Ακουστική Χώρων



page39_04Στις 26 και 27 Νοεμβρίου 1982, έγινε στην Θεσσαλονίκη, με την συμπαράσταση του τμήματος κεντρικής Μακεδονίας του ΤΕΕ, η 3η ετήσια επιστημονική συνάντηση της Ελληνικής Ακουστικής Εταιρείας, με θέμα: ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ – θόρυβος – ηχομόνωση – πρότυπα – ΓΟΚ. Μέσα στους σκοπούς του συμποσίου ήταν:

Α’ ημέρα: η επιμορφωτική ενημέρωση των μηχανικών σε θέματα ακουστικής και θορύβου (διδασκαλία).
Β’ ημέρα: η παρουσίαση της επιστημονικής δουλειάς, που έγινε στη χώρα μας τον τελευταίο καιρό.
Επειδή τα χρονικά πλαίσια και των δύο ημερών ήταν πολύ στενά, οι παρουσιάσεις δεν έπρεπε να ξεπερνούν ορισμένα στενά χρονικά πλαίσια (οι περισσότερες 15’), μέσα στα οποία θα έπρεπε να αναπτυχθούν οι βασικές έννοιες του θέματος.
Το κείμενο, που ακολουθεί, είναι εισήγηση από τον κύκλο εργασιών της πρώτης ημέρας (διδασκαλίας).

page39_01 page39_02 page39_03

Όταν ένας ήχος εκπέμπεται στον αέρα από ένα σημείο, δημιουργείται μια σειρά από σφαιρικά κύματα, που μεταδίδονται προς τα έξω με μορφή ομοκέντρων σφαιρών, όλο και μεγαλυτέρας διαμέτρου και έτσι η ενέργεια σε κάθε σημείο μειώνεται συνεχώς, καθώς και η απόσταση από τη πηγή αυξάνει. Τελικά και εφ’ όσον δεν υπάρχει εμπόδιο ο ήχος γίνεται τόσο αδύνατος ώστε να είναι αμελητέος.
Αντίθετα, όταν η διάδοση του ήχου εμποδίζεται από τα όρια, που ορίζουν κάποιο χώρο, τότε ένα τμήμα του ηχητικού κύματος διέρχεται από αυτά τα όρια, ένα απορροφάται και ένα αντανακλάται. Όταν λενας ακροατής βρίσκεται, επομένως, σε ένα τέτοιο χώρο δέχεται α / τον κατ’ ευθείαν ήχο (direct sound) και β / τον ήχο, που έρχεται μετά από ανάκλαση. Αυτός ο τελευταίος ήχος, πάλι, είναι εκείνος που προέρχεται από τις πρώτες ανακλάσεις (first reflections) και εκείνος, που προέρχεται από τις μετέπειτα.page39_05

Αυτά τα τρία στοιχεία είναι οι πιο βασικοί παράγοντες, που καθορίζουν το ακουστικό περιβάλλον ενός κλειστού χώρου. Εν τούτοις από τι ακριβώς εξαρτάται η «καλή ακουστική» ενός χώρου, ότι και αν σημαίνει αυτός ο όρος δεν είναι απόλυτα εξακριβωμένο. Έχουν προταθεί πολλά κριτήρια, αντικειμενικά ή υποκειμενικά για τον καθορισμό της έννοιας «καλή ακουστική», όμως η εξέταση τους είναι έξω από τα όρια αυτής της εισαγωγής.

Επίδραση του σχήματος του χώρου και της υφής των επιφανειών του στην διάδοση του ήχου

Ο κατ’ ευθείαν ήχος, που φθάνει από την πηγή σε ένα ακροατή δεν επηρεάζεται από το σχήμα, την οροφή και τους τοίχους ενός χώρου. Εν τούτοις η ισχύς του μειώνεται με την απόσταση, είναι προφανές ότι η ένταση του σ’ ένα σημείο εξαρτάται από τις διαστάσεις του χώρου δηλαδή από την απόσταση, που πρέπει να διανύσει για να φθάσει σ’ ένα ακροατή. Αντίθετα, η διαφορά χρόνου αφίξεως μεταξύ του κατ’ ευθείαν και του ανακλωμένου ήχου, η ένταση και η κατεύθυνση των ανακλάσεων εξαρτάται άμεσα από το σχήμα του χώρου και την υφή των επιφανειών του.

page39_07  Χρόνος αντήχησης

Καθώς περνά ο χρόνος, από την στιγμή, που έχει εκπεμφθεί ένας ήχος, σε ένα σημείο του κλειστού χώρου θα καταφθάνουν όλο και περισσότερες ανακλάσεις, που σε συνήθεις περιπτώσεις, όλες είναι σταθερά μικροτέρας ισχύος, γιατί έχουν ταξιδέψει μεγαλύτερες αποστάσεις από επιφάνεια σε επιφάνεια και γιατί από τις πολλές προσπτώσεις στις επιφάνειες αυτές έχουν εν μέρει απορροφηθεί. Δηλαδή κάθε φορά, που το ηχητικό κύμα συναντά μια επιφάνεια, ένα μέρος της ενέργειας απορροφάται ενώ όσο ανακλάται προσπίπτει και πάλι σε κάποια επιφάνεια όπου και πάλι ένα μέρος απορροφάται και ένα ανακλάται κ.ο.κ. Τελικά σιγά σιγά ο ήχος γίνεται μη ακουστός. Το πόσο θα διαρκέσει αυτή η διαδικασία εξαρτάται από δύο παράγοντες, δηλ. από το πόση απορρόφηση υφίσταται το κύμα όταν συναντά τις επιφάνειες και από πράγμα, που σημαίνει ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο χώρος, τόσο λιγότερο συχνά τα ηχητικά κύματα θα συναντήσουν απορροφητική επιφάνεια, άρα και τόσο περισσότερο θα διαρκέσουν. Αυτή σε γενικές γραμμές είναι η διαδικασία της αντηχήσεως και ο χρόνος που περνά για να εξασθενίσει ο ήχος λέγεται χρόνος αντηχήσεως, είναι δε ένας από τους πιο σπουδαίους παράγοντες στην ακουστική χώρου. Ακριβέστερα ο χρόνος αντηχήσεως ορίζεται σαν ο χρόνος, που χρειάζεται για να εξασθενίσει ο ήχος κατά 60db. Ο Sabine κατά τον 19ο αιώνα υπολόγισε ότι ο χρόνος αντήχης βρίσκεται από τον τύπο: RT= 0,16 V/Apage39_08

(βλ. σχήμα 1) όπου RT είναι ο χρόνος αντηχήσεως, 0,16 μια σταθερά, V ο όγκος του χώρου σε Μ3 και Α η ολική απορρόφηση σε μονάδες «Sabine». (Α: ΣS1α1, s2a2…snan) όπου s1…sn το εμβαδόν σε Μ2 και α1…αν οι συντελεστές ηχοαπορροφήσεως.
Για πολύ μεγαλύτερους χώρους, ο τύπος αυτός γράφεται: RT=0,16V/A+XV
Όπου Χ είναι ο συντελεστής ηχοαπορροφήσεως του αέρα. Βέβαια τα τελευταία χρόνια έχει γίνει σφοδρή κριτική για τον τύπο του Sabine, ο οποίος δεν θεωρείται επαρκής για τις σύγχρονες ακουστικές απαιτήσεις, έχουν δε προταθεί νέοι τρόποι υπολογισμού του χρόνου μετηχήσεως. Η κυριώτερη κατηγορία για τον πιο πάνω τύπο είναι ότι δεν λαμβάνει υπ’ όψη την κατανομή των ηχοαπορροφητικών υλικών στις διάφορες επιφάνειες, ενώ είναι ήδη γνωστό ότι η κατανομή αυτή παίζει σημαντικό ρόλο. Και ακόμη ότι θεωρεί ότι ο ανακλώμενος ήχος σ’ ένα δωμάτιο διαδέχεται ομοιόμορφα. Εν τούτοις για τις συνηθισμένες ανάγκες ο τύπος του Sabine είναι ικανοποιητικός.

Γεωμετρική (Ακτινική) μελέτη του ήχου σε κλειστούς χώρους

Για την μελέτη της συμπεριφοράς του ήχου σε κλειστό χώρο υπάρχουν διάφοροι μέθοδοι. Δεν θα αναφερθούμε εδώ στην χρήση ηλεκτρονικού διερευνητικού, ούτε στην χρήση μοντέλων σε κλίμακα: 1:10 και 1:18, όπου εκπέμπεται ήχος, ελεύθερος από μετήχηση και στην συνέχεια γίνεται λήψη από ειδικό μικρόφωνο και μελέτη του. Θα αναφερθούμε στις κλασσικές μεθόδους όπως είναι η «γεωμετρική» ή «ακτινική» μέθοδος όπου εξετάζουμε την διαδρομή του ηχητικού κύματος (σχ.2) από την στιγμή που εκπέμπεται από την πηγή, καθώς επίσης και την κατανομή των πρώτων ανακλάσεων, λαμβάνοντας υπ’ όψη ότι ο ήχος σαν κύμα, που είναι ακολουθεί τους γνωστούς κανόνες της κυματικής. Η πιο πάνω μελέτη μπορεί να γίνει με την σχεδίαση της διαδρομής του ήχου με μορφή ακτίνων (σχ. 3,4 ) από την οποία μπορούμε να καθορίσουμε και το σχήμα της αίθουσας για να κατευθύνουμε τον ήχο εκεί που χρειάζεται.page39_09
Η πιο πάνω μελέτη μπορεί να γίνει ακόμη με μακέτες, όπου η ηχητική πηγή αντικαθιστά μια φωτεινή, τις ηχητικές ακτίνες, φωτεινές ακτίνες και τις διάφορες επιφάνειες, κάτοπτρα. Η φωτογράφηση ακόμη υπερηχητικών δεσμών μέσα σε μακέτες είναι μια άλλη μορφή της ίδιας βασικής μεθόδου. Και ενώ οι ήχοι με μικρό μήκος κύματος συμπεριφέρονται σαν ακτίνες φωτός, ανακλώμενοι και ξανά ανακλώμενοι μέχρι να σβήσουν, οι ήχοι με μεγάλο μήκος κύματος έχουν αρκετά διαφορετική συμπεριφορά και επί πλέον την δυνατότητα να δημιουργήσουν «στάσιμα κύματα» όταν το μήκος κύματος είναι το ίδιο ή υποπολλαπλάσιο με κάποια διάσταση του χώρου.

Είναι προφανές ότι με τους πιο πάνω τρόπους μόνο τις πρώτες ανακλάσεις μπορούμε να μελετήσουμε και μόνο μια γενική εικόνα έχουμε. Γι’ αυτό θα πρέπει εν συνεχεία να γίνει και στατιστική μελέτη του ήχου δηλαδή μελέτη του χρόνου αντηχήσεως που ήδη αναφέρθηκε καθώς και της εντάσεως του ανακλώμενου κύματος εν σχέσει με το απ’ ευθείας.

page39_10Στατιστική μελέτη του ήχου σε κλειστούς χώρους

Πολύ χονδρικά σκληρές μη πορώδεις επιφάνειες δε απορροφούν τον ήχο, ενώ μαλακές, πορώδεις και αυτές, που μπορούν να πάλλονται απορροφούν τον ήχο. Ο μηχανισμός της απορροφήσεως είναι ο εξής: Καθώς η πίεση του αέρα, με την άφιξη του ηχητικού κύματος αυξάνει ή ελαττώνεται στην επιφάνεια ενός πορώδους υλικού, ο αέρας κινείται μέσα κι’ έξω από τους πόρους και η τριβή, που προκαλείται από την κίνηση του αέρα σε αυτούς τους περιορισμένους χώρους προκαλεί την μετατροπή ενός μέρους της ηχητικής ενέργειας σε θερμότητα. Στην περίπτωση του παλλομένου τύπου ηχοαπορροφητικής επιφάνειας, προκαλείται τριβή στα μόρια της επιφάνειας καθώς αυτή μπαίνει σε κίνηση από την εναλλαγή της πιέσεως του αέρα. Και έτσι έχουμε και πάλι μετατροπή μέρους της ηχητικής ενέργειας σε θερμότητα.

Η απορρόφηση ενός υλικού εκφράζεται με ένα νούμερο από το 0-1 και καλείται συντελεστής ηχοαπορροφήσεως.
Οι συντελεστές ηχοαπορροφήσεως μπορούν να χωρισθούν σε αυτούς, που αφορούν την περίπτωση όπου τα ηχητικά κύματα προσπίπτουν στο υλικό από όλες τις κατευθύνσεις και σε αυτούς που αφορούν την περίπτωση όπου τα ηχητικά κύματα προσπίπτουν καθέτως στο υλικό. Ο πρώτος συντελεστής είναι αυτός που χρησιμοποιείται στον αρχιτεκτονικό ακουστικό σχεδιασμό.
Η ηχοαπορρόφηση ενός υλικού δεν είναι η ίδια για κάθε συχνότητα (σχ.5). Αντίθετα ο συντελεστής ηχοαπορροφήσεως για το ίδιο υλικό μπορεί να είναι 8 και 9 φορές μεγαλύτερος σε μια συχνότητα από μια άλλη. Και ακόμη η ολική ηχοαπορρόφηση σ’ ένα δωμάτιο δεν εξαρτάται μόνο από την ποσότητα των ηχοαπορροφητικών υλικών αλλά και από την θέση που τοποθετούνται.
Αν τώρα θεωρήσουμε ότι r0 και r1 είναι τα μήκη των διαδρομών του απ’ ευθείας ήχου και κάποιας συγκεκριμένης ανακλάσεως τότε η διαφορά στάθμης του ανακλώμενου από τον απ’ ευθείας ήχο, δίνεται από τον τύπο
ΔL=20 log10(r0/r1)dB Αν δε η ανακλώσα επιφάνεια έχει ένα συντελεστή ηχοαπορροφήσεωςα, τότε ο ανακλώμενος ήχος έχει ακόμη μικροτέρα ένταση κατά 10 log (1/α0 ακόμη.

page39_06Τύποι ηχοαπορροφητικών υλικών

Κάθε επιφάνεια, οποιουδήποτε υλικού ή αντικειμένου απορροφά τον ήχο μέχρις ένα βαθμό. Στην πράξη η ηχοαπορροφητικότητα των συνηθισμένων υλικών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιούνται, π.χ. άλλη ηχοαπορρόφηση έχει ένα επίχρισμα τοποθετημένο επάνω σ’ ένα δομικό τοίχο και άλλη όταν χρησιμοποιείται π.χ. σαν ψευδοροφή καλύπτοντας κάποιο μεταλλικό πλέγμα. Ακόμη, υπάρχει μεγάλη διαφορά και στην χρησιμοποιούμενη τεχνική από κτίριο σε κτίριο. Γι’ αυτό οι συντελεστές ηχοαπορροφήσεως, που δίνονται στους διαφόρους πίνακες θα πρέπει να λαμβάνονται σαν αντιπροσωπευτικοί μόνον και όχι σαν ακριβή στοιχεία για τις ιδιότητες ενός υλικού. Εξετάζοντας τώρα τα είδη των ηχοαπορροφητικών υλικών, μπορούμε να κατατάξουμε σε τρεις μεγάλες κατηγορίες: Τα πορώδη, τα πανώ και μεμβράνες και τα αντηχεία Helmholtz.
Το σχ.6 μας δείχνει την συμπεριφορά ενός τυπικού πορώδους ηχοαπορροφητικού υλικού (Porous absorbent) δηλαδή 25 χιλ. ορυκτοβάμβακος στερεωμένου σε στερεά σκληρή επιφάνεια. Αυτή η καμπύλη είναι κοινή στα περισσότερα ανάλογα «ακουστικά» υλικά αλλά και σε άλλα τυχαία όπως κουρτίνες, έπιπλα, χαλιά άνθρωποι κ.α. Το κύριο χαρακτηριστικό είναι η σημαντική μείωση της ηχοαπορροφητικότητος στις χαμηλές συχνότητες. Υπάρχει απ’ ευθείας σχέση μεταξύ μήκους κύματος του ήχου και πάχους του πορώδους ηχοαπορροφητικού υλικού όσο αφορά την μέγιστη ηχοαπορροφητικότητα. Έτσι λεπτά υλικά μπορούν να απορροφήσουν αποτελεσματικά μόνο ήχους και μικρό μήκος κύματος. Μια μικρή βελτίωση στις χαμηλές συχνότητες μπορεί να προκύψει αν το υλικό τοποθετηθεί σε κάποια απόσταση από την σκληρή επιφάνεια (διακεκομμένη γραμμή σχ. 6).

Όταν θέλουμε να κρίνουμε την πιθανή συμπεριφορά ενός πορώδους υλικού εξατάζομε την κατ’ όγκο περιεκτικότητα πόρων, τους πόρους της επιφάνειας και τον βαθμό των συνδέσεων μεταξύ των πόρων, που είναι χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την τριβή του αέρα μέσα στο υλικό. Έτσι τα υλικά που έχουν πόρους, που δεν συνδέονται, δεν μπορούν να απορροφήσουν τον ήχο.
Ο δεύτερος τύπος ηχοαπορροφητικών υλικών είναι τα πανώ (ταμπλάδες) και οι μεμβράνες (Panel – membrance absorbent) που έχουν χαρακτηριστική καμπύλη σαν αυτή του σχήματος 7, που δείχνει την καμπύλη ηχοαπορροφήσεως ενός πανώ από ξύλο πάχους 9 χιλ. στερεωμένου επάνω σε σταθερή επιφάνεια με διάκενο αέρος 40 χιλ.. Κάθε πανώ ή φύλλο από μη πορώδες υλικό που στερεώνεται σε σταθερή επιφάνεια με κάποιο κενό από πίσω λειτουργεί σαν ηχοαπορροφητικό. Το κύριο χαρακτηριστικό της καμπύλης είναι ο υψηλός συντελεστής ηχοαπορροφητικότητος κάπου στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων και μια πτώση του συντελεστή στις υψηλότερες συχνότητες. Η θέση του μέγιστου συντελεστού ηχοαπορροφήσεως συμπίπτει με την συχνότητα συντονισμού του συστήματος και μπορεί να βρεθεί από τον τύπο.
Fσυν.=600 / ρίζα md Όπου m η μάζα του πανώ σε Kg / m2 και d το βάθος του αέρα από πίσω σε cm. Αυτή τη σχέση απεικονίζεται στο διάγραμμα του σχ. 8.

Για πρακτικά βάρη και διάκενα η συχνότης συντονισμού βρίσκεται μεταξύ 40 και 400 HZ περίπου. Όσο λιγότερη είναι η ελαστικότητα του χρησιμοποιούμενου υλικού τόσο η καμπύλη ηχοαπορροφήσεως πλησιάζει την ιδεατή.
Ο συντελεστής ηχοαπορροφήσεως συχνά αυξάνει και επεκτείνεται σε μεγαλύτερο φάσμα αν στο κενό πίσω από το πανώ εισαχθεί ένα πορώδες υλικό π.χ. υαλοβάμβακας ή πετροβάμβακας.

Η τελευταία κατηγορία ηχοαπορροφητικών είναι τα αντηχεία Helmholtz (Helmholtz resonator). Βασικά αποτελούνται από ένα τμήμα αέρος κλειστό, που συνδέεται με στενό λαιμό με τον χώρο όπου περιέχονται τα ηχητικά κύματα π.χ. ένα μπουκάλι άδειο έχει τις ιδιότητες ενός αντηχείου Helmhltz. Γενικά μπορεί να λεχθεί ότι με τον πιο πάνω τύπο επιτυγχάνεται πολύ μεγάλη απορρόφηση στην συχνότητα συντονισμού αλλά πολύ λίγη στις υπόλοιπες συχνότητες εκτός από αυτές που είναι πολύ κοντά στην συχνότητα συντονισμού (σχ.9). Μια εφαρμογή του τύπου αυτού είναι και αυτή του σχ. 10 όπου ένα διάτρητο φύλλο harbroard με υαλοβάμβακα ή πετροβάμβακα από πίσω επάνω σε σταθερή επιφάνεια σχηματίζει πολλά μαζί αντηχεία αν θεωρήσουμε ότι το τμήμα, που βρίσκεται ακριβώς πίσω από την οπή είναι το αντηχείο και η οπή ο λαιμός. Τέλος προτού κλείσει αυτή η εισήγηση, δεν θα έπρεπε να παραλείψουμε μια αναφορά σε εκείνα τα ηχοαπορροφητικά υλικά που σχηματίζουν «τρισδιάστατη» μονάδα, όπως σφαίρα, διπλό κώνο ή κύβο κ.λ.π. τα γνωστά με το όνομα «λειτουργικά ηχοαπορροφητικά» (functional absorber).

Αυτά τα ηχοαπορροφητικά κρεμιώνται ελεύθερα μέσα στο χώρο, σε κάποια απόσταση από τα όρια του και καθώς τα ηχητικά κύματα περιθλώνται γύρω τους επιτυγχάνουν μια πολύ καλή απορρόφηση, είναι δε χρήσιμα όταν οι επιφάνειες του χώρου δεν είναι διαθέσιμες για να καλυφθούν με ηχοαπορροφητικά των προηγουμένων τύπων. Σε αυτά τα υλικά η μέγιστη απορρόφηση για μια ευρεία περιοχή συχνοτήτων επιτυγχάνεται όταν οι διαστάσεις τους είναι μεταξύ 0,45 και 0,9μ.

ΠΗΓΕΣ ΤΩΝ ΣΧΗΜΑΤΩΝ
1,5,6,7,8,9 Acoustics Noise and Buildings, P.H. Parkin, H.R. Humphreys and J.R. Cowell, FABER 4th edition – London – Boston. 3,4 Design for good acoustics J.E. Moore Architectural Press – London 1967.2 Planning: Building for administration, entertainment and recreation. Edited by Edward D – Mills 0 9th edition 1977. Newnes – Butterworths

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
1. The multi – purpose hall, Acoustic environment Θ. Τιμαγένης. Dissertation for the MScin Arcitecture. University college – London 1980.2. Acoustics, noise and buildings P.H. Parkin, H.R Humphreys and J.R. Cowella. Faber – Fourth edition – 1979.3. Room Acoustics. H. Kuttruff. Applied Science Pub;ishers 1973.4. Design for good Acoustics. I.E. Moore. Architectural Press – London 1967