Miten istuinpehmusteet muuttivat käsitystä akustiikasta

12 kesäkuuta 2020

Tiedemiehet yrittivät monta vuotta selvittää, miten rakennusakustiikka toimii. Todellinen läpimurto tapahtui 1800-luvun lopussa, kun 27-vuotias Harvardin yliopiston professori sai tehtävän, joka muutti akustiikan historian.

general illustration, people, meeting, meeting room, office

Epidauros

Tutkijat yrittivät vuosituhansien ajan selvittää, miten rakennusakustiikka toimii. Noin vuonna 350 eKr. eli kreikkalainen kuvanveistäjä ja arkkitehti Polykleitos nuorempi. Hänen tehtävänä oli suunnitella 6000 istuimen amfiteatteri Kreikan Epidauroksessa. Se rakennettiin kahdessa vaiheessa, yksi 4. vuosisadalla eaa. ja toinen 2. vuosisadan puolivälissä.

Teatteri oli valtava projekti. Siellä oli 14 000 paikkaa ja ne jaettiin kahteen osaan: alemmat rivit olivat korkean tason yhteiskunnan jäseniä varten ja kauimmat rivit kaikille muille. Mutta kuinka kaukaisimpien rivien katsojat voisivat kuulla luennon lavalta, joka oli 60 metriä katsojia alempana?

Vuonna 2007 kaksi belgialaista tutkijaa Georgian teknologiainstituutista pystyivät selvittämään hieman tätä akustista mysteeriä. He saivat selville, että istuimien aaltomainen muoto ja kivinen materiaali toimivat suodattimena orkesterista tulevalle äänelle[1]. Teatteri rakennettiin tietyillä muodoilla ja mitoilla. Niitä ohjaavat matemaattiset periaatteet, joihin pythagoralainen filosofia vaikuttaa.

Tänä päivänä se on yksi maailman parhaiten säilyneistä teattereista.

Mielenkiintoinen kysymys on: "Tiesikö arkkitehti Polykleitos nuorempi teatterin akustisista ominaisuuksista vai oliko se vain sattumaa?" Sana "akustiikka" on peräisin kreikkalaisesta sanasta ἀκουστικός (akoustikos), joka tarkoittaa "kuuloa varten tai valmiina kuulemaan"[2]. Onko Polykleitus nuorempi akustiikan tieteen perustaja? Usko tai älä, sitä jouduimme odottamaan vielä 2 300 vuotta.

Article photo, Ancient Acoustics, Epidaurus theatre, Greece

From: : The theatre of Epidaurus© Ronny Siegel/WikiCommons

Musiikki sävelletty esitystilaan

Nuoremman Polykletioksen ja vuoden 1895 välillä oli paljon tiedemiehiä, jotka työskentelivät äänen, ääniaaltojen, resonaatioiden ja taajuuksien teorioiden parissa. Arkkitehtoninen akustiikka, tai tarkemmin sanottuna huoneakustiikka, ei ollut sen ajan tiedemiesten mielessä.

Säveltäjät huomioivat huoneen tai tilan akustiikan tärkeyden, mikä sai heidät säveltämään musiikkia, joka oli räätälöity esitettäväksi tiettyyn huoneeseen, eikä päinvastoin. Esimerkiksi Johann Sebastian Bachin ”Toccata ja fuuga d-molli” [3]  on sävelletty uruille katedraaliin, jossa keskimääräinen jälkikaiunta-aika on 5 sekuntia. Mozart taas sävelsi musiikkia vahvasti kalustettuihin kamareihin. Monet hänen kirjoittamistaan oopperoista soivat parhaiten huoneissa, joiden jälkikaiunta-aika on 1,00–1,30 sekuntia [4].

Miksi ei alettu suunnittelemaan huoneita ja konserttisaleja optimaalisella huoneakustiikalla? Akustiikan tiedettä pidettiin tällöin edelleen salaperäisenä, monien määrittelemättömien tekijöiden yhdistelmänä. Mutta tämä kaikki muuttui 1800-luvun lopulla.

Article illustration, Room Acoustics, Wallace Sabine

From: : William Dana Orcutt, “Wallace Clement Sabine: A Study in Achievement” [Plimpton Press, 1933, facing page 86.]

Wallace Clement Sabine vuonna 1898.

Esittelyssä Wallace Sabine

Vuonna 1895 nuorta amerikkalaista Harvardin yliopiston fysiikan apulaisprofessoria Wallace Clement Sabinea pyydettiin ratkaisemaan vaikea ongelma Harvardiin hiljattain rakennetun Foggin taidemuseon luentosalissa. Yliopiston luentosalin ongelma oli se, että siellä kaikui liikaa. Sabine, joka ei ollut koskaan suorittanut tohtorintutkintoa ja jolla ei ollut erityistä äänituntemusta, sai tehtäväksi parantaa salin surullisen huonoa akustiikkaa. Tehtävää pidettiin mahdottomana, mutta Sabine asetti tavoitteeksi selvittää, mikä teki Foggin luentosalista niin erilaisen muihin akustisesti hyväksyttäviin tiloihin verrattuna.

Sabine huomasi, että kun joku puhui Foggin luentosalissa, heidän äänensä kuului jopa normaalilla keskustelutasolla 5,5 sekunnin ajan. Voit kuvitella, kuinka vaikeaa kuuntelijoille oli ymmärtää puhujan sanoja.

Sabine huomasi, että Harvardin yliopiston kampuksella oli toinen luentosali, Sanders Theatre, josta ei tullut juuri yhtään valituksia akustiikasta. Sillä oli samanlainen akustisesti monimutkainen muoto kuin Foggin luentosalilla. Sen kapasiteetti oli kolme kertaa suurempi ja siellä oli 700 istumapaikkaa enemmän. Oli kuitenkin yksi merkittävä ero; Sanders -teatterin istuimissa oli istuinpehmusteet.

Istuinpehmusteet

Sen sijaan, että hän parantaisi akustiikkaa, hän keskitti tutkimuksensa istuinpehmusteiden äänenvaimennusominaisuuksiin. Se ei ollut helppo tehtävä, koska monet muuttujat oli otettava huomioon. Yhdessä avustajiensa kanssa hän siirsi istuinpehmusteet Sanders -teatterista Foggin luentosaliin ja huomatakseen salin ääniolosuhteiden muuttuvan. Hän teki monia erilaisia mittauksia käyttäen vain urkupilliä ja sekuntikelloa ja kuunteli kuinka kauan äänen vaimeneminen kesti. Sabine suoritti suurimman osan testauksistaan keskellä yötä, jotta hän pystyi hallitsemaan taustamelua, joka muuten häiritsi hänen mittauksiaan. Jossain vaiheessa hän havaitsi, että mittausten tulos oli erilainen, koska hänellä oli yllään erilaiset vaatteet. Jäljellä olevissa testeissä hän pukeutui aina samaan asuun.

Kolmen vuoden aikana Sabine teki tuhansia mittauksia käyttäen satoja istuinpehmusteita. Hän teki mittauksia myös Harvardin yliopiston muissa salissa ja käytti muita materiaaleja, kuten mattoja.

Article photo, Room Acoustics, Fogg Lecture hall, Sabine

From: : Photographs of the Harvard Art Museum (HC 22), folder 3.35. Harvard Art Museums Archives, Harvard University, Cambridge MA

Figure 1. Lecture hall, Hunt Hall ("Old Fogg"), undated.

Olen vihdoin löytänyt sen!

Kun tietoa oli kerätty riittävästi, Sabine tarkasteli akustisen laadun, salin koon ja absorptiopintojen määrän välistä suhdetta, mutta hän ei vielä tiennyt, miten yhdistää kaikki palapelin palaset toisiinsa. Sitten yhtäkkiä hän sanoi: "Olen vihdoin löytänyt sen!" [5].

Sabine havaitsi, että kun hän piirsi Sanders Theaterin istuinpehmusteiden määrän (x) verrattuna huoneen (y) vastaavaan jälkikaiunta-aikaan, tuloksena oleva käyrä oli suorakulmainen hyperbeli. Se on tavallinen matemaattinen käyrä, jolle on tunnusomaista yhtälö xy = k, jossa k on vakio [5]. Hän tajusi, että hänen löytönsä hyperbelisestä suhteesta oli läpimurto hänen ymmärrykselleen jälkikaiunnasta.

Olen vihdoin löytänyt sen!

Wallace Clement Sabine

Huoneakustiikan isä

Ääni, joka on energiaa, tuotettuna suljetussa tilassa jatkuu, kunnes se joko siirretään rajaseinällä tai muuttuu muuksi energiaksi, yleensä lämmöksi. Hajoamisprosessia kutsutaan absorptioksi [6].

Vaimentamisprosessissa ääntä heikentävät heijastavat pinnat, kuten seinät, katot ja lattiat. Ääni törmää pinnasta toiseen heikentäen voimaansa jokaisessa törmäyksessä, kunnes ääni on lopulta kuulumaton. Tätä kutsumme jälkikaiunnaksi [6].

Sabine määritteli jälkikaiunta-ajan ”ajaksi, jona äänenvoimakkuus laskee 60 dB äänilähteen sulkemisesta".

Sabinen tutkimuksen lopputuloksena oli kaava, T = 0,161 V/A

T = jälkikaiunta-aika (sekuntia)

0,161 = hyperbolinen vakio

V = huoneen tilavuus (kuutiometriä)

A = absorptioala (neliömetriä)

Tästä tuli Sabinen kaava, jota käytetään edelleen arkkitehtonisessa akustiikassa. Lopulta Sabinesta tuli Harvardin Graduate School of Applied Sciencen dekaani vuosiksi 1906–1915. Vuonna 1919, 50-vuotiaana, Sabine kuoli leikkauksen jälkeisiin komplikaatioihin sairaalassa.

Hänen kuolemansa jälkeen arkkitehtoninen akustiikka on kehittynyt tähän päivään saakka ja Sabine tunnetaan huoneakustiikan isänä.

Huoneakustiikan myytit

Nyt kun tiedämme enemmän huoneakustiikan takana olevasta tieteestä, voimme paljastaa muutamia myyttejä.

Myytti: Kuulet kolikon putoavan Epidauros -teatterin takariviltä.

Vuonna 2017 Eindhovenin teknillisen yliopiston tutkijat kartoittivat Epidauros -teatterin akustisia ominaisuuksia. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että teatterin äänenlaatu on hyvä, mutta ei niin vaikuttava kuin monet matkailuoppaat väittävät. Putoavan kolikon ääni voidaan kuulla vain istuinrivien puolivälissä [7].

Myytti: Huoneakustiikka on tärkeää vain suorituskykyyn perustuvissa suurissa tiloissa

Ensin meidän on kysyttävä itseltämme: “Miksi akustiikka on tärkeää?”. Akustiikka liittyy yleisesti konserttisaleihin, äänitysstudioihin ja luentosaleihin. Näissä tiloissa akustiikka on kriittinen näkökohta, mutta hyvä huoneakustiikka parantaa myös ihmisten hyvinvointia, lisää tuottavuutta työssä, parantaa oppimista koulussa ja lyhentää toipumisaikaa sairaaloissa. Uskon, että useimmat ihmiset ovat kokeneet epämiellyttävää akustiikkaa tiloissa, kuten ravintoloissa, spinning-saleissa tai jopa omassa olohuoneessa. Siksi on tärkeää tarkastella akustiikkaympäristön parantamista kaikissa tiloissa, joissa asumme, nukumme, työskentelemme, paranemme ja vietämme vapaa-aikaamme.

Myytti: Jotta kotonasi kuulostaisi hyvälle, lisää mattoja ja verhoja

Huoneakustiikan parantaminen kotona voi tarkoittaa miellyttävämpää ympäristöä, kun haluat katsella televisiota, kuunnella musiikkia tai syödä illallista perheen tai ystävien kanssa. Mutta esimerkiksi pelkästään mattojen ja verhojen lisääminen olohuoneeseesi ei ole täydellinen akustiikkaratkaisu. Tämä johtuu niiden rajallisesta pinta-alasta ja alhaisista äänenvaimennusominaisuuksista verrattuna akustiseen kattoratkaisuun. Meiltä löytyy useita ääntä vaimentavia akustisia alakattoratkaisuja esim. olohuoneisiin luomaan optimaalista akustiikkaa.

 

Huoneakustiikka on suunniteltu näyttämään hyvältä

L’Oréal loi toimistotilan, joka parantaa hyvinvointia, yhteistyötä ja tuottavuutta. Akustiikkasuunnittelulla on keskeinen rooli mukavan ympäristön luomisessa. Rockfon® Mono® Acousticia käytettiin luomaan kaunis visuaalinen viimestely ja akustinen ääniympäristö moderniin pääkonttoriin Pariisissa.

Tutustu tarkemmin kohteeseen L’Oréal Headquarters

Kuva: L’Oréal HQ, Pariisi - Rockfon Mono Acoustic

FR, Headquarters L'Oréal Paris, 92300 Levallois-Perret (Paris), Office, Rockfon Mono Acoustic, TE edge, White, Open Plan Office

Huoneakustiikan monimutkaisuus

Huoneakustiikan tiede on hyvin monimutkaista. Voit täyttää joitakin numeroita netissä huoneakustiikkalaskureissa, mutta se on vasta alkua. Huoneakustiikka edellyttää huoneen mittojen, muodon ja katon korkeuden analysointia. Mikä on tilan suunnittelu? Kuinka monta ihmistä siellä on ja millaista toimintaa siellä tapahtuu?

Ääntävaimentavat seinäpaneelit ja täysin peittävä alakatto ovat molemmat usein tarpeellisia akustisten vaatimusten täyttämiseksi. Kun yhdistät tämän arkkitehtuurisen akustiikkatieteen kanssa, ja se muuttuu entistä monimutkaisemmaksi.

Tiesiköhän Sabine, mitä hän aloitti, liikuttaessaan kaikkia niitä pehmusteita ympäriinsä...

Erinomaisen akustiikan ja ihmisten paremman olon saavuttamiseksi voidaan soveltaa ja asentaa erilaisia ratkaisuja. Rockfonilla olemme asiantuntijoita luomaan tiloja, jotka kuulostavat kauniilta kaikille.

[1] Declercq N, Dekeyser C, “Acoustic diffraction effects at the Hellenistic amphitheater of Epidaurus: seat rows responsible  for the marvelous acoustics”, J. Acoust. Soc. Am. 121(4), 2011-2022, 2007

[2] ^ ακουστικός in Λεξικό της κοινής νεοελληνικής [Dictionary of Standard Modern Greek], 1998, by the "Triantafyllidis" Foundation.

[3] Kästner H & Lehotka G, album: Bach, J.S.: Organ Music - Preludes and Fugues - Toccata and Fugue in D Minor - Chorales Preludes. https://www.youtube.com/watch?v=ho9rZjlsyYY

[4] Meyer J, book “Acoustics and the Performance of Music”, Springer Science & Business Media, 10 oktober 2009

[5] Thompson E, “Dead Rooms and Live Wires: Harvard, Hollywood, and the Deconstruction of Architectural Acoustics, 1900-1930”. Isis, Vol. 88, No. 4 (Dec., 1997), pp. 597-626 Published by: The University of Chicago Press on behalf of The History of Science Society.

[6] Sabine W.C. “Collected Papers On Acoustics”. Cambridge: Harvard University Press, 1923

[7] Hak C, Wenmaekers R, Eindhoven University of Technology “Falling coins, striking matches and whispering voices to demonstrate the acoustics of an open air amphitheatre”. Acoustical Society of America & Forum Acusticum, Boston June 2017