Akustiikka: Ääni kohtaa tilan
Marmorikatedraalissa soitettu musiikillinen sävel kuulostaa hyvin erilaiselta kuin täsmälleen sama sävel kaiuttomassa kammiossa. Fyysinen tila toimii yhteissoittajana.
Jälkikaiunnan geometria: Wallace Clement Sabine
1800-luvun loppuun asti huoneakustiikkaa pidettiin arvaamattomana käsityönä. Harvardin yliopiston Wallace Clement Sabine vakiinnutti alan muodostamalla matemaattisen yhteyden, joka säätelee vaimenemisnopeutta. Klassinen Sabinen kaava määrittelee jälkikaiunta-ajan ($RT_{60}$) eli ajan, joka tasaisessa tilassa olevan äänienergian täytyy vaimentua 60 desibeliä lähteen lakattua:
Sabinen jälkikaiunta-aikakaava
RT60 = 0.161 * (V / A)
Missä V on tilan tilavuus kuutiometreinä ja A on kokonaisabsorptio metrisinä sabineina (Σ S * α).
Jos pinnat ovat kovaa, huokoisetonta kipsiä (α ≈ 0.02), äänen aallot heijastuvat satoja kertoja ennen vaimenemistaan. Jos seinät on käsitelty tiheällä lasivillalla tai avohuokoisella akustisella vaahdolla (α ≈ 0.85), energia haihtuu nopeasti huokosrakenteen sisäisen viskoosin kitkan kautta ja lämmittää ilmaa mikroskooppisesti.
Aaltointerferenssi ja aksiaaliset huonemoodit
Ääni kulkee kuivassa ilmassa noin 343 metriä sekunnissa (20 °C:ssa). 50 Hz:n basoaallon fyysinen aallonpituus on 6.86 metriä. Kun tämä aalto osuu seiniin, jotka ovat täsmälleen 3.43 metrin tai 6.86 metrin päässä toisistaan, heijastunut aalto asettuu täsmälleen tulevan aallon kanssa samaan vaiheeseen.
Tämä synnyttää seisovia aaltoja eli huonemoodeja. Tietyissä fyysisissä kohdissa rakentava interferenssi kaksinkertaistaa äänenpaineen ja tuottaa pömpöttävän resonanssihuipun. Puoli oktaavia etäämpänä olevissa solmukohdissa tuhoava interferenssi kumoaa taajuuden kokonaan, jolloin syvät bassosävelet ovat kuulijalle hiljaisia vahvistimen tehosta riippumatta.
”Pieni makuuhuonestudio kärsii paljon vakavammasta bassovääristymästä kuin sinfoniasali. Pienissä tiloissa moodivälit ovat harvoja ja irrallisia, mikä aiheuttaa rajuja 20 desibelin huippuja ja kuoppia.”
— Acoustic Absorbers and Diffusers, Trevor Cox & Peter D'AntonioDiffuusio vs. absorptio: akustisen eloisuuden säilyttäminen
Kuunteluhuoneen liiallinen käsittely ohuilla huokoisilla absorboijilla vaimentaa korkeat taajuudet ja jättää sotkuiset matalat moodit kokonaan ennalleen. Tuloksena on tukahtunut, luonnoton akustinen tila. Kirkkauden säilyttämiseksi ja lepattavien kaikujen (nopeat ping-pong-heijastukset yhdensuuntaisten kovien seinien välillä) poistamiseksi akustikot käyttävät Schroederin diffuusoreita.
Kvadraattisen residuaalin diffuusorit (QRD) koostuvat laskennallisesti määritellyistä syvennyksistä, jotka perustuvat alkulukujen jäännöksiin. Kun koherentti aalto osuu diffuusoriin, heijastunut energia hajaantuu tasaisesti 180 asteen kulmaan sekä ajassa että tilassa. Näin heijastukset tasoittuvat tukahduttamatta tilan ambienssia.
Materiaalien ja absorptiokertoimien taulukko
| Pintamateriaali | 125 Hz (α) | 500 Hz (α) | 2000 Hz (α) | Ensisijainen akustinen tehtävä |
|---|---|---|---|---|
| Kiillotettu betoni | 0.01 | 0.02 | 0.02 | Suurin peilimäinen heijastus |
| Taustoittamattomat raskaat samettiverhot | 0.07 | 0.31 | 0.70 | Korkeataajuuksien vaimennus |
| 100mm Rockwool (kehystettynä) | 0.45 | 0.95 | 0.98 | Laajakaistainen nopeusabsorptio |
| Kalvoresonanssiloukku | 0.80 | 0.25 | 0.10 | Resonoivan basson hallinta |