Raumakustik und Nachhallzeit

Schalldruckwellen werden üblicherweise von einer Quelle in alle Richtungen abgestrahlt. In diesem Bild sehen Sie einige der Wege, die diese Wellen hätten nehmen können. Schallwellen werden von einer Oberfläche reflektiert und erzeugen eine resultierende Welle mit weniger Schallenergie. Dieser Energieverlust beruht auf der Materialzusammensetzung der Oberfläche, von der die Schallwelle reflektiert wurde. Ein Teil der Energie der Welle wird vom Material absorbiert, ein Teil wird durch das Material übertragen, während die verbleibende Energie in den Raum reflektiert wird, aus dem sie stammt. Dies führt zu einem Abklingen des Schalldrucks im Raum, da die Welle von vielen Oberflächen reflektiert wird. Dieser Schalldruckabfall kann ein sehr wichtiger Faktor für die akustische Qualität eines Raumes werden. Wenn der Zweck eines Raumes für Sprache oder Kommunikation bestimmt wäre, wäre ein schneller Schalldruckabfall erforderlich, um die Sprache verständlich zu halten. Stellen Sie sich vor, wie schwierig es wäre, jemanden zu verstehen, der eine Rede in einem Raum wie einem Pool in dieser Abbildung hielt.



Denken Sie an einen großen musikalischen Aufführungssaal. In diesem Raum wäre ein schneller Schalldruckabfall nicht ideal, sondern eher ein langsamer. Dadurch entsteht ein sehr voller Klang, der die Musik ergänzt und Töne hinterlässt, die angenehm mit dem direkten Klang klingen, auf den sich das Publikum konzentriert. Die Anwesenheit von halligem Klang gibt Musikern die Möglichkeit, sehr dynamische Performances zu kreieren, die den gesamten Musiksaal ausfüllen und ein dramatisches Erlebnis für das Publikum schaffen.

Wie lange es dauert, bis der Hallschall in einem Raum abklingt, muss möglicherweise korrigiert werden, je nachdem, wofür der Raum genutzt werden soll. Ein Standard zur Messung dieser Zeit wird als Nachhallzeit bezeichnet. Nachhallzeit ist definiert als die Zeit, die der Schalldruck in einem Raum benötigt, um 60 Dezibel oder auf ein Millionstel des ursprünglichen Energieniveaus abzuklingen, und kann durch die Gleichung *T=0,049V/A angenähert werden. T ist die Nachhallzeit in Sekunden. Um diese Zeit ins rechte Licht zu setzen, kann die Nachhallzeit zwischen etwa 0,6 Sekunden für einen Klassenraum und 1,5 -2 Sekunden für einen Konzertsaal liegen. V ist das Volumen des Raums in Kubikfuß, während A die äquivalente Absorptionsfläche in Quadratfuß ist. Wie Sie anhand der Gleichung sehen können, würde T in einem Raum ohne Absorption ins Unendliche gehen, in der Praxis absorbieren jedoch alle Oberflächen eine bestimmte Menge an Schallenergie, was eine endliche Nachhallzeit erzeugt. Im Diagramm sehen Sie den gemessenen Schalldruckabfall eines Impulses. Die Zeit T, die diese Störung benötigte, um um um 60 dB abzuklingen, ist dann die Nachhallzeit des Raums.

Stellen Sie sich einen Raum wie diesen Würfel aus unterschiedlichen Materialien vor, von denen jeder auf jeder Seite des Würfels eine unterschiedliche Menge an Schallenergie absorbiert. Unendliche Reflexion ist definiert als eine Oberfläche, die alle Schallwellen reflektieren würde, während unendliche Absorption definiert ist als eine Oberfläche, in der der gesamte Schall absorbiert würde. Befände sich in diesem Würfel beispielsweise eine Schallquelle, so wäre die Fläche einer in den Würfel eingeschnittenen Öffnung, die ein Entweichen des Schalldrucks ermöglicht, unendlich absorbierend. Man kann sich die äquivalente Absorptionsfläche des Würfels als die Fläche unendlicher Absorption vorstellen, die die Fläche des Würfels aus Materialien mit endlicher Absorption ersetzen könnte. Die äquivalente Absorption jeder Seite des Würfels wird als A=Sa angegeben, wobei "a" der Absorptionskoeffizient des Materials und "S" die Fläche in ft^2 des Materials ist. Einige gebräuchliche Absorptionskoeffizienten werden später aufgeführt. Die gesamte äquivalente Absorption des Würfels kann durch Summieren der äquivalenten Absorption aller Flächen des Raums ermittelt werden. Wenn wir die äquivalente Absorption aller Flächen des Würfels addieren, sehen wir, dass die Fläche des Würfels oben 2 Quadratfuß Öffnung entspricht.



Ein ft^2 unendlicher Absorption ist definiert als Absorptionseinheit. Daher enthält der obige Würfel 2 Absorptionseinheiten.

In dieser Tabelle werden die Absorptionskoeffizienten für einige gängige Baustoffe dargestellt. Diese Werte liegen im Bereich von 0 bis 1. Wenn eine Oberfläche ein perfekter Reflektor wäre, hätte sie einen Koeffizienten von 0. Marmor ist ein Beispiel für einen sehr guten Reflektor und wie Sie sehen, liegt sein Absorptionskoeffizient sehr nahe bei 0. Ein Material, das Schallenergie vollständig absorbiert, z. B. eine Schaumstoffisolierung, hätte einen Absorptionskoeffizienten, der näher an 1 liegt. Sie können an den Unterschied in den Absorptionskoeffizienten denken, wenn Sie die Vielfalt der Materialien in einem Raum betrachten. Nehmen Sie zum Beispiel den Unterschied im Umgebungslärm in einem Pool, der hauptsächlich mit Beton bedeckt ist, im Vergleich zu einem Büro oder einer Bibliothek, die mit Trockenbau und Teppichboden ausgekleidet ist. Beachten Sie, dass der Wert dieser Koeffizienten von der Frequenz der Schallquelle abhängt, der sie ausgesetzt sind. Zum Beispiel kann ein Material eine andere Menge an Schallenergie absorbieren, wenn es hohen Frequenzen ausgesetzt wäre als relativ niedrigen Frequenzen in der menschlichen Sprache.

Nehmen Sie einen Konferenzraum, der mit Teppichboden und Trockenwanddecken und -wänden gebaut wurde. Die Sprachverständlichkeit im Raum war sehr schlecht und es musste etwas getan werden, um das Problem zu beheben. Der Raum wurde hauptsächlich aus Trockenbau mit Teppichboden gebaut. Mit Hilfe der Gleichungen für Nachhallzeit und Absorption sowie einer vollständigeren Tabelle der Absorptionskoeffizienten konnten wir die Nachhallzeit des Raumes schätzen. Um jedoch eine genauere Basiszahl der Nachhallzeit zu erhalten, müssen wir einige Messungen im Raum durchführen.

In diesem Fall haben wir uns für das LabVIEW Sound and Vibration Toolkit und das PXI Sound and Vibration Module entschieden, um einen Impulstest mit einer Hochspannungselektrode durchzuführen, die bei einem digitalen Trigger einen Funken erzeugt. Andere Techniken sind das Abfeuern einer Waffe, das Platzen eines Ballons oder einfach ein lautes Klatschen in die Hände. Die Quelle wurde an der Vorderseite des Raums platziert, in dem sich der Sprecher normalerweise befindet. Mikrofone wurden dann im gesamten Raum verwendet, um die Reaktion der Störung auf einen von der Quelle empfangenen Trigger zu erfassen. Anschließend wurde das Signal mit dem PXI Sound and Vibration Module digitalisiert und zur Verarbeitung an einen PC gesendet. Dann können wir berechnen, wie lange der Schalldruck um 60 dB abklingt. Impulstests können viele Informationen über die Qualität eines Raums liefern. In diesem Fall haben wir die Daten zur Messung der Nachhallzeit des Raumes verwendet, aber ein Impulstest kann auch problematische Reflexionen oder fehlende Reflexionen erkennen, die ausgeglichen werden müssen.

Sobald die Daten erfasst sind, definieren wir den Punkt, an dem der Schalldruck um 60 dB vom ursprünglichen Impuls abfällt. Zum Abrufen der digitalisierten Daten vom PXI Sound and Vibration Module wurde die Funktion "DAQmx - Lesen" verwendet. Nachdem diese Daten für die Verarbeitung zur Verfügung standen, skalierten wir die Spannung mit Hilfe der Funktion SVL: Spannung in EU umrechnen in Pascal (Pa) und maßen die Zeit bis zum Abfall des Schallpegels um 60 dB mit Hilfe der nativen LabVIEW Funktionen sowie des VIs SVT: Leq Schallpegel.

Mit Hilfe der Impulstestmethode ergab sich eine Nachhallzeit von ca. 1,15 Sekunden. Wie wir vermutet haben, ist diese Zeit für den vorgesehenen Zweck des Raumes zu lang. Wir können jetzt versuchen, einen Raum mit einer viel angenehmeren Nachhallzeit zu entwerfen. Mit Hilfe der allgemeinen Formel für die Nachhallzeit T = 0,049V/A und dem Raumvolumen von 3600 ft^3 können wir sehen, dass der Raum eine äquivalente Absorptionsfläche von 153 ft^2 hat. Um eine günstigere Nachhallzeit von etwa 0,6 Sekunden zu erreichen, müssen wir die äquivalente Absorption des Raums auf etwa 294 Einheiten erhöhen.

Einige Räume sind auf Deckenreflexionen angewiesen, um Schall in die weiten Bereiche des Raums zu projizieren. Daher wird die Decke in der Regel vermieden, wenn die Platzierung für akustisches Material in Betracht gezogen wird. In unserem Konferenzraum verlässt sich der Zuhörer jedoch hauptsächlich auf direkten Schall aus der Quelle und benötigt keine Deckenreflexionen, um die Quelle klar zu hören. Denken Sie auch daran, dass der Konferenztisch als weitere Oberfläche dient, die Schall für die Zuhörer im ganzen Raum reflektiert. Deshalb haben wir uns entschieden, Material an die Decke zu legen, um die Wände frei von Unordnung zu halten. Um die Absorptionsfläche zu vergrößern, müssen wir ein Material mit einem größeren Absorptionskoeffizienten als die derzeit vorhandene Trockenwand wählen. Daher wurde ein gängiges Material wie Deckenfliese gewählt, das einen Absorptionskoeffizienten von 0,68 bei 1000 Hz hat. Oben sind einige der anderen Überlegungen aufgeführt, die bei der Kompensation eines Raums für schlechtes Nachhallverhalten zu berücksichtigen sind.

300 ft^2 perforierte Rohrfaser wurden hinzugefügt, so dass die gesamte theoretische äquivalente Absorptionsfläche des Raumes 345 ft^2 betrug. Diese Zahl über der 294-Marke, die zuvor berechnet wurde, sollte sicherstellen, dass die Sprachverständlichkeit erhalten bleibt. Nachdem wir nun den Raum modifiziert haben, um eine kürzere Nachhallzeit zu erhalten, muss eine weitere Messung durchgeführt werden. Das Hinzufügen von 300 ft^2 perforierter Rohrfaser 1” auf Metallrahmen brachte die Nachhallzeit auf nur bei T = 0,61 Sekunden. Diese Zeit ist ideal für den Zweck unseres Zimmers. Denken Sie daran, dass akustisches Design keine vollständige Wissenschaft ist. Wir hatten erwartet, dass die Nachhallzeit kürzer sein würde, da wir mehr Absorptionsmaterial hinzugefügt haben, als wir erwartet hatten. Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist, dass wir durch das Hinzufügen der abfallenden Decke auch die Geometrie des Raumes geändert haben und dies beeinflusst hat, wie der Raum auf denselben Impuls reagiert.



Nachhallzeit ist die Zeit, die der Schalldruck in einem Raum benötigt, um 60 dB oder auf ein Millionstel des ursprünglichen Energieniveaus abzuklingen. Absorptionskoeffizienten werden verwendet, um die Nachhallzeit eines Raums vorherzusagen oder zu planen. Die Nachhallzeit wird gemessen, indem Daten in einem Raum der Antwort auf einen Impuls gesammelt werden. Der Nachhalltest ist eine Messung, die durch die Verwendung von Hard- und Software von National Instruments vereinfacht wird. Die Impulsantwort eines Raumes kann mit Werkzeugen wie dem PXI Sound and Vibration Module erfasst und die Nachhallzeit in Software mit LabVIEW und dem Sound and Vibration Toolkit berechnet werden.