MAK 4026 SES ve GÜRÜLTÜ KONTROLÜ

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.
• Ei enerjisine sahip ses dalgası,
çarptığında yansıyan enerji miktarı:
bir
yüzeye
E r  Ei (1  )
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 RT60 veya T60 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 (Si) cinsinden şu şekilde belirlenir:
S 

S
i
i
i
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
T60 
(s)
A
A   Si i  S
i
V: Oda hacmi (m3)
A: Oda yüzeylerinin ses yutum alanı (m2) (metrik Sabine)
Si: i. Yüzeyin alanı (m2)
0,161: Ampirik bir sabit (s/m)
Eyring Formülü
0,161V
T60 
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
0,161V
T60 
A  4mV
(s)
• Geniş odalarda 1000 Hz’in altında ve küçük
odalarda havanın, yankı süresine etkisi ihmal
edilebilir.
Oda Sabiti
• Sabine yaklaşımına göre:
S
R
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
Tf/T500 oranını veren Şekil kullanılır.
•
• T500 , 500 Hz’deki yankı süresi, Tf 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;
2
2


ny
 nz 
c  nx 
fn 
       
2  l x   l y   lz 
2
•nx, ny, nz = tamsayılar 0,1,2,…,∞
•lx, ly, lz: 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 m2 lik yüzeyine ses yutma
katsayısı
0,9
olan
bir
malzeme
yerleştirildiğinde odanın yankı süresini
hesaplayınız.
Not: Hava yutumunu ihmal ederek, Sabine
yaklaşımını kullanınız.
Örnek - 1 - çözüm
V  10  5  2, 4  120 m3
Odanın hacmi:
Odanın yüzey alanı: S  2 (10  5  10  2, 4  5  2, 4 )  172 m2
0,161V 0,161120
a.
T60 
b.
A
T60  2, 25s
S 

S
i
i
i
i

172  0, 05
50  0, 9  (172  50)  0, 05

172
i
  0, 297
0,161V 0,161120
T60 

A
172  0, 297
T60  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)
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.
•
Akustik serbest alanda kaynaktan
olan uzaklık iki kat arttığında ses
düzeyinde 6 dB’lik azalma
beklenir.
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
T1: Ses kaynağının maksimum uzunluğu veya
yüksekliği veya derinliğidir.
• Yarı-Yankısız odalar için maksimum yükseklik:
λ
H  T2   2 (metre)
2
T2: 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]
100
125
160
200
Hacim [m3]
200
150
100
70
• Oda hacminin büyüklüğünde de bir sınır vardır. Sesin
hava içerisindeki yutumu ve yüksek frekanslarda da
ölçüm alınması gerekliliğinden dolayı oda hacminin
300 m3’ten büyük olması istenmez.
• Oda içerisindeki ses kaynağının hacmi, oda hacminin
%2’sinden büyük olmamalıdır.
Yankı Odaları
Oda içerisindeki yankı süresi odanın
hacminin (V, m3), toplam yüzey alanına
(S, m2) oranından büyük olmalıdır.
(T60 > 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
Kaynak
Mikrofon
>0.5 m
>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.