공간 음향 및 잔향 시간

사운드 압력파는 일반적으로 소스에서 모든 방향으로 방출됩니다. 이 그림에는 이러한 파동이 이동했을 수 있는 몇 가지 경로가 나와 있습니다. 사운드파는 표면에서 반사되어 사운드 에너지가 더 적은 결과 파동을 생성합니다. 이 에너지 손실은 사운드파가 반사된 표면의 재질 구성 때문입니다. 파동의 일부 에너지는 재질에 의해 흡수되고, 일부는 재질을 통해 전달되며, 나머지 에너지는 원래 공간으로 반사됩니다. 이로 인해 파동이 여러 표면에서 반사될 때 공간 내 음압이 감쇠됩니다. 이러한 음압 감쇠는 공간의 음향 품질에 매우 중요한 요인이 될 수 있습니다. 방이 음성 또는 의사소통을 목적으로 하는 경우, 음성의 명료성을 유지하기 위해 음압이 빠르게 감쇠되어야 합니다. 이 그림의 수영장과 같은 공간에서 연설하는 사람을 이해하는 것이 얼마나 어려운지 상상해 보십시오.



이제 큰 음악 공연장을 생각해 보겠습니다. 이 공간에서는 음압이 급격히 감쇠하는 것이 이상적이지 않으며, 오히려 느린 감쇠가 바람직합니다. 이렇게 하면 음악을 보완하는 매우 풍부한 사운드가 생성되어, 청중이 집중하는 직접 사운드와 함께 듣기 좋은 음색을 남깁니다. 잔향 사운드의 존재는 음악가가 전체 음악홀을 가득 채우고 청중에게 극적인 경험을 제공할 수 있는 매우 역동적인 공연을 만들 수 있도록 해줍니다.

공간에서 잔향 사운드가 감소하는 데 걸리는 시간의 길이는 공간의 용도에 따라 조정이 필요할 수 있습니다. 이 시간을 측정하는 표준을 잔향 시간이라고 합니다. 잔향 시간은 공간에서 음압이 60데시벨, 즉 원래 에너지 레벨의 100만분의 1로 감쇠하는 데 필요한 시간으로 정의되며, 식 T=0.049V/A로 근사할 수 있습니다. 여기서 T는 초 단위의 잔향 시간입니다. 이 시간을 예로 들면, 잔향 시간은 강의실에서 약 0.6초, 콘서트홀에서 1.5~2초 정도일 수 있습니다. V는 공간의 부피(입방피트 단위)이고, A는 등가 흡음 면적(제곱피트 단위)입니다. 방정식에서 볼 수 있듯이, 흡수가 없는 공간에서는 T가 무한대로 가지만, 실제로 모든 표면은 일정량의 사운드 에너지를 흡수하여 유한한 잔향 시간이 생성됩니다. 차트에서 시간 t0에 발생한 임펄스의 측정된 음압 감쇠를 확인할 수 있습니다. 이 교란이 60 dB만큼 감소하는 데 걸린 시간 T가 해당 공간의 잔향 시간입니다.

이 큐브와 같은 공간이 각각 다른 양의 사운드 에너지를 각 면에서 흡수하는 다양한 재질로 구성되어 있다고 가정해 봅니다. 무한 반사는 모든 사운드파를 반사하는 표면으로 정의되고, 무한 흡수는 모든 사운드를 흡수하는 표면으로 정의됩니다. 예를 들어, 이 큐브 안에 사운드 소스가 놓여 있는 경우, 음압이 빠져나갈 수 있도록 큐브에 뚫린 개구부의 면적은 무한 흡수로 간주됩니다. 큐브의 등가 흡음 면적은 유한한 흡수량을 가진 재질로 구성된 큐브의 면적을 대체할 수 있는 무한 흡수 면적으로 생각할 수 있습니다. 큐브의 각 면의 등가 흡수는 A=Sa로 주어집니다. 여기서 “a”는 재질의 흡수 계수이고 “S”는 재질의 면적(ft^2)입니다. 일부 일반적인 흡수 계수는 나중에 나열될 것입니다. 큐브의 전체 등가 흡수는 공간의 모든 표면의 등가 흡수를 합산하여 구할 수 있습니다. 큐브의 모든 표면의 등가 흡수를 합하면 위 큐브의 면적이 2제곱피트의 개구부와 같음을 알 수 있습니다.



무한 흡수의 1 ft^2는 흡수 단위로 정의됩니다. 따라서 위의 큐브는 2개의 흡수 단위를 포함합니다.

이 표는 일부 일반적인 건축 재료의 흡수 계수 값을 보여줍니다. 이 값의 범위는 0에서 1입니다. 표면이 완벽한 반사체라면 계수는 0이 됩니다. 대리석은 매우 좋은 반사체의 예이며, 흡수 계수가 0에 매우 가깝습니다. 폼 단열재처럼 사운드 에너지를 완전히 흡수하는 재질은 흡수 계수가 1에 가깝습니다. 공간에 사용되는 재질의 다양성을 고려하면 흡수 계수의 차이를 생각해 볼 수 있습니다. 예를 들어, 주로 콘크리트로 마감된 수영장과 석고보드로 마감되고 카펫이 깔린 사무실 공간 또는 도서관의 주변 소음 차이를 생각해 봅시다. 이러한 계수의 값은 노출되는 사운드 소스의 주파수에 따라 달라집니다. 예를 들어, 재질이 높은 주파수 톤에 노출될 경우, 인간의 음성에서 발견되는 상대적으로 낮은 주파수와는 다른 양의 사운드 에너지를 흡수할 수 있습니다.

카펫 바닥과 석고보드 천장 및 벽이 있는 회의실을 생각해 봅시다. 회의실 내에서 음성 명료도가 매우 낮아 문제를 해결하기 위한 조치가 필요했습니다. 이 방은 주로 석고보드와 카펫 바닥으로 구성되었습니다. 잔향 시간과 흡수에 대한 식, 그리고 더 완전한 흡수 계수 표를 사용하면 공간의 잔향 시간을 추정할 수 있습니다. 그러나 잔향 시간의 더 정확한 기준값을 얻으려면 공간에서 몇 가지 측정을 수행해야 합니다.

이 경우 우리는 LabVIEW Sound and Vibration Toolkit과 PXI Sound and Vibration Module을 선택하여 디지털 트리거 시 스파크를 발생시키는 고전압 전극을 사용해 임펄스 테스트를 수행했습니다. 다른 방법으로는 총을 발사하거나, 풍선을 터뜨리거나, 단순히 손뼉을 크게 치는 방법이 있습니다. 소스는 일반적으로 연설자가 위치하는 방 앞쪽에 배치되었습니다. 그런 다음 공간 전체에서 마이크를 사용하여 소스로부터 받은 트리거에 대한 교란의 응답을 수집했습니다. 그 후 PXI Sound and Vibration Module으로 신호를 디지털화한 다음 PC로 전송하여 처리했습니다. 그런 다음 사운드 압력이 60 dB만큼 감소하는 시간을 계산할 수 있습니다. 임펄스 테스트는 공간의 품질에 대한 많은 정보를 제공합니다. 이 경우, 데이터를 사용하여 공간의 잔향 시간을 측정했습니다. 그러나 임펄스 테스트를 통해 문제 있는 반사나 보완이 필요한 반사 부족도 확인할 수 있습니다.

데이터가 수집되면, 음압이 원래 임펄스 대비 60 dB 감쇠하는 지점을 정의합니다. PXI Sound and Vibration Module에서 디지털화된 데이터를 가져오기 위해 DAQmx Read 함수를 사용했습니다. 이 데이터가 처리 가능해지면 SVL Scale Voltage to EU 함수를 사용하여 전압을 파스칼(Pa)로 변환하고, 기본 LabVIEW 함수와 SVT Leq Sound Level VI를 사용하여 사운드 레벨이 60 dB만큼 감쇠하는 데 걸리는 시간을 측정했습니다.

임펄스 테스트 방법을 사용하여 방의 잔향 시간이 약 1.15초임을 확인했습니다. 예상했던 대로, 이 시간은 방의 용도에 비해 너무 깁니다. 이제 훨씬 더 적절한 잔향 시간을 갖는 공간을 설계할 수 있습니다. 잔향 시간에 대한 일반 공식 T = 0.049V/A를 사용하고, 방의 부피가 3600 ft^3임을 고려하면 방의 등가 흡음 면적이 153 ft^2임을 알 수 있습니다. 약 0.6초의 더 바람직한 잔향 시간을 얻으려면 방의 등가 흡음량을 약 294 단위로 늘려야 함을 알 수 있습니다.

일부 공간에서는 천장 반사를 이용해 소리를 공간의 먼 곳까지 전달하므로, 음향 재료 배치 시 천장은 일반적으로 피합니다. 그러나 이 회의실에서는 청취자가 주로 소스의 직접 사운드에 의존하므로 소스를 명확하게 듣기 위해 천장 반사가 필요하지 않습니다. 또한 회의 테이블도 실내 청취자에게 소리를 반사하는 또 다른 표면 역할을 한다는 점을 기억하십시오. 따라서 우리는 천장에 재료를 배치하고 벽은 깔끔하게 유지하기로 했습니다. 흡수 면적을 늘리려면 현재 존재하는 석고보드보다 더 큰 흡수 계수를 가진 재질을 선택해야 합니다. 따라서 0.68 @ 1000 Hz의 흡수 계수를 가진 천장 타일과 같은 일반적인 재질을 선택했습니다. 위에 나열된 것은 잔향 응답이 좋지 않은 공간을 보정할 때 고려해야 할 몇 가지 추가 사항입니다.

300 ft^2의 천공 케인 섬유를 추가하여 이론적으로 방의 총 등가 흡수 면적이 345 ft^2가 되었습니다. 이 수치는 앞서 계산한 294를 초과하므로, 음성 명료도가 확보됩니다. 이제 더 짧은 잔향 시간을 얻기 위해 공간을 수정했으므로 추가 측정이 필요합니다. 금속 프레임에 300 ft^2의 천공 케인 섬유 1”를 추가하여 잔향 시간이 T = 0.61초가 되었습니다. 이 시간은 방의 목적에 이상적입니다. 음향 설계는 완전한 과학이 아니라는 점을 기억하십시오. 계산한 것보다 더 많은 흡수 재료를 추가했기 때문에 잔향 시간이 이보다 더 짧을 것으로 예상했습니다. 또 다른 점은 천장을 낮추면서 방의 구조가 변경되어, 동일한 임펄스에 대한 방의 반응에도 영향을 미쳤다는 것입니다.



잔향 시간은 공간의 음압이 60 dB만큼, 즉 원래 에너지의 100만분의 1로 감쇠하는 데 필요한 시간입니다. 흡수 계수는 원하는 잔향 응답을 가진 공간을 예측하거나 설계하는 데 사용됩니다. 잔향 시간은 임펄스에 대한 응답을 공간 전체에서 데이터로 수집하여 측정합니다. 잔향 시간 테스트는 National Instruments 하드웨어 및 소프트웨어를 사용하여 간단하게 수행할 수 있는 측정입니다. 공간의 임펄스 응답은 PXI Sound and Vibration Module과 같은 도구를 사용해 획득할 수 있으며, LabVIEW 및 Sound and Vibration Toolkit을 사용해 소프트웨어에서 잔향 시간을 계산할 수 있습니다.