Scriptieprijs 2017

Modal Reverberation Time of Room Modes in Small Rectangular Rooms

Enis Ukshini
Onderzoek naar akoestiek gerelateerd aan muziek en subjectieve perceptie geluid. Voornamelijk onderzoek naar laagfrequent geluid (<200 Hz).

Ontwerp van muziekstudio’s: knowhow die ook kan gebruikt worden in de gewone bouwwereld

96Normal021falsefalsefalseNLX-NONEX-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:Standaardtabel; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin:0cm; mso-para-margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:12.0pt; font-family:Calibri; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-fareast-language:EN-US;} 96Normal021falsefalsefalseNLX-NONEX-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:Standaardtabel; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin:0cm; mso-para-margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:12.0pt; font-family:Calibri; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-fareast-language:EN-US;}

Ruimteakoestiek               

Het begon allemaal iets meer dan een eeuw geleden waar een doctoraatsstudent de taak had gekregen een oplossing te vinden voor de nieuwe te lawaaierige aula. Het probleem was namelijk dat wanneer de prof vooraan aan het spreken was, hij helemaal niet verstaanbaar was voor zijn studenten. Dit kwam door het slechte gebouwontwerp. Sabine moest dit probleem oplossen, ofwel was de aula niet bruikbaar. Met behulp van een orgelpijp als geluidsbron definieerde hij in die tijd een nieuw begrip, de nagalmtijd. Dit is de tijdsduur van wanneer een geluidsbron wordt uitgeschakeld tot je dit geluid niet meer kan horen. Door met kussens in deze ruimte te experimenteren die geluid absorbeerden vond hij een formule. Het was het begin van een nieuw onderzoeksdomein: de ruimteakoestiek. 96Normal021falsefalsefalseNLX-NONEX-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:Standaardtabel; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin:0cm; mso-para-margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:12.0pt; font-family:Calibri; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-fareast-language:EN-US;}

Diffuus – niet-diffuus geluidsveld 

96Normal021falsefalsefalseNLX-NONEX-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:Standaardtabel; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin:0cm; mso-para-margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:12.0pt; font-family:Calibri; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-fareast-language:EN-US;} De formule van Sabine is heden den dag zeer belangrijk bij het akoestisch ontwerp van muziekstudio’s en concertzalen. Er is wel een voorwaarde aan gekoppeld opdat de formule gebruikt mag worden. De formule van Sabine is enkel toepasbaar in een diffuus geluidsveld. Dit betekent dat de geluidsdruk in de ruimte overal hetzelfde is. Voor ruimtes met een groot volume (10.000 – 30.000 m3) kan het geluidsveld als diffuus beschouwd worden. Voor kleinere ruimtes is dit minder voor waar te nemen omdat de invloed van staande golven veel groter wordt. Doordat het geluid wordt opgewekt in gesloten ruimtes, kunnen de geluidsgolven reflecteren tegen muren, vloeren en plafonds waardoor de golven met mekaar kunnen interfereren. Zo ontstaan er staande golfpatronen of “room modes” in de kamer. Op sommige posities hoor je hierdoor een veel sterker geluid waar op andere posities je dit geluid helemaal niet zult horen. De geluidsdruk is dus helemaal niet meer overal hetzelfde! Dit is te zien in Afbeelding 1. Het is voornamelijk bij de lage frequenties tot 200 Hz (geluid van bassen, drums, …) waar het probleem zich voordoet en waar deze patronen waarneembaar zijn.

Afbeelding 1: Staande golven – De geluidsdruk is niet overal hetzelfde. Afhankelijk van waar de luisteraar zich bevindt zal hij andere tonen waarnemen. Beweegt de man zich iets meer naar achter zal hij de oranje toon niet meer horen. De paarse toon zal hij daarentegen dan weer luider waarnemen. [Bron: zie thesis]

96Normal021falsefalsefalseNLX-NONEX-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:Standaardtabel; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin:0cm; mso-para-margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:12.0pt; font-family:Calibri; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-fareast-language:EN-US;}

Dit betekent dus dat in de ruimteakoestiek van kleine ruimtes zoals muziek- , radio- en opnamestudio’s eigenmodes (“room modes”) de doorslaggevende rol spelen in het akoestisch ontwerp, waarbij sommige noten dus veel luider klinken dan andere.

Hierdoor krijg je telkens een verkleuring van de originele muziek door de kamer. Geluidsingenieurs moeten ervoor zorgen dat de geproduceerde muziek goed klinkt in alle afgesloten ruimtes. Dus als deze kritieke luisterkamers niet goed akoestisch behandeld worden, wordt het erg moeilijk om deze doelen te bereiken. 

96Normal021falsefalsefalseNLX-NONEX-NONE /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:Standaardtabel; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin:0cm; mso-para-margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:12.0pt; font-family:Calibri; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-fareast-language:EN-US;} Een oplossing: de modale nagalmtijd

Als je nu zou kunnen weten hoe groot deze verkleuring is, dat zou pas handig zijn! Om rekening te kunnen houden met deze modes in het akoestisch ontwerp is er onderzoek gedaan naar een onlangs theoretisch voorgesteld model van J.H. Rindel (2016) die voorspellingen doet in een niet diffuus geluidsveld. Zo bepaalt de modale nagalmtijd voor elke staande golf hoe lang deze nog blijft klinken nadat de geluidsbron is uitgezet zonder dit te gaan opmeten. De modale energie analyse daarentegen voorspelt het geluidsveld van een kamer bij de lage frequenties (<200 Hz). Dit is zeer interessant omdat heden laagfrequent geluid in het algemeen een actueel en hot topic is.

Het hoofddoel van deze thesis was om het gebruik van beide modellen te verifiëren en verder te ontwikkelen aan de hand van uitgevoerde metingen zodat deze modellen kunnen gebruikt worden in het akoestisch ontwerp van kleine kamers.

Hiervoor zijn impulsantwoorden opgemeten in een muziekpraktijkkamer die de akoestische karakteristiek van de kamer weergeeft. Bovendien is op de gemeten nagalmtijden een zeer fijn filteringsproces toegepast om de resultaten zo goed mogelijk met mekaar te vergelijken.

Inzicht in laagfrequent geluid: eindelijk!

De resultaten van de modale energie analyse hebben aangetoond dat er een goede overeenstemming is met de metingen in de muziekpraktijkkamer wanneer willekeurige absorptie coëfficiënten werden gekozen. Bij het callibreren van de modale energie analyse met de meer correcte absorptie coëfficiënten van de kamer werd echter een groot verschil opgemerkt met de meting vanaf een bepaalde frequentie. Door de toepassing van zeer fijne filters in de akoestische analyse kon de overgang van het diffuus geluidsveld naar een niet diffuus veld opgemerkt worden. De overgangsfrequentie bleek dezelfde te zijn als de frequentie waar het grote verschil tussen meting en theorie was waargenomen. Dit was dus de verklaring voor de slechte correlatie boven deze frequentie. Verder werd een hoge correlatie gevonden tussen de theorie van de modale nagalmtijd en de metingen.

De bevindingen van deze studie hebben een aantal belangrijke implicaties voor het ontwerpen van kleine kamers. De resultaten benadrukte het potentieel om beide modellen te gebruiken in het akoestisch ontwerp van muziekpraktijkkamers, muziekstudio's, enz. Verder onderzoek is belangrijk om beide modellen te verbeteren.

Daarnaast zouden de modellen algemeen kunnen gebruikt worden in het bepalen van correcte absorptiecoëfficiënten van materialen bij lage frequenties (<125 Hz). De resultaten van de technische fiches zijn momenteel gelimiteerd tot ongeveer 100 Hz. De betrouwbaarheid van het resultaat is laag doordat de berekeningswijze aanneemt dat het geluidsveld bij deze lage frequenties diffuus is. De modellen die initieel bedoeld zijn voor muzikale akoestiek kunnen hierdoor toch een extra toepassing vinden in de bredere bouwwereld. 

 

Bibliografie

Normal 0 21 false false false NL X-NONE MN-MONG-CN /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:Standaardtabel; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin:0cm; mso-para-margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:12.0pt; font-family:"Century Schoolbook"; mso-ascii-font-family:"Century Schoolbook"; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:"Century Schoolbook"; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-fareast-language:EN-US;}

ADDIN Mendeley Bibliography CSL_BIBLIOGRAPHY [1]      H. Kuttruff, Room Acoustics, Fifth Edit. Spon Press, 2009.

[2]      C. Glorieux and J. Wouters, “Golven en geluid,” 7th ed., Acco, 2015, p. 349.

[3]      “Sound propagation.” [Online]. Available: http://gershwin.akustik.rwth-aachen.de/ITApp/app-sound-propagation.

[4]      “Standing waves in rooms.” [Online]. Available: https://macprovid.vo.llnwd.net/o43/hub/media/1130/10073/Fig_2.png.

[5]      G. Elert, “Standing waves,” 2017. [Online]. Available: https://physics.info/waves-standing/.

[6]      M. Stephenson, “Assessing the quality of low frequency audio reproduction in critical listening spaces,” University of Salford, 2012.

[7]      P. M. C. Morse, Vibration and sound, 1st ed. McGraw-Hill New York, 1936.

[8]      L. E. Kinsler, A. R. Frey, A. . Coppens, and J. V. Sanders, Fundamentals of acoustics, 4th ed. John Wiley & Sons, 2000.

[9]      P. Newell, Recording Studio Design, Second Edi. Elsevier Ltd, 2008.

[10]   R. H. Bolt, “Normal Modes of Vibration in Room Acoustics: Angular Distribution Theory,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 11(1), pp. 74–79, 1939.

[11]   J. H. Rindel, “Modal energy analysis of nearly rectangular rooms at low frequencies,” Acta Acust. united with Acust., vol. 101, no. 6, pp. 1211–1221, 2015.

[12]   M. Vorländer, Auralization, First Edit. Springer Verlag, 2008.

[13]   P. Sas, “Introduction to active noise control,” Antwerp, 2017.

[14]   L. L. Beranek, “Subjective rank-orderings and acoustical measurements for fifty-eight concert halls,” Acta Acust., vol. 89, no. 3, pp. 494–508, 2003.

[15]   ISO3382-1:2009, “Acoustics - Measurement of room acoustic parameters - Part 1: Performance spaces. International Standardization Organization,” 2009.

[16]   W. C. Sabine, “Collected papers on acoustics,” p. Peninsula Los Altos, 1915.

[17]   T. J. Cox and P. D’Antonio, Acoustic Absorbers and Diffusers, Fifth Edit. Taylor & Francis, 2009.

[18]   C. F. Eyring, “Reverberation time in ‘dead’ rooms,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 1.

[19]   M. R. Schroeder, “The ‘Schroeder Frequency’ Revisited,” J. Acoust. Soc. Am., no. 99(5), pp. 3240–3241, 1996.

[20]   M. R. Schroeder, “New method of measuring reverberation time,” J. Acoust. Soc. Am., no. 37:409, 1965.

[21]   J. H. Rindel, “A Note on Modal Reverberation Times in Rectangular Rooms,” Acta Acust. united with Acust., vol. 102, no. 3, pp. 600–603, 2016.

[22]   RWTH Aachen University, “A Matlab Toolbox for Acoustics,” 2017. [Online]. Available: http://www.ita-toolbox.org.

[23]   Y. Liu and F. Jacobsen, “Measurement of absorption with a p-u sound intensity probe in an impedance tube,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 118, no. 4, pp. 2117–2120, 2005.

[24]   K. Kimura and K. Yamamoto, “A method for measuring oblique incidence absorption coefficient of absorptive panels by stretched pulse technique,” Appl. Acoust., vol. 62, no. 6, pp. 617–632, 2001.

[25]   A. S. of America, “Typical absorption coefficients.” [Online]. Available: http://acousticalsociety.org/about_acoustics/acoustics_of_classrooms.

Universiteit of Hogeschool
Industrieel ingenieur - bouwkunde
Publicatiejaar
2017
Promotor
Cedric Vuye
Kernwoorden