MAK 4026 SES ve GÜRÜLTÜ KONTROLÜ 6. Hafta Oda Akustiği
Sesin Oda İçerisinde Yayınımı Akustik olarak sesin odada yayınımı için, sesin dalga boyunun hacmin boyutlarına göre oldukça küçük olması gerekmektedir. Sesin odada yayınımı sırasında alıcıya iki farklı ses ulaşır: 1) Direkt Ses 2) Yansıyan Ses
Hava Yutumu (Air Absorption) Ses hava içerisinde yayınırken enerjisi yutulur. Yutulan enerji, sesin frekansına ve havadaki nem miktarına bağlıdır. Hava sıcaklığı da yutumu etkiler. Şekilde, 20 C deki hava yutumunun frekansla artışı ve nem oranı ile değişimi görülmektedir. Düşey eksen m ile gösterilen ve birimi (1/metre) olan havanın enerji yutum sabitidir. 1000 Hz in altındaki frekanslar için hava yutumu önemli olmayıp ihmal edilebilir.
Havanın enerji yutum sabiti
Yüzey Yutumu (Surface Absorbtion) Ses, ortamdaki yüzeylerden yansıması sırasında da yutuma uğrar. Sesin yutulma miktarı yüzeyin ses yutma katsayısı ile orantılıdır. E i enerjisine sahip ses dalgası, bir yüzeye çarptığında yansıyan enerji miktarı: E r E (1 i ) olarak ifade edilir. Burada, α:ses yutma katsayısıdır.
Malzemelerin Ses Yutma Katsayıları Malzemelerin ses yutma katsayılarını ölçmek için durağan dalga metodu, yankı odası metodu gibi farklı yöntemler kullanılabilir. Ses yutma katsayısı frekansa göre değişir. Tablo da farklı malzemelerin frekansa göre değişen ses yutma katsayıları verilmiştir. Şekil de ise bir köpük malzemesinin ses yutma katsayısının frekansa göre değişim grafiği verilmiştir.
Ses yutma katsayısı Bir köpük malzemenin ses yutma katsayısı Frekans (Hz)
Yankı Süresi Yankı süresi bir odanın ses enerji tüketim özelliğini gösteren önemli bir parametredir. Akustik tasarımcılar, odaların kullanım amaçlarına göre sesin en uygun şekilde anlaşılabilirliğini sağlamak için genellikle yankı sürelerini esas alırlar. Oda içerisinde bir ses kaynağının çalıştığını düşünelim. Kaynaktaki ses yayınımı kesildiğinde oda içerisindeki ses, odanın enerji yutum özelliğine bağlı olarak zamanla azalacaktır. Bu durumda odadaki sesin sönümü, yankı süresi ile ifade edilir.
Yankı Süresi Standart olarak, oda içerisindeki bir ses kaynağının veya anlık bir sesin yayınımı kesildikten sonra oda içerisindeki ses basınç düzeyinin 60 db düşme süresi olarak tanımlanır. Bu süre literatürde RT 60 veya T 60 ile gösterilir. Frekansa göre değişiklik gösterir. Yankı süresi, ölçülen odanın hacmi ile doğru, oda içerisindeki malzemelerin sönümüyle ters orantılıdır.
Yankı sürelerinin etkileri Ölü Ses, duyma güçlüğü ve bass seslerin duyulamaması * Paris teki ünlü tarihi katedral ** Katedrallerde çalınan, klavye yardımıyla yönlendirilen bir enstrüman
Yankı süreleri için ampirik yaklaşımlar Odaların akustik tasarımları sırasında yankı sürelerini tahmini olarak belirleyebilmek için çeşitli ampirik yaklaşımlar kullanılır. Bu yaklaşımlar genellikle odaların ortalama ses yutma katsayılarını baz alarak frekansa bağlı yankı süreleri verirler. Ortalama ses yutma katsayısı, oda içerisinde bulunan her bir yutucunun ses yutma katsayıları ( i ) ve yüzey alanları (S i ) cinsinden şu şekilde belirlenir: i i S i S i i
Yankı süreleri için ampirik yaklaşımlar 1. Sabine Yaklaşımı: Ortalama ses yutma katsayısının düşük olması durumunda ( 0,2), Sabine yaklaşımı kullanılabilir. Sabine, bir odadaki sesin sürekli olarak azaldığını kabul eder. 2. Eyring Yaklaşımı Eyring yaklaşımı daha yüksek yutum özelliğine sahip odalar için uygundur. Eyring, bir odadaki sesin yansımalarla birlikte kesikli olarak azaldığını kabul eder.
Yankı Süresi Sabine Formülü 0,161V T 60 (s) A A S S i i Eyring Formülü i V: Oda hacmi (m 3 ) A: Oda yüzeylerinin ses yutum alanı (m 2 ) (metrik Sabine) S i : i. Yüzeyin alanı (m 2 ) 0,161: Ampirik bir sabit (s/m) T 60 0,161V Sln(1 ) (s) Sabine ln 1 Eyring ( )
Yankı Süresi-Hava Yutum Etkisinin Eklenmesi Odanın çok büyük olması durumunda havanın ses yutma etkisinin de hesaba katılması gerekir. Sabine yaklaşımına göre T 60 0,161V A 4mV (s) Geniş odalarda 1000 Hz in altında ve küçük odalarda havanın, yankı süresine etkisi ihmal edilebilir.
Oda Sabiti Sabine yaklaşımına göre: R S 1 Oda sabitinin küçük değerleri fazla yankıyı, büyük değerleri ise az yankıyı ifade eder. Denklemden görüleceği gibi, oda içindeki toplam yutma yüzey alanı veya ortalama ses yutumu katsayısının artırılması oda sabiti değerini yükseltir. Yutma yüzey alanının yükseltilmesi oda boyutlarını artırarak gerçekleştiriliyorsa hacim artışı nedeniyle yankı süresinin de artacağı göz önünde bulundurulmalıdır. R>5000 (Serbest alan koşulu sağlanmaktadır)
Yankı Sürelerine Örnekler Değişik amaçlar için kullanılan salon ve odalarda en iyi işitme olanağını verecek yankı süreleri Şekil de verilmiştir. Bu eğriler 500 Hz için belirlenmiştir. Farklı frekanslardaki yankı sürelerini bulmak için T f /T 500 oranını veren Şekil kullanılır. T 500, 500 Hz deki yankı süresi, T f istenilen frekanstaki yankı süresidir.
500 Hz de değişik odaların yankı süreleri
Diğer frekanslardaki yankı sürelerinin belirlenmesi için Tf/T500 Oranları
Bir Odanın Normal Modları Bir odada, bir boruda tek yönde oluşabilen durağan dalga, üç yönde oluşabilmektedir. Bu olay, oda boyutlarına ve sesin frekansına bağlı olarak gelen ve yansıyan dalganın aynı fazda oluşarak birbirlerini güçlendirmesi ve bir rezonans durumu ortaya çıkarmasıdır. Bir odanın normal titreşim modları; f n 2 2 2 ny nz c nx 2 lx l y lz nx, ny, nz = tamsayılar 0,1,2,, l x, l y, l z : oda boyutları c: ses hızı
Örnek - 1 10 m x 5 m x 2.4 m boyutlarındaki bir odanın yüzeylerinin ses yutma katsayısı 0,05 dir. a. Yankı süresini hesaplayınız. b. Odanın 50 m 2 lik yüzeyine ses yutma katsayısı 0,9 olan bir malzeme yerleştirildiğinde odanın yankı süresini hesaplayınız. Not: Hava yutumunu ihmal ederek, Sabine yaklaşımını kullanınız.
Odanın hacmi: Örnek - 1 - çözüm 3 V 10 5 2,4 120 m Odanın yüzey alanı: ( ) 2 S 2 10 5 10 2, 4 5 2, 4 172 m a. b. T T 60 60 T 60 60 i 0,161V 0,161 120 A 172 0, 05 2, 25s i Si i 50 0, 9 (172 50) 0, 05 S 172 i 0,297 0,161V 0,161 120 A 172 0, 297 T 0,378s
Şartlandırılmış Özel Akustik Odalar Makine, cihaz veya ekipmanların akustik karakteristiklerinin belirlenebilmesi için ölçümlerin, şartlandırılmış özel akustik odalarda gerçekleştirilmesi gerekir. Şartlandırılmış odalar, teorik koşulların, pratik olarak sağlandığı odalar olarak da ifade edilebilir. Bu odalar: 1. Yankısız (Çınlamasız) Yarı Yankısız oda (Anechoic, Semi-anechoic room) 2. Yankı odası (Reverberation room) 3. Kaynak ve Alıcı odası (Source and Receiver room)
Akustik serbest alanda kaynaktan olan uzaklık iki kat arttığında ses düzeyinde 6 db lik azalma beklenir. Yankısız Odalar Yankısız odalar özel duvar yapıları sayesinde odanın içerisindeki ses kaynağından gelen sesi (yaklaşık) tam olarak yutan odalardır. Odanın dışından gelen sesleri engellemek amacıyla çok iyi yalıtılmalıdır. Bu tipteki odalar akustik serbest alanı simule ederler.
Yankısız Odalar Yankısız odaların karakteristikleri frekansa bağlı olarak değişir. Yankısız bir odada ses ölçümü yapılabilecek en küçük frekans sınır frekansı (cut-off frequency) olarak isimlendirilir. Sınır frekansı değeri öncelikle uzak alan koşullarını sağlayacak şekilde oda boyutları tarafından belirlenir. R oda uzunluğu, L kaynak uzunluğu olmak üzere, Noktasal ses kaynakları (Lmax << ) için: R>> Yayılı ses kaynakları (Lmax >> ) için: R/ >> (L/ )^2 koşullarını sağlayan en küçük frekans (f= c/ ) odanın sınır frekansı olarak belirlenir.
Yankısız ve Yarı-Yankısız Odalar İki çeşit yankısız oda tipi mevcuttur. 1. Yankısız oda 2. Yarı-Yankısız oda Yarı-yankısız odaların, yankısız odalardan tek farkı zeminin yansıtıcı özellikte olmasıdır. Bu nedenle yarı-yankısız odalarda kaynaktan olan uzaklık iki kat arttığında ses düzeyinde 6 db lik azalma sağlanamaz. Yandaki tabloda bir odanın yankısız veya yarı-yankısız olması için kaynaktan olan uzaklık iki kat arttığında müsaade edilen ses düzeyi farkı gösterilmektedir.
Yankısız ve Yarı-Yankısız Odalar Yankısız odaların tüm iç yüzeyleri, yarı-yankısız odaların ise taban dışındaki yüzeyleri, kanat/kama (fin/wedge) biçimi verilmiş ses yutucu malzemeler ile kaplanır. Bunun amacı, serbest alan koşulunu sağlayacak şekilde yutucu yüzey alanını artırmaktır. Kamaların uzunluğu, odada ölçüm yapılacak en düşük frekansın dalga boyunun en az 1/4 ü kadar olmalıdır. Odanın sınır frekansının belirlenmesinde ikincil etken kama boyutudur.
Yankısız ve Yarı-Yankısız Odalar Belirli boyutlardaki ses kaynakları için kullanılacak yankısız, yarı yankısız odaların boyutları yaklaşık olarak şu şekilde hesaplanabilir: Yankısız odalar için: λ L veya W veya H T1 2 (metre) 2 T 1 : Ses kaynağının maksimum uzunluğu veya yüksekliği veya derinliğidir. Yarı-Yankısız odalar için maksimum yükseklik: λ H T2 2 (metre) 2 T 2 : Ses kaynağının maksimum yüksekliğidir.
Yankısız ve Yarı-Yankısız Odalar Bu tip odaların titreşim ve ses yalıtımının sağlanması için genellikle oda içinde oda (room in room) yapılır.
Yankısız ve Yarı-Yankısız Odaların Kullanım Alanları Ses kaynaklarının ses gücü düzeylerinin belirlenmesi Ses kaynaklarının yönselliğinin belirlenmesi Ses kaynaklarının ses basınç düzeylerinin ölçülmesi Standartlara uygun olarak yapılan diğer ölçümler
Yankı Odaları Yankı odaları sert, paralel olmayabilen duvar yapıları ve gerektiğinde eklenen özel yansıtıcı donanımları ile durağan dalga oluşumlarını minimize ederek, odanın içerisindeki ses kaynağından gelen sesin tamamen yansıtılması ilkesine göre tasarlanır. Yankı odalarında yayılı alan teorisinin sağlandığı kabul edilir. Odanın dışından gelen sesleri engellemek amacıyla çok iyi yalıtılmalıdır. Bu tipteki odalar akustik yankı alanını simule ederler. Yankı odalarında ses basınç düzeyinin düşmesi beklenmez.
Yankı Odaları Ölçümü yapılan ses kaynağına en yakın olan yüzeyin (zemin olması muhtemeldir) ses yutma katsayısı (α) 0.06 dan büyük olmamalıdır. Oda içerisinde kalan diğer yüzeyler yüksek seviyede yansıtıcı özellikte olmalıdırlar.
Yayılı Alan Teorisi Oda akustiğinde en çok kullanılan teorik modellerden biri yayılı alan teorisidir. Bir oda içerisindeki ses alanının yayılı olduğunu söylemek için odanın şu şartları sağlaması gerekir: 1. Oda içerisindeki ses basınç düzeyi (uygulamada ortalama değer) değişmemelidir. 2. Sesin şiddeti (yeğinliği) alıcının konumuna göre değişmemelidir. Yayılı alan teorisi, uygulamada yalnızca yankı odalarında yaklaşık olarak sağlanmaktadır.
Yankı Odaları Bu tip odaların özellikleri: Alt sınır frekansı odanın hacmine göre değişir. Alt sınır frekansı [Hz] Hacim [m 3 ] 100 200 125 150 160 100 200 70 Oda hacminin büyüklüğünde de bir sınır vardır. Sesin hava içerisindeki yutumu ve yüksek frekanslarda da ölçüm alınması gerekliliğinden dolayı oda hacminin 300 m 3 ten büyük olması istenmez. Oda içerisindeki ses kaynağının hacmi, oda hacminin %2 sinden büyük olmamalıdır.
Yankı Odaları Oda içerisindeki yankı süresi odanın hacminin (V, m 3 ), toplam yüzey alanına (S, m 2 ) oranından büyük olmalıdır. (T 60 > V/S). Bir yankı odasında yeterli miktarda yayılı alan sağlanması için bağıntısından hesaplanan bir alt sınır frekansının üzerindeki frekanslarda ölçüm yapmak gereklidir.
Bir yankı odası ve kaynak mikrofon uzaklıkları Sabit Yansıtıcı >1m Dönel yansıtıcılar d min Mikrofon >0.5 m Kaynak >1m
Yankı Odalarının Kullanım Alanları Ses kaynaklarının ses gücü düzeylerinin belirlenmesi Malzemelerin ses yutma katsayılarının ( ) belirlenmesi
Kaynak-Alıcı Odaları Bu odaların tasarımı sırasında yankı odaları örnek alınır. Bu nedenle bu odalarda da yayılı alan teorisi geçerlidir. Bu iki oda ortak bir yüzey içerir ve test edilecek numune bu ortak yüzeyin bir kısmına monte edilir. Malzemelerin iletim kaybı, gürültü azaltımı ve eklenti kaybı değerleri ölçülebilir.