisia ominaisuuksia ja analysoimalla mittauksista saatuja tuloksia. Näin saadaan korvakuulolta perustuviin mielipiteisiin vahvistukseksi mitattua tietoa, jota voidaan mahdollisesti hyödyntää jälkeenpäin studion akustiikan parantelussa. Opinnäytetyö käsittelee akustiikkaan liittyviä aiheita perusteista alkaen ja päättyy tuloksiin studion akustiikasta sekä studion akustiseen arviointiin. Studion akustisista ominaisuuksista on tehty kaikki tarpeelliset mittaukset, ja näihin mittauksiin sisältyy muun muassa tarkkaamon kuuntelun kautta mitattu huonevaste studion eri kaiutinpareilla, melumittauksia eri lähteistä sekä jälkikaiunta-ajan mittaukset. Työn ongelmana on ensin selvittää mitä mittaukset vaativat teoriataustaltaan ja mittausvälineiltään, ja millainen ideaalinen studion akustiikka on, ja miten siihen päästään. Opinnäytetyön tavoitteena on saada teoriatasolla tietoa akustisiin mittauksiin ja äänen käyttäytymiseen liittyvistä seikoista, sekä akustointiin liittyvistä materiaaleista ja akustointitavoista. Opinnäytetyö esittelee myös mittaustuloksiin perustuvaa tulosten pohdintaa ja ratkaisuehdotuksia akustisiin ongelmiin. Akustiikkaan liittyvää lähdemateriaalia on saatavilla suurimmaksi osaksi englannin kielellä, mutta myös suomen kielellä löytyy kirjallisuutta jonkin verran. Aiheesta löytyy paljon luotettavaa tietoutta myös internetin kautta kirjoittavilta asiantuntijoilta. Teknillisellä korkeakoululla on oma akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorionsa, jolta on saatavissa paljon hyvää informaatiota akustiikan tutkimiseen liittyen. Itse mittausten tekemiseen ei ole olemassa selkeää kirjallisuutta, mutta joihinkin mittauksiin on olemassa eri standardeja, joita voi noudattaa.

2 Akustiikan tutkimisessa käytetään hyväksi laajaa tutkimuskenttää, josta löytyy tutkimusmetodeja psykoakustiikasta huoneakustiikkaan. Myös äänen fysikaalisia ilmiöitä tutkiva fysikaalinen akustiikka on tärkeä osa tätä opinnäytetyötä huoneakustiikan rinnalla. Akustiikan perinteiset tutkimusmenetelmät taas ovat laaja-alaisia ja niiden soveltaminen käytäntöön riippuu mittausten omista tarpeista. Tämä opinnäytetyö perehtyy Ylivieskatalo Akustiikan studion akustisiin ominaisuuksiin ja niistä löytyviin ongelmiin sillä laajuudella, mitä mittausvälineistöllä pystyi tekemään ja mitkä tutkimuskohteet tuntuivat olennaisimmilta ja tärkeimmiltä. Hyvässä studiossa huoneen taajuusvaste on tasainen eli mitkään taajuudet eivät erotu muista taajuuksista joko korostumalla tai vaimentumalla. Akustisia ongelmia tavallisesti korjataan seinien ja muiden pintojen materiaali- ja rakennevalinnoilla, kaiutinkuuntelun korjaamisella oikeaoppiseksi tai viimeisenä vaihtoehtona graafisilla taajuuskorjaimilla. Vaihtoehtoja on siis useita. Jokaisessa tilassa on tavallisesti taustamelua tai kohinaa, josta aiheutuu häiriötä työskentelyyn. Häiriölähteiden eliminointi on yhtä tärkeä osa tilan hyvää akustista sointia, kuin tasainen taajuusvastekin. Omina tavoitteina tällä opinnäytetyöllä on minulla perehtyä sisätilojen akustiikkaan ja siihen liittyviin käsitteisiin, akustisiin mittauksiin ja akustointiin. Kaikki nämä osa-alueet ovat minulle entuudestaan tuntemattomia eli minkäänlaista aikaisempaa kokemusta minulla ei niistä ole. Opinnäytetyö toimii siis hyvänä pohjana kartuttaa omaa tietoutta aiheesta, koska tulevaisuudessa siitä saattaa olla jotain konkreettista hyötyäkin.

3 2 ÄÄNEN FYSIKAALISET OMINAISUUDET Ääni on pitkittäin etenevää aaltoliikettä, joka tarvitsee edetäkseen jonkin väliaineen. Väliaineena voi toimia kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen aine, joka on kimmoisaa. Ääni ilmenee tiheyden ja paineen muutoksina. Ääniaallon aiheuttajana toimii värähtelevä kappale, kuten soittimen kieli, joka saa ilmassa olevat molekyylit värähtelemään. Nämä molekyylit saavat vieressä olevat molekyylit taas värähtelemään ja näin ääniaalto etenee. Aalto etenee kaikkiin suuntiin. Kun ääniaalto saapuu ihmisen korvaan, ihminen aistii sen äänenä. Värähtelyllä on tietty amplitudi, mikä määrää kuultavan äänen voimakkuuden. (Mäkelä, Mäkelä & Siltanen 1995, 161.) Sinimuotoisella ääniaallolla on jokin tietty värähtelytaajuus f, jonka ihminen kokee sävelkorkeutena. Ääniaallolla on myös värähdysaika eli jaksonaika T, joka ilmoittaa täydelliseen värähdykseen eli jaksoon kuluvan ajan. Jaksonaika on taajuuden käänteisarvo ja päinvastoin. taajuus f 1 T = [ f ] = Hz = 1 s jaksonaika T 1 f = [ T ] = s Äänen nopeus ilmassa ei riipu taajuudesta. Äänen nopeus väliaineessa määräytyy aineen kimmoisista ominaisuuksista. Tiheissä ja kimmoisissa aineissa ääni etenee nopeinten. Äänen nopeus ilmassa on suoraan verrannollinen lämpötilan neliöjuureen: lämpötila c = c 1 0 T T 1 2 Lämpötila T ilmoitetaan Kelvineinä ja lämpötila T 2 tarkoittaa lämpötilaa, jossa äänen nopeus c 0 tunnetaan tarkalleen. Esimerkiksi äänen nopeus ilmassa (+ 20 C) on noin 343 m/s. (Lehto & Luoma 1994, 172.)

4 Värähtelevän ääniaallon kahden peräkkäisen jakson samanvaiheisten kohtien (esim. huippujen) välimatkaa kutsutaan aallonpituudeksi. Aallonpituus λ saadaan kaavasta c λ =, f missä c on äänen etenemisnopeus ja f värähtelyn taajuus. Esimerkiksi + 20 C lämpötilassa 100 Hz äänen aallonpituus on 3,43 m ja 5000 Hz äänen aallonpituus 0,069 m. Matalilla taajuuksilla aallonpituus on siis pitkä, ja korkeilla taajuuksilla lyhyt. Tällä tiedolla on merkitystä esimerkiksi ääniaaltojen vaimentamisen yhteydessä. Matalat taajuudet vaativat paksumpaa vaimennusmateriaalia kuin korkeat. Aaltoliikkeestä puhuttaessa on tärkeää ottaa huomioon myös aaltoliikkeiden vaihe-ero. Tällä tarkoitetaan kahden saman taajuisen ääniaallon välistä ajallista eroa. Aalloilla on sama aallonpituus, mutta ne kulkevat eri vaiheessa keskenään. Ääniaaltojen amplitudit voivat poiketa toisistaan. Nämä aallot voivat summautua keskenään ja vaikuttaa esimerkiksi seisovan aaltoliikkeen tai kampasuodinilmiön syntymiseen. 2.1 Äänen intensiteetti ja äänenpainetaso Akustiikassa äänen intensiteetti kuvaa äänitehon virtausta. Äänen intensiteetti on hyödyllinen suure kun mitataan äänienergian siirtymiä äänikentässä. (Karjalainen 2000.) Äänen intensiteetillä tarkoitetaan pinta-alaan kohdistuvaa tehoa, joka määritellään seuraavasti: P I = [I] = W/m 2 A Heikoin ihmisen kuulema ääni on intensiteetiltään 1000 Hz äänelle noin 10-12 W/m 2 ja voimakkain korvan sietämä ääni noin 1 W/m 2. Koska alue on näin laaja, on käyttöön otettu logaritminen asteikko. (Mäkelä, Mäkelä & Siltanen 1995, 164.) Äänelle voidaan määrittää niin sanottu intensiteettitaso seuraavalla yhtälöllä:

5 L I = 10lg I I 0 L I on intensiteettiä I vastaava intensiteettitaso ja I 0 = 10-12 W/m 2 on vertailussa käytettävä taso. Ihmisen kuulokynnys ja kuulon kipuraja määräytyvät tämän lausekkeen mukaan. Lausekkeen mukaan L 1 on paljas luku, mutta sille on otettu käyttöön yksiköksi desibeli (db). Kun otetaan huomioon ihmisen korvan ominaisuudet, kuulon kynnysrajaksi saadaan 0 db (I = 10-12 W/m 2 ) ja kipukynnykseksi 120 db (I = 1 W/m 2 ). (Mäkelä, Mäkelä & Siltanen 1995, 164.) Akustiikassa desibelille on annettu aivan oma käyttönsä, ja sitä käytetään äänen voimakkuutta absoluuttisesti kuvaavana yksikkönä. Kun valitaan referenssipainetaso p 0 = 20 µpa, saadaan äänenpainetaso (SPL, Sound Pressure Level) eli logaritmisesti ilmoitettava äänen voimakkuus: p L p = 20lg [L p ] = db p 0 L p on äänenpainetta p vastaava äänenpainetaso. (Karjalainen 2000.) Intensiteetti on verrannollinen äänenpaineen neliöön, joten äänenpaineen yhtälö voidaan kirjoittaa myös seuraavaan muotoon. Lausekkeesta nähdään, että äänenpainetaso ja intensiteettitaso ovat yhtä suuret. p p I L = 20 lg = 10log = 10log = p L I p0 p0 I 0 (Mäkelä, Mäkelä & Siltanen 1995, 165.) 2 Desibeliasteikko on logaritminen ja siitä seuraa, että intensiteetin kaksinkertaistuessa äänen voimakkuus kasvaa noin 3 db. Vastaavasti kymmenenkertainen intensiteetti vastaa 10 db:n voimistumista ja satakertainen 20 db:n voimistumista. (Erätuuli, Korhonen, Meisalo & Suokko 1987, 235.)

6 TAULUKKO 1. Eräiden äänien äänenpainetasoja Äänilähde L / db Lehtien kahina Kuiskaus (1m) Keskustelu (1m) Vilkas katu Rock-konsertti Suihkukone (1m) 10 30 50 80 120 140 2.2 Ihmisen kuulo Ihmisen kuulemien äänten taajuusalue ulottuu välille 20-20 000 Hz. Myös tätä taajuusaluetta pienemmät ja suuremmat äänet pystytään havaitsemaan, mutta ne eivät muodosta selkeää kuulohavaintoa. Alle 20 Hz ääniä sanotaan infraääniksi ja 20 000 Hz yli meneviä ääniä ultraääniksi. Ihminen erottaa äänen ominaisuuksista sen korkeuden, voimakkuuden ja värin. Ihmisen kuuloaistin herkkyys eri taajuuksilla vaihtelee ja siksi emme kuule kaikkia taajuuksia samalla voimakkuudella. Tätä varten on laadittu foniasteikko, joka ilmaisee ihmisen kuuloa eri voimakkuuksilla. Ihmisen kuulon toimivuutta pystyy tarkastelemaan vakioäänekkyyskäyrästöjen avulla, jossa äänekkyystason L N yksikkönä käytetään fonia. Ihmisen korva aistii 20 Hz äänen, jonka intensiteettitaso on 78 db, yhtä voimakkaana kuin 4 000 Hz äänen, jonka intensiteettitaso on 13 db (20 fonia). Alin käyrä kuvaa ihmisen kuulokynnystä. Käyristä nähdään, että ihmisen korva vaimentaa matalimpia ääniä. (Mäkelä, Mäkelä & Siltanen 1995, 167.)

7 KUVIO 1. Vakioäänekkyyskäyrästöt kuvastavat korvan herkkyyttä eri taajuuksille Mitattaessa äänen tehollista painetta niin sanotulla äänitasomittarilla, mittari kalibroidaan näyttämään äänenpainetaso. Mittareissa on mukana usein painotussuodattimia, joiden tarkoituksena on painottaa ääntä samalla tavalla, kuin ihmisen korva kuulee sen. Tämän vuoksi myös painotussuodattimet vaimentavat matalimpia taajuuksia. Painotussuodatin A jäljittelee korvan 40 fonin äänikäyrän peilikuvaa. Suodatin B jäljittelee 70 fonin äänekkyystasoa ja suodatin C painottaa ääniä tärkeimmällä akustisella taajuusalueella lähes lineaarisesti. Esimerkkinä äänelle jonka taajuus on 20 Hz ja äänenpainetaso 70 db, saadaan painotussuodattimilla arvoiksi 20 db (A), 46 db (B) ja 64 db (C). Painotussuodattimista yleisimmin on käytössä suodatin A. Vaikka ihmiskorva kykenee aistimaan noin 20 20 000 Hz välille sijoittuvia ääniä, on ihmiskorva herkimmillään 500 4000 Hz:n välillä. A- painotussuodattimessa on otettu juuri tämä huomioon korostamalla keskitaajuisia ääniä. (Mäkelä, Mäkelä & Siltanen 1995, 167.)

8 KUVIO 2. Painotussuodattimet A, B ja C 2.3 Melu Melu tarkoittaa sellaista ääntä, joka koetaan häiritsevänä tai haitallisena (Mäkelä, Mäkelä & Siltanen 1995, 173). Melu koetaan usein hyvin subjektiivisesti. Arvioijasta riippuen sama ääni voidaan kokea sekä meluna että hyötyäänenä. Voimakas melu aiheuttaa pitkäkestoisena kuulovamman. Meluna voidaan pitää esimerkiksi ilmastoinnista tai ympäristöstä kuuluvaa ääntä, joka koetaan häiriöksi. Melulla onkin suuri vaikutus viihtyvyyteen ja työtehokkuuteen. Voimakas melu aiheuttaa myös keskittymisvaikeuksia. Puhetta pidetään ymmärrettävänä, jos puheääni on 10 db taustamelua korkeammalla. Keskittymistä vaativa työ ei salli yli 50 db:n taustamelua. (Mäkelä, Mäkelä & Siltanen 1995, 173.) Melun mittaaminen tapahtuu normaalisti äänitasomittarilla ja siinä käytetään painotussuodatinta A. Äänilähteen tuottamaa melua mitattaessa äänen voimakkuus saattaa vaihdella paljon. Koska melun haitallisuus perustuu sekä melun voimakkuuteen, että sen kestoon, on melun aiheuttaman haitan arvioiminen vaikeaa. Ratkaisuna tähän melusta mitataan niin sanottu ekvivalenttitaso L eq, joka on laskennallisesti saatu äänitaso, jossa voimakkuudeltaan vaihteleva ääni on saatu tasaiseksi. Ekvivalenttitasosta käytetään myös nimitystä kes-

9 kiäänitaso tai samanarvoinen jatkuva äänitaso. (Mäkelä, Mäkelä & Siltanen 1995, 173-174.) TAULUKKO 2. Kuulolle haitallisiksi tunnetut päivittäiset melunsietoajat Jatkuva äänenpainetaso / db Melussa oloaika 85 8 h 91 2 h 97 30 min 103 8 min 109 2 min 115 alle 1 min

10 3 AKUSTIIKAN PERUSTEET Ääniopilla eli akustiikalla tarkoitetaan hyvin laaja-alaista kenttää, joka käsittelee ääntä eri näkökulmista. Puhekielessä akustiikalla usein tarkoitetaan jonkin tilan akustisia ominaisuuksia eli tilan sointia. Huoneakustiikka, joka tutkii äänen käyttäytymistä suljetussa tilassa, on tärkeä osa koko akustiikan käsitettä, mutta akustiikan käsite kattaa myös muut ääntä tutkivat tieteet. Akustiikkaa tutkivia tieteenaloja ovat esimerkiksi fysikaalinen akustiikka (ääni aaltoliikkeenä), fysiologinen akustiikka (korvan toiminta), psykoakustiikka (kuuloon liittyvät havaintopsykologiset ilmiöt), sähköakustiikka (äänen muuntaminen sähköiseen muotoon ja takaisin) ja rakennusakustiikka (rakennusten äänieristys) (Uosukainen 2006). Akustiikkaa on tutkittu jo pitkään. Tila-akustiikan tutkimuksen ensiaskeleet otettiin jo 2500 vuotta sitten Antiikin Kreikassa, jolloin seiniin upotettuja ruukkuja käytettiin resonaattoreina äänenlaadun parantamiseksi (Lehto & Luoma 1994, 165). Sana akustiikka tuleekin alun perin kreikan-kielisestä sanastaa akoustikos, joka tarkoittaa kuuloa koskevaa. Akustiikka tutkiikin äänen syntyä, ääniaaltojen ominaisuuksia ja etenemistä, sekä äänen havaitsemista fysikaalisesti ja biologisesti (Uosukainen 2006). 3.1 Mikrofonit Sähköakustiikalla tarkoitetaan väliaineessa kulkevan ääniaallon muuttamista sähköiseen muotoon (esimerkiksi mikrofonilla) tai sen muuttamista jälleen kuultavaan muotoon (kaiutin) (Blomberg & Lepoluoto 1993, 37). On erittäin tärkeää akustisten mittausten ja tutkimusten kannalta, että ääni pystytään muuttamaan sähköiseen muotoon (Karjalainen 2000). Ilman sähköakustiikan luomia edellytyksiä, akustisten mittausten tekeminen olisi täysin mahdotonta, koska mittaukset perustuvat kuuluvan äänen mittaamiseen mittausmikrofonin kautta. Mittausmikrofoni onkin tärkeä osa koko mittausta ja sen valinta on tehtävä tarkoin. Mikrofoni on akustissähköinen muunnin, jonka tehtävä on muuttaa paineen tai ilman hiukkasnopeuden vaihtelut jännitteen vaihteluksi. Toisin sanoen tämä tarkoittaa akustisen energian muuttamista sähköiseksi energiaksi. Kaikissa mikrofoneissa on kalvo, joka liikkuu ääniaaltojen tuottaman energian johdosta. Kalvon värähtelyt muunnetaan sitten sähköiseksi

11 signaaliksi. Yleisimmät mikrofonityypit ovat dynaaminen mikrofoni ja kondensaattorimikrofoni. (Äänentoistojärjestelmät 2004, 43.) Dynaaminen mikrofoni koostuu kalvoon kiinnitetystä kelasta, joka liikkuu kestomagneetin aiheuttamassa kentässä. Tällöin liikkeen johdosta kelaan indusoituu jännite, joka on riippuvainen äänen voimakkuudesta. Dynaaminen mikrofoni on käyttökelpoisin korkeassa äänenpaineessa ja vaihtelevissa käyttöolosuhteissa. Normaalisti dynaaminen mikrofoni kestää jopa 130 db:n äänenpainetasoja. Kaiken lisäksi dynaaminen mikrofoni on edullinen.(äänentoistojärjestelmät 2004, 52.) Kondensaattorimikrofonin muuntoelementti koostuu dynaamisesta mikrofonista poiketen elektrodina toimivasta ohuesta metallikalvosta sekä kalvon taakse asennetusta vastaelektrodilevystä. Näistä kahdesta levystä muodostuu kondensaattori, jonka napoihin johdetaan polarisaatiojännite (60 200 V). Kun ääniaalto osuu kalvoon, kahden kalvon välinen etäisyys vaihtelee ja kondensaattorin kapasitanssi muuttuu. Kondensaattorimikrofoni tarvitsee polarisaatiojännitettä varten ulkoisen jännitteen, sekä sen omalle esivahvistimelle oman jännitteen. Tavallisesti kondensaattorimikrofonin jännite saadaan suoraan äänilaitteen mikrofoniliitännästä tai erillisestä virtalähteestä. Yleisin syöttöjännite on 48 V:n phantomjännite. (Äänentoistojärjestelmät 2004, 53-54.) Kondensaattorimikrofoni on dynaamiseen mikrofoniin verrattuna herkempi, joten siinä on parempi signaali-kohinasuhde. Herkkyyden vuoksi kondensaattorimikrofoni ei kestä liian suuria äänenpaineita, mutta sitä voidaan käyttää kauempana äänilähteestä. Mikrofonin suuntaavuus esitetään suuntakuvion avulla. Mikrofonin valinnassa suuntakuviolla on tärkeä merkitys, sillä oikeanlaisen mikrofonin avulla ympäristön ylimääräiset äänet saadaan joko suodatetuksi pois tai mukaan. Tarve määrää millaista suuntakuviota kannattaa kussakin tilanteessa käyttää. Akustisia mittauksia tehtäessä mikrofonin suuntakuvio valitaan myös tarpeen mukaan. Pallokuvioinen mikrofoni poimii myös heijastuvat äänet mukaan, joten se on yleisesti käytössä akustisissa mittauksissa. Pallo-suuntakuvio poimii ääntä tasaisesti joka suunnalta, kardioidi (hertta) vaimentaa takaa ja sivulta tulevaa ääntä, superkardioidi (superhertta) on n. 5 db vähemmän herkkä sivulta tulevalle äänelle kuin kardioidi, mutta herkempi suoraan takaa tuleville äänille. Kahdeksikko ottaa vastaan ääntä tasaisesti edestä ja takaa, mutta on epäherkkä 90 asteen kulmassa

12 tuleville äänille. Mikrofoneilla myös suuntaavuus vaihtelee taajuuden mukaan. (Äänentoistojärjestelmät 2004, 48 49.) Kaikilla mikrofoneilla on taajuusvaste, joka ilmaisee mikrofonin herkkyyden eri taajuuksilla. Taajuusvaste ilmaistaan taajuusalueena, joka voi olla esimerkiksi 40 20 000 Hz. Tällä alueella mikrofonilla on oma ainutlaatuinen signaalinvastaanottokyky. Ihmisen kuuloalue on noin 20 20 000 Hz, jolloin mikrofonin odotetaan kykenevän vastaanottamaan taajuuksia tasaisesti tällä taajuusalueella luonnollisen toiston savuttamiseksi. Studiomikrofoneilta odotetaan tasaista 20 20 000 Hz:n taajuusvastetta, mutta usein taajuusvastetta rajoitetaan taloudellisista ja käytännöllisistä syistä. Matalien taajuuksien rajoittaminen saattaa usein selkeyttää äänenlaatua. (Äänentoistojärjestelmät 2004, 61 62.) 3.2 Kaiuttimet Kaiutin on muunnin, jonka avulla sähköenergiaa voidaan muuttaa akustiseksi energiaksi. Kaiuttimella voi olla suuri vaikutus lopulliseen äänenlaatuun ja huonot kaiuttimet voivat pilata äänentoiston kuuntelukelvottomaksi. Ihanteellinen kaiutin on näkymätön, siinä on erinomainen hyötysuhde, portaattomasti säädettävä säteilykulma, täydellinen suuntaavuus sekä kaikki ominaisuudet kaikilla taajuuksilla. (Äänentoistojärjestelmät 2004, 109.) Hyötysuhteella tarkoitetaan kaiuttimen kykyä muuttaa sähkötehoa äänitehoksi. Hyötysuhde ilmaistaan yleensä prosentteina ja se ilmoitetaan vain kaiuttimen komponenteille. Herkkyys ilmaisee äänenpainetason, jonka kaiutin tuottaa johonkin suuntaan tietyllä etäisyydellä. Säteilykulma ilmaisee avaruuskulman, jossa kaiuttimesta säteilevä ääni on vaimentunut maksimissaan 6 db suoraan ääneen verrattuna. Suuntaavuudella kerrotaan suoraan kaiuttimen edessä tietyn matkan päässä olevaan pisteeseen tuotetun äänitehon suhdetta kaikkiin muihin suuntiin tuotettuun äänitehoon samalla etäisyydellä. (Äänentoistojärjestelmät 2004, 110-111.) Puhuttaessa kaiuttimesta, tarkoitetaan yleensä valmiiksi järjestelmäksi valmistettua kokonaisuutta, joka sisältää kaiutinelementit, kotelon ja mahdollisen jakosuotimen. Sellaisen kaiutinelementin rakentaminen, joka toistaa kaikkia taajuuksia, on käytännössä mahdotonta. Jos halutaan rakentaa parempilaatuinen kaiutinjärjestelmä, on turvauduttava monitiejär-

13 jestelmiin, jossa äänisignaali jaetaan jakosuotimen avulla useampaan taajuuskaistaan, jotka toistetaan omien kaiutinelementtien kautta. Matalille taajuuksille tarkoitetut kaiutinelementit ovat kooltaan suuria ja keskisuurille taajuuksille tarkoitetut pienempiä. (Blomberg & Lepoluoto 1993, 54.) Taajuusvasteella ilmaistaan kaiuttimen kyky toistaa eri taajuuksia. Kaiuttimen taajuusvaste mitataan suoraan kaiuttimen edestä vapaassa kentässä. Suora taajuusvaste tarkoittaa, että kaiutin toistaa kaikkia taajuuksia tasaisesti. Taajuusvaste ilmaistaan sekä graafisesti että numeerisesti ja taajuusvasteesta ilmoitetaan ala- ja ylätaajuuksien lisäksi vaihtelun määrä. Kaiutinten taajuusvasteet alkavat hyvin tavallisesti 40 Hz:stä ylöspäin, joten kaikkein matalimpia taajuuksia ne eivät toista. Tavallisin vaihtoehto kuuntelussa on ollut pitkään stereokuuntelu eli kaksi kaiutinta, joilla saa aikaiseksi stereofonisen äänikuvan. Kotiteattereiden yleistyessä vuosituhannen vaihteessa mukaan tuli myös surround- eli monikanavakuuntelu, jossa kaiutinten määrää nostettiin. Surroundkuuntelussa perinteisten vasemman ja oikean etukaiuttimen lisäksi mukana on myös keskikaiutin edessä, vasen ja oikea takakaiutin sekä ns. subwoofer toistamassa kaikkein matalimmat taajuudet. Tyypillisin surroundkuuntelu on ollut 5.1, jolla on tarkoitettu kaiuttimien määrää.

14 4 HUONEAKUSTIIKKA Huoneakustiikka tutkii äänen käyttäytymistä tilan sisällä. Huoneakustiikkaan kuuluu osana äänen heijastuminen, vaimeneminen ja eteneminen, mutta myös muu käyttäytyminen. Huoneakustiikka pyritään suunnittelemaan niin, että ääni saadaan kuulostamaan luonnolliselta kussakin tilassa. Esimerkiksi konserttisaleissa äänen jälkikaiunnan aika on paljon pidempi kuin äänitysstudiolla tai kotioloissa. Tilan käyttötarkoitus määrää millainen tilan akustiikasta tulisi suunnitella. Huonosti suunniteltu ja toteutettu huoneakustiikka voi pilata esimerkiksi musiikin miksauksen studiolla, koska huoneessa tietyt taajuudet korostuvat ja toiset vaimenevat. Näin lopputuote voi olla taajuusvasteeltaan epätasapainossa, koska se on tuotettu sointia vääristävässä tilassa. Huoneakustiikan suunnittelussa tavoitteena on saada akustisesta tilasta miellyttävän ja luonnollisen kuuloinen, niin että ääni kuuluu selkeästi, erottelevasti ja vääristymättä. Hyvä huoneakustiikka perustuu heijastavien, imevien eli absorboivien ja hajottavien eli diffusoivien pintojen käyttöön sopivassa määrin ja oikeissa paikoissa. Jokainen tietää miltä ääni kuulostaa täysin tyhjässä asunnossa. Kaikuva ääni koetaan häiriölliseksi ja eikä se kuulosta lainkaan luonnolliselta. On kuitenkin eri asia pystyykö ihminen arvioimaan esimerkiksi kirkon tai suuren hallin akustisia ominaisuuksia korvakuulolta. Akustiikan arvioinnissa voidaan käyttää apuna matemaattisia kaavoja mutta myös korvakuulolta tehty arviointi voi olla mahdollista. Kuitenkin mittauslaitteistoilla tehdyt akustiset mittaukset antavat parhaan ja luotettavimman kuvan tilan akustiikasta. 4.1 Seisovat aallot ja huonemoodit Seisovat aallot perustuvat ääniaaltojen summautumiseen keskenään. Tätä sanotaan äänen interferenssiksi. Seisovia aaltoja syntyy, kun kaksi vastakkaisiin suuntiin kulkevaa aaltoliikettä interferoi keskenään. Aaltojen taajuudet ja amplitudit pitää olla samat. Summa-aallon amplitudi muuttuu neljäsosa-aallonpituuden välein maksimiarvosta nollaan tai päinvastoin. Maksimia kutsutaan kupukohdaksi ja nollakohtaa solmukohdaksi. Maksimikohdassa aaltoliikkeen amplitudi on suurimmillaan. Solmukohdassa värähtelyä ei ole lainkaan vaan aalto

15 seisoo siinä paikoillaan. Seisova aaltoliike ei myöskään siirrä lainkaan energiaa alkuperäisen aallon tavoin. (Mäkelä, Mäkelä & Siltanen 1995,145.) KUVIO 3. Seisova aaltoliike graafisessa muodossa Ääniaallon osuessa kovaan pintaan osa siitä heijastuu takaisin ja osa absorboituu osuvaan materiaaliin. Jokaisessa huoneessa kahden samansuuntaisen pinnan välille, joiden etäisyys toisistaan on ääniaallon aallonpituuden puolikas, syntyy voimakkaita seisovia aaltoja. Nämä seisovat aallot kuuluvat äänen vahvistumisena ja vaimenemisena tietyissä kohti huonetta. Tällaista ilmiötä kutsutaan ominaisvärähtelyksi eli moodiksi. Seisovien aaltojen maksimikohta on aina lähellä seinää, joten seinän lähelle sijoitetut kaiuttimet vahvistavat bassotoistoa ja tekevät siitä kumisevan. Moodeja syntyy myös muille taajuuksille, jotka ovat perustaajuuden monikertoja. Moodien taajuudet voidaan laskea seuraavalla kaavalla: c f = n, 2l missä n on kokonaisluku, c on äänennopeus ja l on pintojen välinen etäisyys. Akustiikassa seisovien aaltojen yhteydessä puhutaan huonemoodeista. Huoneessa on kuusi pintaa, joiden välille syntyy seisovia aaltoja etäisyyksien mukaan. Seisovien aaltojen vaatimuksena ovat täysin samansuuntaiset pinnat, joista ääni heijastuu takaisin. Yksinkertaisimmat huonemoodit ovat kahden pinnan välille (esimerkiksi vastakkaiset seinät) syntyviä taajuuksia ja näitä huonemoodeja kutsutaan aksiaalisiksi moodeiksi (axial mode). Huo-

16 neessa, jossa seinien ja katon ja lattian väliset pinnat ovat vastakkain tosiaan, syntyy moodeja myös seinien ja katon tai seinien ja lattian välille. Moodia, joka syntyy neljän eri pinnan välille, kutsutaan tangentiaaliseksi moodiksi (tangential mode). Tangentiaalisten moodien energia on vain puolet aksiaalisten moodien energiasta, mutta niillä on silti merkitystä huoneen akustiikkaan (Everest 2001, 350). Kuuden eri pinnan kautta (neljä seinää, katto ja lattia) syntyvää moodia sanotaan vinoksi moodiksi (oblique mode). Näistä kolmesta eri moodityypistä aksiaaliset moodit vaikuttavat eniten kuultavaan äänenlaatuun. Moodien laskemiseksi on olemassa myös Rayleighin vuonna 1869 esittämä yleinen kaava, jonka avulla voidaan laskea aksiaaliset, tangentiaaliset ja vinot moodit: 2 2 2 c p q r f = + +, 2 2 2 2 L W H jossa f on moodintaajuus, c äänen nopeus, L, W ja H huoneen mitat, sekä p, q ja r kunkin suunnan moodin järjestysnumero (Taina 2006, 5.) Tämä kaava pätee vain samansuuntaisten pintojen väliin syntyviin huonemoodeihin. Jos huoneessa on vinoja seiniä tai vino katto, moodeja ei voida laskea siihen suuntaan tällä kaavalla. Rayleghin kaavalla moodit kuvataan muodossa f(1,0,0), jossa suluissa olevat numerot merkitsevät kolmeen eri suuntaan syntyvien moodien järjestysnumeroita. Kun kaavalla lasketaan esimerkiksi pituussuunnassa vallitsevia huoneresonansseja, kaavasta jää pois leveys- ja korkeussuuntaan syntyvät moodit, joten kaava yksinkertaistuu. Moodit vaikuttavat voimakkaasti huoneakustiikkaan vain silloin, kun niitä ilmenee tarpeeksi harvassa. Tämä tarkoittaa käytännössä matalimpia taajuuksia. Moodien määrä tihenee taajuuden kasvaessa, joka huomataan myös Rayleighin kaavasta. Tiheästi sijaitsevat moodit eivät ole huoneakustiikan kannalta ongelmallisia, joten niiden olemassaolosta ei tarvitse välittää huonemoodeja laskettaessa. On olemassa niin sanottu Schroeder-taajuus, jonka alapuolella mooditiheys on niin pieni, että moodit erottautuvat selkeästi toisistaan ja vaikuttavat myös huoneakustiikkaan. Schroeder-taajuus lasketaan seuraavalla kaavalla: T = 2000, V f s 60

17 missä f s on Schroeder-taajuus, T 60 on huoneen jälkikaiunta-aika ja V on huoneen tilavuus (Taina 2006, 6). 4.2 Äänen heijastuminen Kun ääniaalto kulkee vapaassa tilassa, se säteilee pallomaisesti ympärilleen (Everest 2001, 235). Ääniaalto kulkee ilmassa noin 340 m/s, riippuen ilman lämpötilasta. Ensimmäisenä kuulijalle äänilähteestä tulevaa ääniaaltoa sanotaan suoraksi ääneksi. Kuitenkin tilassa jossa on pintoja, kuultava ääni koostuu suoran äänen lisäksi myös heijastuvista äänistä ja kaikkien ääniaaltojen yhdistymisestä. Suora ääni on tärkeää äänen selkeyden ja läpinäkyvyyden vuoksi, mutta ilman äänen heijastumista ja siitä seuraavaa kaikua, kuultava ääni saattaa kuulostaa liian kuivalta ja luonnottomalta. Heijastusten saapuessa 35ms sisällä suorasta äänestä, koetaan ne samana äänenä (Teknillinen korkeakoulu 2007). Kovien vastakkaisten pintojen välille voi syntyä ikävää tärykaikua, joka havaitaan perättäisinä kaikuina, kun ääni kimpoilee pintojen välillä. Kun aalto osuu esteeseen tai pintaan, se heijastuu, jatkaa toisessa väliaineessa tai muuttuu lämmöksi. Ääniaallon heijastumiskulma riippuu äänen tulosuunnasta. Heijastuva ääni kuullaan aina myöhemmin kuin suora ääni johtuen sen pidemmästä kulkumatkasta. Ääniaallon heijastuminen pinnasta on valon tapaan hyvin monimutkainen prosessi. Suljetussa tilassa kulkevat ääniaallot interferoituvat keskenään ja voivat sekoittaa yleistä äänenlaatua esimerkiksi seisovien aaltojen kautta. Varhaiset heijastukset tai ensiheijastukset ovat heijastuksia, jotka saapuvat kuulijan korvaan ensimmäisinä suoran äänen jälkeen. Ne syntyvät tilassa olevien lähipintojen vaikutuksesta ja niiden aikaero suoraan ääneen on tavallisesti alle 15ms (EBU Tech. 3276 1998). Ensiheijastukset vaikuttavat yleiseen kokonaisääneen riippuen heijastusten viiveistä ja intensiteeteistä. Heijastuksen tulosuunnalla on myös merkitystä kuulijan kannalta. Ensiheijastukset voivat kuulua voimakkaampina kuin suora ääni, jos kuulijan ja äänenlähteen välissä on esteitä (Meyer 1978, 112). Ihmisen kuulon integrointiaika on noin 200ms, joten varhaiset heijastukset lisäävät äänekkyyttä (Teknillinen korkeakoulu 2007).

18 Ääntä jonka taajuus on alle 300 400 Hz, sanotaan aaltomaiseksi, kun taas tätä korkeampia ääniaaltoja pidetään sädemäisinä. Sädemäinen ääni voi heijastua monimutkaisella tavalla, kun se kimpoaa huoneessa olevista pinnoista. Jokainen heijastus vähentää säteen energiaa, kunnes koko äänen energia on hävinnyt. (Everest 2001, 236.) 4.3 Äänen absorptio Kun ääniaalto osuu sopivan huokoiseen materiaaliin, aaltoliike vaimenee ja sen energia muuttuu väliaineessa lämmöksi. Tätä ilmiötä sanotaan absorptioksi. Sanotaan että väliaine imee aaltoja eli absorboi. Vaimentavaa materiaalia sanotaan absorbentiksi. (Lehto & Luoma 1994, 131.) Absorption tehokkuuden määrää vaimentavan materiaalin rakenne. Jokaisella materiaalilla on sen oma absorptiokerroin, joka kuvaa materiaalin vaimennustehoa. Absorptiokertoimelle on annettu tunnus α. Kokonaisvaimennus A lasketaan seuraavalla kaavalla: A = α S, missä S on vaimentava pinta, jolla on absorptiokerroin α. Absorptiokertoimen tärkein ominaisuus on sen riippuvaisuus taajuudesta. Eri taajuudet käyttäytyvät eri lailla saman absorboivan materiaalin sisällä. Esimerkiksi ohuet materiaalit vaimentavat paremmin korkeita taajuuksia johtuen taajuuden lyhyestä aallonpituudesta. Sama materiaali heijastaa matalan taajuuden takaisin. (Meyer 1978, 106.) Absorptiokerroin ilmaisee, kuinka monta prosenttia materiaali vaimentaa ääntä. Esimerkiksi luku 0.25 tarkoittaa, että materiaali vaimentaa 25 prosenttia ääniaallon energiasta. Avointa ikkunaa pidetään täydellisenä ääniaallon imijänä, koska sen läpi kulkeva energia ei palaudu takaisin huoneeseen. Tällöin sen absorptiokerroin on 1.0. Absorptiokerroin vaihtelee taajuuden mukaan sekä riippuu kulmasta jolla se saapuu materiaaliin. Koska ääniaallot tyypillisesti kulkevat huoneessa kaikkiin mahdollisiin suuntiin, pitää absorptiokertoimesta ilmoittaa keskiarvo. (Everest 2001, 181.)

19 TAULUKKO 3. Joidenkin materiaalien absorptiokertoimia Absorption tarkoituksena on vaikuttaa huoneessa kuultavaan ääneen niin, että se kuulostaa luonnolliselta sen käyttötarkoituksiin. Vaimennuksella voidaan vaikuttaa huoneessa vallitsevaan äänitasoon ja jälkikaiunta-aikaan. Runsaalla vaimennusmateriaalien käytöllä voidaan lyhentää huoneen jälkikaiunta-aikaa runsaasti mutta samalla on vaara, että äänestä tulee liian kuivan kuuloinen. Vaimentavien materiaalien käytöllä myös äänenpainetasoja pystytään laskemaan tarvittaessa. Absorptio perustuu absorboivassa materiaalissa tapahtuvaan energiahäviöön. Siksi absorboivan materiaalin sijoittelu kannattaa tehdä siten, että seisovan aaltoliikkeen maksimihiukkasnopeus on sen sisällä. Akustiikan peruslakien mukaan kovasta pinnasta heijastuvan aaltoliikkeen nopeus on pinnassa minimissään ja paine maksimissaan. Vastaavasti paine on minimissä seisovan aallon kuvun eli neljännesaallon kohdalla. Samassa kohtaa hiukkasnopeus on maksimissaan. Tämä tarkoittaa pienillä taajuuksilla suurta etäisyyttä seinästä. Esimerkiksi 80 Hz taajuudella tämä tarkoittaa noin 4,3 m aaltoa, josta neljännesmitta on noin 1,1 m. Käytännössä näin paksujen vaimennusmateriaalien käyttö on mahdotonta. Vastaavasti 400 Hz äänen aallonpituus on noin 0,86 m ja neljännesaalto 21 cm. Näin paksujen vaimennusmateriaalien käyttö on jo hiukan realistisempaa. Vaimennettavan taajuuden lisäksi myös taajuuden monikertojen neljännesaallot ovat seinässä kiinni, joten myös ne vaimentuvat hyvin. (Taina 2006, 10 11.)

20 Jos vaimennusmateriaaleja käytetään useita eri tyyppejä, on kannattavaa sijoittaa kutakin niistä etu- ja takaseinälle, sivuseinille ja myös kattoon. Tällä tavoin ne vaikuttavat kaikkiin aksiaalisiin huonemoodeihin. On todistettu, että suorakaiteen muotoisessa huoneessa vaimennusmateriaalien sijoittelu nurkkien lähelle ja huonepintojen reunoihin on tehokkainta. Puhestudioissa vaimennusmateriaaleja kannattaa sijoittaa myös puhujan pään korkeudelle tehokkuuden maksimoimiseksi korkeammilla taajuuksilla. Samalla vaimentamattomia pintoja ei koskaan saisi olla vastakkain. (Everest 2001, 225.) Huokoinen materiaali absorboi tehokkaimmin ääniä, joiden aallonpituuden neljännes osuu materiaalin sisään. Korkeimmat taajuudet ovat helpoiten ja käytännöllisimmin hallittavissa, koska vaimentavan materiaalin paksuus ei tarvitse olla kovin paksu. Kovat materiaalit, kuten betoni, tiili ja paksu puu, eivät absorboi ääniaaltoja kovin hyvin vaan lähinnä heijastavat niitä. Kuitenkin muotoilemalla kovia pintoja epätasaiseksi, ääniaaltoja voidaan hajottaa eri suuntiin. (Teknillinen korkeakoulu 2006.) 4.4 Jälkikaiunta-aika Jälkikaiunta-aika on tärkeässä roolissa kun puhutaan huoneakustiikasta. Äänilähteen kuuluminen huoneessa riippuu huoneen koosta ja muodosta, mutta myös huoneen sisustuksesta ja huoneessa käytetyistä materiaaleista. Jälkikaiunta-ajalla ilmaistaan kuinka paljon kuluu aikaa, kun äänilähteen äänenvoimakkuus on pudonnut 60 db sen sammuttamisajankohdasta laskettuna. Jälkikaiunta-aika muuttuu taajuuden mukaan, joten jälkikaiunta-ajan ilmaisemisessa käytetään useasta taajuudesta laskettua keskiarvoa. Jälkikaiunta-ajasta käytetään usein termiä T 60, RT 60 tai RT. Teoreettisesti jälkikaiuntaaikaa pystytään estimoimaan W.C. Sabinen kehittämän kaavan avulla. Sabine oli Harvardin yliopiston fysiikan professori, joka suoritti erilaisia luentosalin akustiikkaan liittyviä mittauksia (Möller 1998, 44). Sabinen kaava on seuraava: RT 60 0,16V = A 0,16V = αs 0,16V = α + i S i missä V on huoneen tilavuus, A on absorptioala eli huoneen kokonaisvaimennus, S on pinta-ala ja α on absorptiokerroin.

21 Jälkikaiuntaa voidaan laskea erilaisten äänilähteiden avulla. Impulssimenetelmällä jälkikaiunnan laskemiseksi laukaistaan jokin lyhyt impulssi, jolla on oma energiansa. Impulssina voidaan käyttää esimerkiksi aseen laukausta, ilmapallon puhkaisua tai muuta toimivaa menetelmää. Impulssin vaimenemista lasketaan mittausvälineistön avulla, joka tänä päivänä on usein tietokonepohjaisesti toteutettu. Toinen vaihtoehto on MLS-menetelmä (maximum length sequence) eli maksimipituusjono, joka on niin sanotulla pseudorandom binäärijonolla toteutettu jaksollinen signaali. Kolmas vaihtoehto on keskeytetyllä kohinalla mitattava tulos. Signaalina voidaan käyttää esimerkiksi vaaleanpunaista tai valkoista kohinaa. Kohinan etuna on suurempi signaalin alkuenergia ja tehon kohdistaminen tarkasteltavalle kaistalle oktaavi-tai terssisuodattimilla (Lahti 1995, 48). Käytännön jälkikaiunta-ajan mittaus tehdään kalustetussa huoneessa oktaavi- tai terssikaistoittain (1/3-oktaavi) vähintään taajuusvälillä 250 4000 Hz ja mittauksista lasketaan keskiarvo (Taina 2006, 30). Standardinmukainen mittaus paikkakeskiarvoistetaan 6-8 mittauspisteen kesken tilasta riippuen (ISO 3382:1987). Mittauksissa mittausmikrofonin etäisyys tulee olla tarpeeksi suuri äänilähteestä, jotta se ei olisi suoraan sen vaikutuskentässä. Näin mukaan saadaan myös huoneessa tapahtuvat heijastukset. Minimietäisyys mittaamiselle on V d min = 2, ct 60 missä V on huoneen tilavuus, c on äänen nopeus ja T 60 on jälkikaiunta-aika (Taina 2006, 30). Jälkikaiunta-ajan mittauksessa äänen vaimeneminen saattaa olla epätasaista ensimmäisten millisekuntien aikana, kun ensimmäiset heijastukset saapuvat mittauspaikalle. Äänenpainetaso ei myöskään välttämättä laske täyttä 60 db, jos taustamelu on riittävän voimakasta. Tässä tapauksessa jälkikaiunta-ajan määrittämisessä voidaan käyttää esimerkiksi 30 db:n vaimenemista, mikä kerrotaan kahdella lopullisen jälkikaiunta-ajan määrittämiseksi. Jälkikaiunta-aika voidaan esittää joko taajuuskaistoittain tai keskiarvona 500 Hz:n ja 1000 Hz:n oktaavikaistoista, tai vaihtoehtoisesti 400-1250 Hz:n terssikaistojen arvoista. (Lahti 1995, 46-49.)

22 4.5 Diffuusi äänikenttä ja diffuusorit Huoneakustiikan mittauksissa lähes aina peruslähtökohtana on äänikenttä, joka esiintyy rajatussa tilassa. Tilaan syntyvä äänikenttä on aina jokseenkin kaikuisa ja diffuusi. Diffuusilla äänikentällä tarkoitetaan, että se on hyvin monimutkainen ja ääniaaltoja kulkee jokaiseen suuntaan huoneen sisällä. Usein sitä pystytään ilmaisemaan vain informaatiota tiivistäen ja tilastollisesti. Ideaalista äänikenttää, joka koostuu äärettömästä määrästä tasaisesti joka suuntaan kulkevista tasoaalloista, ei tarkalleen ole olemassa. Energia ei virtaa mihinkään suuntaan diffuusissa kentässä joten intensiteetti on nollassa. (Lahti 1995, 46.) Diffuusioon eli äänen hajaantumiseen liittyvät ongelmat on yleensä voimakkaimpia pienissä huoneissa ja matalimmilla taajuuksilla. Huoneen symmetrinen suunnittelu vaikuttaa omalta osaltaan ääniaaltojen käyttäytymiseen huoneen sisällä. Suorakulmion muotoiset huoneet ovat suosittuja taloudellisista syistä, mutta myös niiden akustisten ominaisuuksien vuoksi. Suorakulmaisessa huoneessa aksiaaliset, tangentiaaliset ja vinot huonemoodit ovat helposti laskettavissa. Suorakulmainen huone ei kuitenkaan ole optimaalisin huonerakenne, koska niihin syntyy aina voimakkaita seisovia aaltoja vastakkaisten seinien, katon ja lattian välille. (Everest 2001, 267). Diffuusorit ovat satunnaisen epätasaisia pintoja, jotka hajottavat siihen saapuvat ääniaallot eri suuntiin. Diffuusorissa tapahtuu siis heijastumista ja ääniaaltojen taipumista. Tämä vähentää seisovien aaltojen syntymistä hyvin voimakkaasti. Myös tärykaikua ei pääse syntymään. Diffuusoreiden valmistamisessa on se hyvä puoli, että niitä voi itsekin valmistaa helposti ja edullisesti. Kaikki huoneessa olevat epätasaiset pinnat, kuten huonekalut, toimivat myös diffusoivina elementteinä. Diffusoreiden käyttö on hyvä vaihtoehto absorboivien materiaalien käytölle, sillä absorption seurauksena huonevastetta voidaan kyllä muuttaa, mutta muutos ei välttämättä ole aina parempaan suuntaan, koska absorbointi voi saada tilan kuulostamaan tukkoiselta (Hakola 2008). Diffuusoreiden avulla saadaan helposti aikaiseksi diffuusi äänikenttä. Diffuusoreissa on toiminta-alueensa kuten absorbenteillakin. Matalilla taajuuksilla syvät kolot toimivat vaimennuksessa parhaiten, korkeilla taajuuksilla rakojen lyhyt välimatka. Vaikka mikä tahansa epätasainen pinta voi toimia diffuusorina, sen suunnittelu johtaa kuitenkin parhaaseen lopputulokseen. Yleisimpiä diffuusorielementtejä ovat PRD (Primitive Root Diffusor) ja hieman parempi QRD (Quadratic Residue Diffusor). (Muusikoiden.net 2006.)

23 4.6 Kampasuodinilmiö Kampasuodinilmiö-termiä on käytetty usein puhuttaessa viivästyneen äänisignaalin vaikutuksista. Kuten aikaisemmin todettiin, huoneessa suoran äänen lisäksi kuuluu myös heijastuneet äänet, jotka kulkevat pidemmän matkan kuin suora ääni ja saapuvat kuulijalle eri vaiheessa kuin suora ääni. Varhaiset heijastukset, joiden matkaero suoraan ääneen on aallonpituuden tai sen monikerran suuruinen, heijastus vahvistaa kaiuttimesta tulevaa suoraa ääntä. Kun taas matkaero on aallonpituuden monikerta plus puolikas aallonpituus, heijastus vaimentaa suoraa ääntä. Tästä kaikesta johtuen taajuusvasteesta muodostuu epätasaisen piikikäs. Signaalit ovat eri vaiheessa toisiinsa nähden ja niiden sekoittumista kutsutaan kampasuodinilmiöksi. Kuulon kannalta pahimpia ovat lyhyet, korkeintaan muutaman millisekunnin viiveet, joita ihminen ei vielä erota erillisinä heijastuksina. (Engdahl 2008.) KUVIO 4. Kampasuodinilmiö muuttaa taajuusvasteen piikikkääksi Harva ääni koostuu pelkästä sinimuotoisesta ääniaallosta. Melkein aina ääni on koostunut useista eri sinuksesta, joten vaihe-ero vaikuttaa myös silloin kun äänen perustaajuudella ei ole huomattavaa vaihe-eroa. Kun ääni on koostunut useasta siniaallosta, vaihe-ero vaikuttaa kuhunkin sinukseen erikseen. Kaikki ne siniaallot, jotka ovat interferoituessaan vastavaiheessa, kumoutuvat ja samassa vaiheessa olevien siniaaltojen amplitudi kasvaa. Syntyy voimakkaita vaimentumia ja korostumia. (Möller 1998, 44-45.)

24 Korostuvia taajuuksia voidaan laskea seuraavalla kaavalla: c f = n, l missä n on kokonaisluku (n>0), c on äänennopeus ja l on äänen kulkumatkan ero metreinä. Vaimentumia lasketaan taas seuraavalla kaavalla: c f = ( n + 0,5) l Korostumiin ja vaimentumiin vaikuttaa siis äänen kulkumatkan ero suoran äänen ja heijastuman välillä. Jos suoran äänen ja ensiheijastuksen välinen ero on pieni, vaimentumia syntyy melko korkeille taajuuksille. Esimerkiksi huonosti sijoitetuista lähimonitoreista voi tulla äänipöydän kautta voimakas heijastus, joka vaimentaa bassoa ja alempaa keskialuetta ja korostaa ylempää keskialuetta. Ongelma voidaan ratkaista sillä, että kaiuttimen tai kuuntelijan lähiympäristössä ei ole heijastavia pintoja, joista saattaisi tulla nopeita heijastuksia. (Möller 1998, 44-45.) Toinen vaihtoehto on absorboida lähiympäristön pinnat kevyesti. Kampasuodinilmiötä voidaan estää joko käyttämällä absorboivia materiaaleja huoneessa tai diffusoimalla huonetta siihen soveltuvilla materiaaleilla. Molemmat ovat tehokkaita ja toimivia ratkaisuja tähän. Absorbointi vähentää suoran peiliheijastuksen vaikutusta ja diffusoimalla saadaan aikaiseksi tilavampi äänikuva.(everest 2001, 496-497.)

25 5 AKUSTOINTITAPOJA 5.1 Bass trapit Bass trapien tehtävänä on vaimentaa huoneeseen heijastuvia matalia taajuuksia, jotka ovat häiriöllisiä. Ne toimivat absorboivina elementteinä, jotka resonoivat vastakkaisvaiheessa ääniaaltoja vastaan. Tämä johtaa heijasteiden vähenemiseen. Bass trapeja voidaan käyttää sekä kotiteattereissa että äänitysstudioissa ja ne toimivat muiden absorbenttien tavoin muuttamalla äänienergiaa lämmöksi kitkan avulla. Bass trapeja on kahdenlaisia. Resonoivat absorbentit vaimentavat hyvin kapeaa taajuuskaistaa kun taas huokoiset absorbentit vaikuttavat enemmän koko taajuuskaistaan. Resonoivia ja huokoisia ratkaisuja voidaan myös yhdistää. (Everest 2001, 203-206.) Helmholtz resonaattoreita käytetään paljon matalien taajuuksien vaimentamisessa. Reikäja rakoresonaattorit ovat Helmholtz -resonaattorin eräitä muotoja. Reikäresonaattorissa reiät ovat pienempiä, ja rakoresonaattorissa pitempiä. Niitä käyttämällä voidaan vaimentaa tarkasti jotain tiettyä bassotaajuutta. Helmholtz-resonaattori on laatikkorakenne, jossa on etupuolella rako tai rakoja. Laatikon leveys ja rakojen syvyys ja leveys vaikuttavat vaimenevaan taajuuteen. Helmholtz resonaattori voidaan rakentaa esimerkiksi kattoon, jolloin se ei ole häiriöksi. (mhsoft 2008.) Riukutyyppisen resonoivan Helmholtz taajuuden laskemiseksi käytetään seuraavaa kaavaa: f = 2160 r /(( d 1.2 D) ( r + w)), missä f on resonoiva taajuus, r on raon leveys tuumissa, d on riu un syvyys tuumissa, D on ilmavälin syvyys tuumissa ja w on riu un leveys tuumissa. Neljännesaallon pituinen bass trap on rakenteeltaan laatikko joka on avoin etureunasta. Laatikon syvyys on neljännes huonetta häiritsevän ääniaallon pituudesta ja se on usein rakennettu huoneen takaseinään. Myös katto ja lattia ovat mahdollisia sijoituspaikkoja. Neljännesaallon kokoisen bass trapin toiminta perustuu siihen, että vaimennettavan resonoivan taajuuden äänenpaineen ollessa suurimmillaan trapin takaosassa, on ääniaallon voimak-

26 kuus tällöin pienimmillään. Samaan aikaan bass trapin etuosassa äänenpaine on alimmillaan kun voimakkuuskomponentti on suurimmillaan. Koska voimakkuus on ylimmillään trapin suuaukolla, voidaan sitä vaimentaa sijoittamalla siihen absorboivaa materiaalia. Trapin sisälle voidaan sijoittaa esimerkiksi lasivillaa äänenvaimennuksen lisäämiseksi. (Huber & Runstein 2005, 103-104.) Levyresonaattori on jäykkää materiaalia oleva levy, joka kiinnitetään esimerkiksi seinään rimojen varaan, jolloin levyn ja seinän väliin muodostuu ilmaväli. Ääniaallon kohdatessa levyn levy alkaa resonoida. Osa äänestä menee levyn läpi ja heijastuu takaseinän kautta vastakkaisvaiheisena, jolloin vastakkaisvaiheiset äänet ja levyn värähtelyhäviöt vaimentavat ääntä. Resonanssitaajuus riippuu levyn neliömassasta ja ilmavälin etäisyydestä. Rakenteen ominaistaajuutta voidaan muuttaa muuttamalla levyn massaa tai ilmaväliä. Jos ilmaväli on pelkkää ilmaa, toimii resonaattori hyvin kapealla taajuusalueella. Väliin voidaan laittaa villaa, jolloin resonaattori saadaan toimimaan laajemmalla taajuusalueella. Levyresonaattorin resonanssitaajuus lasketaan seuraavalla kaavalla: f 60 =, ( m d ) missä m tarkoittaa levyn neliömassaa ja d ilmavälin pituutta levyn ja seinän välissä. (Engdahl 2008.) Putki-trap on ympyrän tai puoliympyrän muotoon rakennettu putki, jonka tarkoitus on vaimentaa tilassa olevia matalia taajuuksia. Huoneen nurkkiin tai rajapintoihin laitettava putki vaimentaa suurimman osan ei-toivotuista bassotaajuuksista. Kun putken ulkopuolelle takaisin huoneeseen osoittavalle pinnalle laittaa heijastavaa materiaalia, voidaan yli 400 Hz:n taajuudet heijastaa takaisin huoneeseen. (Huber & Runstein 2005, 104-105.)