Autor: Kurz: AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ Studiová technika II Jiří Schimmel AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 2 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Šíření zvuku prostředím AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 3 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Šíření zvuku prostředím • Je-li ve směru šíření zvukové vlny překážka, dojde k a) odrazu (zrcadlovému, difúznímu) b) ohybu (difrakci) c) absorpci d) průchodu • O tom, zda bude většina energie odražena nebo se bude šířit ohybem dále, rozhodují rozměry překážek ve srovnání s vlnovou délkou vlnění • O poměru odražené a absorbované energie zvukového vlnění rozhodují materiálové a konstrukční vlastnosti překážek AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 4 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Útlum zvukového vlnění při šíření prostředím • Při dopadu zvukové vlny na překážku se část jejího výkonu odrazí zpět, část překážkou projde a část bude absorbována Wd Wa Wo Wp Wd – energie dopadající vlnění Wo – energie odražené vlnění Wa – absorbovaná energie vlnění Wp – energie vlnění, které projde překážkou AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 5 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Zrcadlový odraz • Zrcadlový zdroj • Snellův princip – odrazy lze uvažovat jako samostatné virtuální zdroje zvuku a ba b A F AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 6 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Difúzní odraz • Způsoben nerovností povrchu s rozměry srovnatelnými s vlnovou délkou vlnění • Lambertův zákon: Io – intenzita odražené vlny Id – intenzita dopadající vlny o – úhel odražené vlny dopadající paprsek normála odo cosII  AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 7 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Difrakce • Lokální změna směru šíření zvukových vln při dopadu na okraj překážky • Difrakční jevy: ELORZA, D. O. Room acoustics modeling using the ray-tracing method: implementation and evaluation, University of Turku, Department of Physics, 2005. na překážkách na štěrbinách na hranách nízké kmitočty vysoké kmitočty AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 8 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Absorpce • Činitel zvukové pohltivosti: poměr energie Wa pohlcené určitou plochou k energii Wd na tuto plochu dopadající. materiál 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1000 Hz 2000 Hz 4000 Hz beton, nenatřený 0,36 0,44 0,31 0,29 0,39 0,25 beton, natřený 0,11 0,05 0,06 0,07 0,09 0,08 okenní sklo 0,3 0,25 0,18 0,12 0,07 0,04 sádra 0,14 0,11 0,06 0,05 0,04 0,03 Překližka 0,28 0,22 0,17 0,09 0,11 0,11 textilní čalounění 0,08 0,24 0,57 0,69 0,71 0,73 Sádra, tloušťka 0,29 0,11 0,05 0,04 0,07 0,09 lehký závěs 0,03 0,04 0,12 0,17 0,24 0,35 d a W W a AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 9 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Řešení vlnové rovnice v uzavřeném prostoru • Pro analýzu vlastností uzavřených prostorů s rozměry srovnatelnými s vlnovou délkou zvuku je nutné řešení vlnové rovnice. Okrajové podmínky řešení jsou, že akustická rychlost musí na povrchu stěn mít nulovou velikost • Uvažujeme rovinné vlnění, kdy se prostorem šíří vlna přímé od zdroje a vlna odražená • Obě vlny se sčítají a vzniká stojaté vlnění – v určitých místech prostoru je energie součtu vln nulová a jinde maximální AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 10 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Vlastní kmity prostoru • Vlnění, která splňují okrajové podmínky, tj. vytvoří stojatá vlnění, se nazývají vlastní kmity nebo módy prostoru, pro jejich kmitočet platí: • Šikmé (kosé) módy: všechny indexy n jsou různé od nuly, směr šíření vln v prostoru je obecný • Tangenciání módy: jeden z indexů nx, ny a nz je nulový, vlny se šíří pouze v rovinách rovnoběžných s danou rovinou souřadnicového systému • Axiální (osové) módy: hodnoty dvou indexů jsou rovny nule, vlny se šíří ve směru zbývající osy 2 z z 2 y y 2 x x00 2π2                       l n l n l nc k c f zyxzyx nnnnnn AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 11 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Rozložení akustického tlaku axiálních módů AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 12 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Rozložení akustického tlaku tangenciálních módů AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 13 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Vlastní kmity prostoru • Kmitočtová charakteristika jednoho módu je rezonanční křivkou (má tvar jako pásmová propust) • Kmitočtová charakteristika prostoru je dána součtem rezonančních křivek všech módů prostoru • Jestliže mají dva nebo více módů (pro dvě nebo více kombinací indexů nx, ny a nz) stejný kmitočet, nazývají se degenerovanými módy. Jejich důsledkem je koncentrace akustické energie na těchto kmitočtech pravoúhlá místnost 9,5 x 7 x 5 m, módy pro nx, ny, nz = 0...10 do 200 Hz 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 f [Hz]  9.5 x 7 x 5 [m] AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 14 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kmitočtová charakteristika prostoru AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 15 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kritický kmitočet • Poměrně konstantního rozložení akustického tlaku bude dosaženo, pokud bude vzdálenost dvou sousedních módů menší než polovina jejich šířky pásma  • Nad tzv. kritickým (Schröderovým) kmitočtem bude rozložení akustického tlaku poměrně konstantní • Šířka pásma módu souvisí s dobou dozvuku T = 6,91/(), dosazením do rovnice kritického kmitočtu získáme jeho vyjádření pomocí doby dozvuku 2  f  VV c f 2500 π2 3 0 k  V T V T f 2000 91,6 π 2500k  GEOMETRICKÁ AKUSTIKA Akustika prostorů 16 Jiří Schimmel Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Doba dozvuku AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 17 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Statistická akustika • Určení průměrných hodnot akustických veličin v uzavřeném prostoru • Základní veličina charakterizující zvukové pole je hustota zvukové energie • Zjednodušující předpoklady statistické akustiky: 1. velikost zvukové energie v libovolném bodě v uzavřeném prostoru je dána součtem středních hodnot energie, která do uvažovaného bodu dospěla vlivem odrazů od stěn  předpoklad nekoherentních zdrojů zvuku 2. hustota zvukové energie je ve všech bodech prostoru stejně veliká  platí pouze v difúzním poli, pouze pro kmitočty větší než kritický kmitočet 3. úhly, pod kterými dopadá zvuková energie do uvažovaného bodu, jsou zastoupeny se stejnou pravděpodobností. AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 18 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Statistická akustika • Hustota zvukové energie v ustáleném stavu: P – výkon zdroje zvuku, c0 – rychlost zvuku, S – plocha stěn, a – střední činitel zvukové pohltivosti • Průměrná hodnota zvukové pohltivosti: ai - činitelé pohltivosti části stěn Si • Při započítání ztráty zvukové energie způsobené lidmi: N - počet osob, AP - ekvivalentní plocha pohlcování osoby Sc P w a0 0 4    n i ii S S 1 a a         S NA S Sn i ii P 1 a a AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 19 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Střední činitel zvukové pohltivosti Druh místnosti a Téměř prázdná místnost s tvrdými stěnami z betonu, cihel nebo dlaždic 0,05 Částečně prázdná místnost s tvrdými stěnami 0,10 Místnost zařízená nábytkem; pravoúhlá dílna, průmyslová provozovna 0,15 Místnost nepravidelného tvaru zařízená nábytkem; dílna nebo průmyslová provozovna nepravidelného tvaru 0,20 Místnost zařízená čalouněným nábytkem; průmyslový provoz nebo dílna s dílčími akustickými úpravami na stropě nebo zdech 0,25 Místnost s materiálem pohlcujícím zvuk na stěnách a stropu 0,35 Místnost s velkým množstvím materiálu pohlcujícím zvuk na stropu a stěnách 0,50 AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 20 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Doba dozvuku • Dozvuk: zvuk, který se díky odrazům od stěn a konečné rychlosti zvuku šíří prostorem po vypnutí zdroje zvuku • Doba dozvuku: doba, za kterou hustota energie nebo intenzita zvuku klesne po vypnutí zdroje zvuku na 10–6 původní hodnoty (tj. o 60 dB) • podle Sabina: vyhovuje pouze pro prostory s malým a • podle Eyringa: vyhovuje pouze pro prostory s a < 0,8 • podle Millingtona: přesnější výsledky pro a > 0,8, v praxi se obvykle nepoužívá S V T a 164,0  stř1ln 164,0 a  S V T     n i iS V T 1 i1ln 164,0 a AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 21 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Měření doby dozvuku • Měření doby poklesu hladiny akustického tlaku Lp o 60 dB po vypnutí všesměrového širokopásmového zdroje zvuku (aproximace Diracova impulsu nebo šum) AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 22 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Metody měření doby dozvuku 1. Metoda přerušeného šumu • zdrojem vlnění je reproduktor, na který je přiváděn signál ze širokopásmového náhodného nebo pseudonáhodného zdroje šumu • měření doby poklesu hladiny akustického po vypnutí zdroje zvuku 2. Metoda integrované impulsní odezvy • zdrojem vlnění je zdroj akustického impulsu, který sám nedoznívá a má dostatečně široké spektrum (signální pistole apod.) • zdrojem může být i širokopásmový měřicí signál, který poskytuje impulsovou odezvu až po zpracování zaznamenaného zvukového signálu • ze získané impulsové se integrací její druhé mocniny vytvoří křivka poklesu, ze které se určí doby poklesu hladiny akustického po vypnutí zdroje zvuku podobně jako u metody přerušovaného šumu • Doba dozvuku se měří širokopásmově nebo v oktávových či třetino-oktávových pásmech AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 23 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Zásady měření doby dozvuku • Hladina hluku pozadí musí být alespoň o 15 dB nižší než hladina, pro kterou budeme pokles hladiny akustického tlaku měřit • To není vždy možné při měření zajistit, proto se neměří doba poklesu hladiny akustického tlaku o 60 dB, ale o 30 (T30), případně 20 dB (T20), některé měřicí aplikace nabízejí i měření pro pokles hladiny akustického tlaku o 10 dB (T10) • Zdroj zvuku musí vybudit dostatečnou hladinu akustického tlaku, aby křivka poklesu začínala minimálně o 45 dB (T30) resp. 35 dB (T20) nad hlukem pozadí v daném kmitočtovém pásmu • Při určování T20 se vyhodnocuje křivka poklesu od 5 dB do 25 dB pod ustálenou hladinou, u T30 od 5 dB do 35 dB pod ustálenou hladinou • Doba dozvuku se získá průměrováním z více míst mikrofonů a zdroje • průměrováním doby dozvuku změřené v jednotlivých místech • průměrováním směrnic regresních přímek křivek poklesů v jednotlivých místech AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 24 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Měření doby dozvuku AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 25 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Měření doby dozvuku AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 26 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Měření doby dozvuku • Všesměrový zdroj zvuku umístěný 1,5 m nad podlahou. • Mikrofon umístěný v difúzním poli v dostatečné vzdálenosti od odrazivé plochy (větší než čtvrtina vlnové délky nejnižšího zkoumaného kmitočtu). • Měření se provádí ve více bodech a výsledky se průměrují, polohy mikrofonů vzdáleny alespoň polovinu vlnové délky nejnižšího zkoumaného kmitočtu: N – počet měření, a(T60) – střední hodnota, D(T60) – rozptyl, (T60) – směrodatná odchylka počet sedadel počet míst měření 500 6 1000 8 2000 10     N i iT N Ta 1 6060 1       N i i TaT N TD 1 2 606060 1    6060 TDT  AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 27 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Měření doby dozvuku AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 28 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Měření doby dozvuku AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 29 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Požadavky na dobu dozvuku AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 30 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Doporučení pro dobu dozvuku • O subjektivně vhodné době dozvuku rozhoduje určení a objem prostoru • Hodnoty vhodné doby dozvuku byly stanoveny na základě subjektivních testů • přednes mluveného slova: 0,5 s (menší prostor) – 1,2 s (větší prostor) • poslech hudby: 1,6 s (menší sály) – 2,1 s (větší sály), závisí na stylu • komorní hudba 1,4 s – 1,6 s • symfonická cca 2 s • varhanní hudba > 2 s • operní divadla: kompromis mezi hodnotou pro řeč a hudbu • chrámy a kostely: až 8 s • Minimální postřehnutelná změna doby dozvuku je 10 % • Kmitočtová závislost doby dozvuku: • doporučena vyrovnaná závislost v třetino-oktávových pásmech 100 Hz až 10 kHz • subjektivně je jako vhodná hodnocena prodlužující se doba dozvuku na nízkých kmitočtech, případně mírně se prodlužující i na kmitočtech vysokých AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 31 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Doporučení pro dobu dozvuku AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 32 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Požadavky vyplývající z norem ČSN • Normy ČSN • ČSN 73 0525 Akustika – Projektování v oboru prostorové akustiky – Všeobecné zásady • ČSN 73 0526 Akustika – Projektování v oboru prostorové akustiky – Studia a místnosti pro snímání, zpracování a kontrolu zvuku • ČSN 73 0527 Akustika – Projektování v oboru prostorové akustiky – Prostory pro kulturní účely – Prostory ve školách – Prostory pro veřejné účely • Požadavky na dobu dozvuku: • definovány pomocí optimální doby dozvuku T0 na 1 kHz a tolerančního pásma = přípustné rozmezí hodnot T /T0 v závislosti na středním kmitočtu oktávového pásma • vyžadovány v oktávových pásmech 125 – 4000 Hz, u veřejných prostorů pouze 250 – 2000 Hz AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 33 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie ČSN 73 0526 – doporučená hodnota doby dozvuku Studia a místnosti pro snímání, zpracování a kontrolu zvuku V0 [m3] T0 [s] hlasatelská kabina 30 0,3 hlasatelna, dabingové studio 90 0,3 malé činoherní studio, televizní hlasatelna 180 0,4 střední činoherní studio 500 0,5 velké činoherní studio 1000 0,8 malé hudební studio 1500 1,0 střední hudební studio 4000 1,5 velké hudební studio 13000 1,8 malé televizní/filmové studio 5000 0,8 střední televizní/filmové studio 10000 1,1 velké televizní / filmové studio 20000 1,3 režijní místnost 130 0,3 mixážní hala (pro vícekanálový záznam) 700 0,7 (0,5) AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 34 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie ČSN 73 0526 – maximální rozmezí poměru T/T0 • typ 1 – prostor určený především pro hudbu nebo pro hudbu a řeč 400020001000500250125 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 f [Hz] T60/T0 AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 35 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie ČSN 73 0526 – maximální rozmezí poměru T/T0 • typ 2 – prostor určený především pro řeč 400020001000500250125 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 f [Hz] T60/T0 AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 36 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie ČSN 73 0527 – doporučená hodnota doby dozvuku Prostory ve školách a pro veřejné účely V0 [m3] T0 [s] * tol. pásmo učebna a posluchárna < 250 0,7 typ 2 posluchárna > 250 závislá na V0 (3) typ 2 jazyková učebna, laboratoř 130 – 180 0,45 typ 2 audiovizuální učebna 200 0,6 typ 2 čítárna a studovna - - učebna hudební výchovy (při reprodukované hudbě) 200 0,9 (0,5) typ 1 učebna hry na individuální nástroje a sólového zpěvu 80 – 120 0,7 typ 1 učebna orchestrální hry dop. > 600 závislá na V0 (2) typ 3 tělocvičny, plavecké haly, nádražní a letištní haly - závislá na V0 (5) ** haly a dvorany veřejných budov, kde je důležitá srozumitelnost řeči - 1,4 ** * Platí pro obsazenou místnost, s výjimkou tělocvičen a prostorů pro veřejné účely ** konstantní rozsah 0,8 – 1,2 pro pásma 250 – 2000 Hz AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 37 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie ČSN 73 0525 – Optimální doba dozvuku Optimální doba dozvuku pro 1 kHz v závislosti na objemu obsazené místnosti (s výjimkou 5) 6 AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 38 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie ČSN 73 0527 – maximální rozmezí poměru T/T0 • typ 3 – obsazený prostor určený k hudební produkci 400020001000500250125 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 f [Hz] T60/T0 AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 39 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie ČSN 73 0527 – doporučená hodnota doby dozvuku Prostory pro kulturní účely počet osob objem na osobu [m3] závislost T0 na V0 tol. pásmo koncertní sál - varhanní hudba - symfonický orchestr - komorní hudba do 2000 do 500 10 – 12 8 – 10 6 – 8 A B C typ 3 typ 3 typ 3 opera do 1500 6 – 8 1 typ 3 hudební divadlo 6 – 8 1 typ 3 zkušebna orchestru / sboru 200 2 typ 3 víceúčelový sál 200 2 typ 1 činoherní divadlo 80 – 120 3 typ 2 zkušebna činohry 3 typ 2 přednáškový sál 4000 3 typ 2 kino s jednokanálovým zvukovým zařízením dop. > 600 4 typ 4 kino s vícekanálovým zvukovým zařízením 6 typ 5 AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 40 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie ČSN 73 0527 – Optimální doba dozvuku Optimální doba dozvuku pro 1 kHz v závislosti na objemu obsazené místnosti AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 41 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie ČSN 73 0527 – maximální rozmezí poměru T/T0 • typ 4 – obsazený prostor kina s jednokanálovým zvukovým zařízením 400020001000500250125 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 f [Hz] T60/T0 AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 42 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie ČSN 73 0527 – maximální rozmezí poměru T/T0 • typ 5 – obsazený prostor kina s vícekanálovým zvukovým zařízením 400020001000500250125 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 f [Hz] T60/T0 1,8 2,0 8000 160006331,5 AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 43 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Akustické pohltivé prvky AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 44 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Pohlcování zvuku • Nevratná přeměna zvukové energie v jinou • Způsob přeměny zvukové energie při šíření v pevných látkách: 1. přeměny vznikající třením v blízkosti pevné stěny, nutná velká plocha 2. přeměna energie kmitající desky v energii tepelnou vlivem mechanických ztrát 3. přeměny vznikající poklesem akustického tlaku (relaxační) – v místech, kde nastává zhuštění částic, stoupá tlak, pokud dojde k jeho snížení (relaxaci), zmenší se energie vlnění; k relaxaci dojde např. přestupem tepla do kostry 4. přeměny vznikající nepružnou deformací těles látky s pružnou hysterezí – stlačíme-li látku určitou silou, nevrátí se do původního stavu; práce vynaložená na deformaci je vyšší než práce získaná pružností tělesa a rozdíl představuje úbytek zvukové energie AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 45 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Porézní materiály • Pevné látky, v jejichž objemu jsou malé dutinky vyplněné vzduchem (80 až 99 % celkového objemu) • vláknitá, kanálková nebo pěnová struktura • organické, minerální, skleněné a plastické hmoty, nanovlákenné materiály • póry musí být navzájem propojeny, nebo materiál musí být elastický, aby se zvuk mohl materiálem šířit • zvuková energie se v mezní vzduchové vrstvě nad povrchem kanálku nebo vlákna mění třením vrstev v energii tepelnou AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 46 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Akustické porézní materiály 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 125 250 500 1000 2000 4000 Dřevotřísková deska Dřevovláknitá deska Deska z pěnového polystyrénu Linoleum Okenní otvor zasklený Překližka laťová Sádrokartonová deska AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 47 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kmitočtová závislost činitele zvukové pohltivosti • Činitel zvukové pohltivosti závisí na velikosti energie přeměňované v teplo • akustická energie závisí na amplitudě akustické rychlosti • akustická rychlost je na povrchu, kde dochází k odrazu, nulová (viz vlnová akustika) → největší tření je ve vzdálenosti /4 od povrchu → vyšší pohltivosti na nižších kmitočtech lze dosáhnout zvýšením tloušťky materiálu AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 48 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kmitočtová závislost činitele zvukové pohltivosti • Vyšší pohltivosti na nižších kmitočtech lze dosáhnout také předsazením materiálu před pevnou stěnu • maximální akustická rychlost bude ve vzdálenosti d=/4 od pevné stěny pro vlnové délky ,...2,1pro 12 4    n n d  AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 49 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Pěnové a vláknité desky • minerální vlna (poréznost 0,92-0,99) • uhlíková vlákna (poréznost 0,91-0,97) • akustická pěna (poréznost 0,95-0,99) • plst (poréznost 0,83-0,95) • dřevovláknitá deska /poréznost 0,65-0,80) AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 50 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Sonit • barvený písek pojený epoxidovou kompozicí • pro použití v exteriéru je lícová strana obkladu natřena barevným nástřikem • nehořlavý, vysoká mechanická, klimatická a chemická odolnost AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 51 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Glasio • drť z recyklovaného křišťálového skla různých frakcí teplotně propojených tak, aby vznikla porézní struktura v celé tloušťce panelu • nehořlavý, mechanická odolnost AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 52 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Glasio AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 53 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Závěsy a koberce závěsy (Beranek) koberce (rozsah hodnot z různých zdrojů) AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 54 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Zavěšené akustické prvky • Akustické prvky porézního materiálu zpevněné mřížkou • díky ohybu vln dopadá vlnění na prvky ze všech stran, činitel zvukové pohltivosti vztažený na jednotku plochy prvku je větší než 1 • s klesající vzdáleností mezi zavěšenými prvky se snižuje prostor k ohybu vln a činitel zvukové pohltivosti klesá AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 55 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Zavěšené akustické prvky AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 56 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Prvky založené na rezonančním principu • Princip • rezonanční soustava složená z akustické hmotnosti mA, poddajnosti cA a odporu • dopadne-li na soustavu zvukové vlnění, uvede ji do vynucených kmitů, jejich amplituda bude maximální na rezonančním kmitočtu • přestane-li vlnění na soustavu dopadat, bude po určitou dobu dokmitávat vlastním rezonančním kmitočtem – energie celého spektra dopadajícího vlnění je přeměněna na energii rezonančního spektra soustavy • rychlost poklesu amplitudy vlastních kmitů je závislá na tlumení rezonátoru, tj. na akustickém odporu soustavy – pro použití pro pohlcování zvuku musí být rezonanční soustava co nejvíce tlumena (co nejvíce energie bylo přeměněno v teplo) • Rezonanční kmitočet soustavy: AA r 1 π2 1 cm f  AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 57 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Prvky založené na rezonančním principu • Typy akustických prvků založených na rezonančním principu: 1) kmitající membrány (tenká deska nebo fólie umístěná v určité vzdálenosti od pevné stěny) 2) kmitající desky (použití tuhé desky místo membrány) 3) Helmholtzovy rezonátory (dutina o s hrdlem představujícím nehmotný píst vzduchového sloupce) 4) sendvičové konstrukce AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 58 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kmitající membrány • Prostor mezi membránou a stěnou bývá vyplněn porézním materiálem (odstup 5 až 10 mm od membrány), který přizpůsobuje impedanci membrány vlnovému odporu vzduchu a tím tlumí rezonanční soustavu • snížení činitele jakosti • zvýšení šířky pásma AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 59 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kmitající desky • Použití tuhé desky místo membrány • zvýšení hmotnosti membrány  snížení rezonančního kmitočtu • na okraji měkce upevněná, aby mohla kmitat jako píst • mechanické ztráty třením v pružném uložení desky jsou vyšší než ztráty třením v porézním materiálu za deskou, proto porézní materiál nemá na tlumení soustavy příliš vliv AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 60 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Helmholtzův rezonátor • Dutina o objemu V s hrdlem délky h a průřezu S • hmotnost vzduchu v hrdle představuje píst s hmotností mA • pohybu pístu je kladen odpor rA (tření v hrdle) • rezonanční kmitočet:  hhV Sc cm f   2π2 1 π2 1 0 AA r S V lh AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 61 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Děrované desky • Sdružené Helmholtzovy rezonátory • obvykle deska umístěná v určité vzdálenosti od pevné stěny AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 62 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Akustické reflexní a difúzní prvky AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 63 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Difuzory • Prvky rozptylující zvukové vlnění • prevence/maskování ozvěny při zachování zvukové energie • subjektivní vjem prostorovosti a „obalení“ posluchače zvukem (místo směrové lokalizace odrazů) • zmírnění efektu hřebenového filtru zrcadlového odrazu (snížení změny barvy zvuku v malých prostorách, zlepšení srozumitelnosti řeči) • způsobují nejen prostorovou, ale i časovou disperzi vlnění (časové zpoždění vln na struktuře difuzoru) • Difúzní odraz je závislý na poměru vlnové délky vlnění a nerovnosti povrchu AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 64 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Rozptyl zvukových vln difuzory Cox, T., J., D’Antonio, P., Acoustic Absorbers and Diffusers, Theory, design and application, 2nd ed. Taylor & Francis, NY, 2009. ISBN 978-0-415-47174-9 AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 65 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Ploché panely • Ploché panely konečných rozměrů volně umístěné v prostoru a) na nízkých kmitočtech nedochází k žádnému odrazu (pro největší vlnové délky je charakteristika stejná jako směrová funkce dipólu) b) na vysokých kmitočtech dochází k zrcadlovému odrazu c) na středních kmitočtech (relativně k velikosti panelu) dochází k částečnému odrazu a interferenci s přímou vlnou AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 66 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Ploché panely AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 67 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Ploché panely AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 68 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Geometrické difuzory • Uspořádání základních geometrických tvarů do periodické struktury • Nejlepších rozptylových účinků se dosáhne za podmínek: d = 0/4, kde 0 je vlnová délka návrhového kmitočtu f0 d ≈ L/4 až L/5 d ≤ b ≤ L • Dobrého rozptylu se dosahuje pouze při vlnových délkách srovnatelných s délkou periodické struktury AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 69 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Trojúhelníkové prvky AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 70 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Pole trojúhelníkových prvků AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 71 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Pole trojúhelníkových prvků AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 72 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Konkávní oblouky • V závislosti na vzdálenosti posluchače od ohniska způsobuje efekt zaostření (silná energie odrazů v ohnisku, změna barvy zvuku a echa ve velké části prostoru) • Za ohniskem nebo naopak ve velké vzdálenosti před ohniskem je rozptyluje energii rovnoměrně AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 73 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Konkávní oblouky AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 74 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Konvexní oblouky • Samostatný půlválec má ideální prostorovou disperzi, ale způsobuje silný efekt hřebenového filtru, praxi je problém s realizací prvku dostatečných rozměrů • Snížení prvku způsobí ztrátu disperze pro vlnění přicházející ze stran • Při použití pole konvexních oblouků hraje roli jejich prostorové uspořádání, periodicity způsobují vznik výraznějších laloků • Pro rozptyl v obou rovinách slouží hemisférické prvky AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 75 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Konvexní oblouky AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 76 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Konvexní oblouky AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 77 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Konvexní oblouky AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 78 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Konvexní oblouky AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 79 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Schröderovy difuzory • Série šachet stejné šířky a rozdílné hloubky • Princip • zvukové vlny se odrážejí ode dna šachet a jsou znovu vyzařovány do prostoru • odražené vlny mají odlišnou fázi kvůli fázové změně způsobené dobou, po kterou se zvuk šíří v dané šachtě – v důsledku toho je směrová charakteristika určena hloubkou šachty • Jednoduchý návrh a konstrukce • Optimální difúze, možnost predikce rozptylu • Používané typy: • Primitive Root Difuser (PRD) – navržený pomocí posloupnosti primitivních kořenů • Quadratic Residue Difuser (QRD) – navržený pomocí posloupnosti kvadratických reziduí • Maximum Length Sequence (MLS) – navržený pomocí sekvence maximální délky AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 80 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Difuzory PRD a QRD • 1D – v jedné rovině se chová jako rovná plocha, ve druhé se uplatňuje difúzní odraz • 2D – difúzní odraz se uplatňuje v obou rovinách AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 81 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Difuzor typu MLS • Šachty stejné hloubky • Nevýhodou je malá šířka pásma, ve které difuzor pracuje efektivně AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 82 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Fraktálové difuzory • Prvky s více úrovněmi, kdy každá z úrovní rozptyluje zvuk v jiném pracovním pásmu • Do jednotlivých šachet jsou vnořeny menší difuzory na základě fraktálového principu, jednotlivé úrovně difuzoru se chovají nezávisle • Velká šířka pracovního pásma bez nutnosti zvětšovat délku sekvencí AKUSTIKA UZAVŘENÝCH PROSTORŮ STUDIOVÁ TECHNIKA II 83 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Akustika uzavřených prostorů