Hur förståelsen för akustik ändrades av sittkuddar

Epidaurus

Under årtusenden försökte dåtidens vetenskapsmän ta reda på hur byggnadsakustik beter sig. Omkring 350 f.Kr. fanns en grekisk skulptör och arkitekt, Polykleitos den yngre, som fick i uppdrag att utforma en amfiteater med 6 000 platser i Epidaurus, Grekland, som byggdes i två faser, en under 300-talet f.Kr. och den andra under mitten av 1000-talet.

Detta var ett massivt projekt med 14 000 platser som var uppdelat i två sektioner: de nedre raderna var för högt rankade samhällsmedlemmar och platserna längre upp var för alla andra. Men hur kunde åskådarna på platserna högre upp höra föreläsningen från scenen, som var 60 meter nedanför?

Först år 2007 kunde två belgiska forskare från Georgia Institute of Technology avslöja en del av dess akustiska mysterium. Det visade sig att det finns en tanke bakom den korrugerade formen och det steniga materialet på sittplatserna som visar sig fungera som ett filter för ljudet som kommer från orkestern [1]. Teatern byggdes med specifika former och dimensioner som styrs av de matematiska principerna som påverkas av Pythagoras filosofi.

Idag är det en av de bäst bevarade teatrarna i sitt slag i världen.

En intressant fråga som jag alltid har ställt mig själv är: "Visste arkitekten Polykleitos den yngre om teaterns akustiska förmåga eller var det bara en tillfällighet?" Tja, ordet "akustik" härstammar från det grekiska ordet ἀκουστικός (akoustikos), vilket betyder "av eller för hörsel, redo att höra" [2]. Så är Polykleitus den yngre grundaren av vetenskapen om akustik? Tro det eller ej, men på det fick vi vänta ytterligare 2.300 år.

Musik komponerad för scenkonst

Ända från Polykletius den yngres tid och ända fram till 1895 var det många vetenskapsmän som arbetade med teorin om ljud, ljudvågor, resonatorer och frekvenser. Arkitektonisk akustik, eller mer specifikt, rumsakustik, var inte riktigt ”upptäckt” av tidens vetenskapsmän.

Det var faktiskt kompositörerna som insåg akustikens betydelse i ett rum eller utrymme, vilket fick dem att komponera musik som var skräddarsydd för rummet där den framfördes och inte tvärtom. Till exempel “Toccata and Fugue in D Minor” [3], skriven av Johann Sebastian Bach, är en musikalisk komposition som är skriven för orgel, vilket är perfekt för en katedral med en genomsnittlig efterklangstid på 5 sekunder. Sen har vi Mozart, som komponerade musik som skulle framföras i möblerade rum. Många av operorna han skrev låter allra bäst i rum med en efterklangstid på 1,00 - 1,30 sekunder [4].

Så varför började de inte utforma rum och konserthus med optimal rumakustik? Akustikvetenskapen ansågs fortfarande vara en mystisk kombination av många olika och odefinierbara faktorer. Men allt det förändrades i slutet av 1800-talet.

Introduktion av Wallace Sabine

Det var året 1895 som en ung amerikansk assistent i fysik vid Harvard University, vid namn Wallace Clement Sabine, ombads att lösa ett svårt problem i Fogg-föreläsningssalen i Harvards nyligen byggda Fogg Art Museum. Problemet med universitetets föreläsningssal var att det var alltför mycket efterklang. Sabine, som inte hade fått sin doktorsexamen och inte hade någon speciell kunskap om ljud, fick uppdraget att förbättra den ökända dåliga akustiken i salen. Det ansågs i allmänhet omöjligt, men Sabine föresatte sig att ta reda på vad som gjorde Fogg-föreläsningssalen så annorlunda än andra akustiskt acceptabla utrymmen.

Sabine noterade att när någon talade i Fogg-föreläsningssalen hördes ljudet av rösten i 5,5 sekunder, även vid normal konversationsnivå. Du kan föreställa dig hur svårt detta gjorde det att förstå vad talaren sa.

Sabine triggades av det faktum att på campus vid Harvard University fanns en annan föreläsningssal med knappast några klagomål om akustiken - Sanders Theatre. Den hade samma akustiskt komplexa form som Fogg-föreläsningssalen. Dess kapacitet var tre gånger högre och den hade 700 fler platser. Det var dock en signifikant skillnad, sätena på Sanders Theatre hade kuddar.

Sittkuddar

I stället för att förbättra akustiken fokuserade han sin undersökning på kuddarnas ljudabsorberande egenskaper. Det var inte en lätt uppgift eftersom så många variabler måste tas med i beräkningen. Tillsammans med sina assistenter flyttade han sittdynorna från Sanders Theatre in i Fogg-föreläsningssalen och märkte att ljudförhållandena i hallen förändrades. Han tog många olika mätningar med endast ett orgelrör och ett stoppur och lyssnade på hur lång tid det tog för ljudet att förfalla. Sabine utförde de flesta av sina experiment mitt på natten så att han kunde kontrollera bakgrundsljud, vilket skulle störa hans mätningar. Vid någon tidpunkt fann han till och med att resultatet av mätningarna var annorlunda på grund av de olika kläderna han hade på sig. För de återstående testerna hade han samma outfit.

Under en treårsperiod tog Sabine tusentals mätningar med hundratals sittdynor. Han gjorde också mätningar i de andra salarna vid Harvard's University och använde andra material som mattor.

Äntligen har jag kommit på det!

Med så mycket data som samlades in såg Sabine på förhållandet mellan akustisk kvalitet, hallstorlek och mängden absorptionsytor, men han visste inte hur man satte ihop alla pusselbitarna. Plötsligt i ett tydligt ögonblick sa han: "Jag har äntligen hittat det!" [5].

Vad Sabine fann var att när han plottade mängden Sanders Theatre sittdynor (x) jämfört med motsvarande efterklangstid för ett rum (y) var den resulterande grafen en rektangulär hyperbol, en standardmatematisk kurva som kännetecknades av ekvationen xy = k, där k är konstanten [5]. Han insåg att hans upptäckt av det hyperboliska förhållandet var ett genombrott för hans förståelse av efterklang.

Rumsakustikens fader

Ljud, som är energi, en gång producerat i ett begränsat utrymme, fortsätter tills det antingen överförs av en gränsvägg eller omvandlas till någon annan typ av energi, i allmänhet värme. Förfallsprocessen kallas: absorption [6].

Denna störning från absorption kan betraktas som en process med flera reflektioner från väggarna, taket och från golvet. Först från en och en annan, förlorar en del av sin styrka vid varje reflektion, tills i slutändan, ohörbar. Detta kallas efterklang [6].

Han definierade efterklangstiden som "antalet sekunder som det tar för den efterklangiga ljudenergin att förfalla 60 dB från den ursprungliga ljudsignalen".

Slutresultatet av Sabines undersökning var ekvationen, T = 0,161 V / A

T              = efterklangstid (sekunder)

0.161       = hyperbolskonstant

V              = rumsvolym (kubikmeter)

A              = equivalent absorptionsyta (kvadratmeter)

Detta blev Sabine Formula som fortfarande används för arkitektonisk akustik idag. Så småningom blev Sabine dekan för Harvards Graduate School of Applied Science från 1906 till 1915. År 1919, 50 år gammal, dog Sabine på sjukhuset av komplikationer efter operationen.

Sedan hans död har Architectural Acoustics accelererat tills vi är idag, och Sabine är allmänt erkänd som rumsakustikens fader.

Myter om rumsakustik

Nu när vi vet mer om vetenskapen bakom rumsakustik kan vi avslöja några myter.

Myt: Du kan höra ett mynt släppa från de bakre raderna i Epidaurus Theatre.

År 2017 kartlade forskare från University of Technology i Eindhoven de akustiska egenskaperna hos Epidaurus-teatern. Resultaten av forskningen visade att teaterens ljudkvalitet är bra men inte så imponerande som många reseguider hävdar. Ljudet av att ett mynt släpps kan bara kännas igen som ett mynt som släpps halvvägs upp i sätesraderna [7].

Myt: Rumakustik är bara viktigt i prestationsorienterade stora utrymmen

Först måste vi fråga oss själva “varför är akustik så viktigt?”. Akustik associeras ofta med konserthus, inspelningsstudior och föreläsningssalar. På dessa platser är akustik en kritisk aspekt, men bra rumsakustik förbättrar också människors välbefinnande, det ökar produktiviteten på jobbet, det förbättrar lärandet i skolan och det minskar återhämtningstiden på sjukhus. Jag tror att de flesta kan relatera till obehagligt höga utrymmen som restauranger, spinningpass

eller till och med ditt eget vardagsrum. Så det är viktigt att titta på att förbättra den akustiska miljön i varje rum där vi bor, sover, arbetar, läker och tillbringar vår fritid.

Myth: Just add carpets and curtains for great sound in your home.

Myt: Lägg bara till mattor och gardiner för bra ljud i ditt hem.

Att förbättra rumsakustiken hemma kan innebära en trevligare miljö och mer njutning när du vill titta på filmer på tv, lyssna på musik på radion eller helt enkelt äta middag med vänner eller familj. Men till exempel att lägga till en matta och gardiner i ditt vardagsrum är inte en komplett akustisk lösning. Detta beror på deras begränsade ytarea och mestadels låga ljudabsorberande egenskaper jämfört med en akustisk taklösning. Vi har flera höga ljudabsorberande akustiska takdesigner för vardagsrum för att ge optimal akustik.

Rumsakustikens komplexitet

Vetenskapen om rumakustik är mycket komplex. Du kan fylla i några siffror i en online-rumsakustikräknare, men det är bara början. Det kräver analys av rummets dimensioner, dess form och takhöjd. Vad är utrymmets design? Hur många människor upptar det och vilken typ av aktivitet händer där?

Ljudabsorberande väggpaneler i kombination med heltäckande undertak är ofta nödvändiga för att uppfylla de akustiska kraven. Sätt detta ihop med vetenskapen om arkitektonisk akustik och det blir ännu mer komplicerat.

Jag undrar om Sabine visste vad han började när han rörde sig runt alla dessa kuddar ...

För att uppnå bra akustik och få människor att må bättre, kan olika lösningar appliceras och installeras. På Rockfon är vi experter på att skapa utrymmen som låter bra för alla.