Teremakusztika a gyakorlatban

Egy hangsugárzó adatlapja csak azt írja le, mit csinál meghatározott mérési körülmények között. A hallgató azonban szinte mindig helyiségben van. A fülhöz a közvetlen hang mellett falakról, mennyezetről, padlóról és tárgyakról visszavert komponensek érkeznek, amelyek időben és spektrálisan módosítják az élményt.

1. Közvetlen és visszavert hang

A közvetlen hang a legrövidebb úton érkezik. A korai reflexiók néhány-több tíz ms késéssel, a diffúzabb késői tér pedig további energiával érkezik. A közvetlen/visszavert arány a távolsággal és a terem akusztikai tulajdonságaival változik.

2. Sabine-képlet - első közelítés

Diffúz hangtér feltételezésével a reverberációs idő közelíthető:

Jelölések: RT₆₀ a 60 dB-es lecsengési idő másodpercben, V a terem térfogata köbméterben, A az egyenértékű elnyelési felület sabinban. A Sabine-közelítés diffúz hangteret és viszonylag kis átlagos elnyelést feltételez.

ahol V a helyiség térfogata m³-ben, A az ekvivalens elnyelési felület m² sabinban. Kis, erősen nem diffúz helyiségekben és mély frekvenciákon ez csak korlátozottan alkalmazható.

Erősebben csillapított terekben a Sabine-formula pontatlanabb. Eyring közelítése:

Jelölések: S a terem teljes határoló felülete, ᾱ az átlagos elnyelési tényező, ln a természetes logaritmus. Az Eyring-képlet nagyobb elnyelésnél rendszerint pontosabb, de továbbra is közelítő, diffúz térmodellen alapul.

ahol S az összes határolófelület és ᾱ az átlagos abszorpciós tényező. ᾱ→1 esetén az Eyring-modell fizikailag életszerűbben tart rövid lecsengés felé, míg Sabine egyszerű lineáris közelítése már nem megfelelő.

3. Szobamódusok

Téglatest alakú helyiségben az axiális, tangenciális és ferde módusok frekvenciái a helyiség méreteiből számíthatók:

Jelölések: f_nmp a téglatest alakú helyiség módusfrekvenciája, c a hangsebesség, L_x, L_y, L_z a terem méretei, n, m, p pedig nemnegatív egész módusszámok, amelyek nem lehetnek egyszerre nullák.

Mély tartományban a módusok ritkák és jól elkülönülnek, ezért egyes helyeken nagy kiemelések, máshol mély kioltások alakulhatnak ki.

Téglatestben a módusokat a három egész index alapján axiális, tangenciális és ferde módusokra osztjuk. Az axiális módusok két párhuzamos felület között alakulnak ki, ezért általában a legmarkánsabbak. Tangenciális és ferde módusok több felületet érintenek és tipikusan gyorsabban csillapodnak, de a tényleges amplitúdót mindig a forrás/hallgató helye és a felületi veszteségek határozzák meg - nem egy univerzális fix dB-arány.

4. Miért nem EQ-zunk ki egy nullát?

Ha egy hallgatási pontban geometriai interferencia miatt 20 dB-es kioltás van, +20 dB EQ óriási teljesítményt igényel, miközben a kioltás geometriája megmarad. Ilyenkor a forrás/hallgató elhelyezése, több sub optimális elrendezése vagy akusztikai kezelés hatékonyabb.

5. Korai reflexiók és comb filtering

Asztalról, padlóról vagy közeli falról érkező reflexió időeltérése fésűszűrés-szerű frekvenciamenetet okozhat. A jelenség a hallgató mozgásával változik, ezért egyetlen ponton végzett EQ nem feltétlenül javítja a teljes teret.

Az impulzusválasz vagy ETC időtengelyéből a reflexió többlet-úthossza közvetlenül becsülhető:

Jelölések: Δd az úthosszkülönbség méterben, c a hangsebesség méter/másodpercben, Δt az időkülönbség másodpercben. Például 1 ms késés körülbelül 0,343 m útkülönbségnek felel meg 20 °C körüli levegőben.

Ha például egy korai reflexió 5 ms-mal érkezik később, a többlet-úthossz kb. 1,7 m. Ez segít geometriai okhoz kötni a spektrumban látható comb filtert.

6. Elnyelés és diffúzió

Az elnyelő anyagok frekvenciafüggően hővé alakítják az akusztikai energiát. Vékony porózus elnyelő magas/közép tartományban hatékony, mélyen a szükséges vastagság vagy légrés jelentősen nő. A diffúzor célja az energia irányának szétszórása, nem feltétlen a teljes energia elnyelése.

7. Kritikus távolság

A közvetlen és reverberáns tér energiaszintje egy bizonyos távolság környékén lehet hasonló. Ezen túl a direct/reverb arány romlik, ami beszédérthetőséget és tranziens tisztaságot befolyásolhat. Irányított hangsugárzóval növelhető a hasznos közvetlen energia aránya.

A kritikus távolság közelítő összefüggése:

Jelölések: r_c a kritikus távolság méterben, Q_d a forrás irányítottsági tényezője, V a térfogat, RT₆₀ a lecsengési idő, A az egyenértékű elnyelési felület. Itt Q_d nem jósági tényező; az összefüggés diffúz térre adott közelítés.

Nagyobb irányítottsági tényező Q növeli azt a távolságot, ahol a direkt hang még összemérhető a reverberáns térrel. Delay hangsugárzóknál a precedence/Haas-hatás gyakorlati tartománya forrás- és szintfüggő; néhány-néhány tíz ms késleltetés mellett a megfelelően szintezett későbbi hang növelheti az érthetőséget úgy, hogy a lokalizáció továbbra is az elsőként érkező fő PA-hoz kötődik.

8. Mérési időablak és frekvenciafelbontás

Az időablak lerövidítése segíthet a korai reflexiók kizárásában, de csökkenti a mélyfrekvenciás felbontást. Ez a Fourier-transzformáció alapvető idő-frekvencia kompromisszuma. Ezért nincs olyan „egy mérés”, amely minden akusztikai kérdésre optimális.

9. RT60, EDT, C50/C80, STI

A reverberációs idő mellett az EDT a korai lecsengést, C50/C80 a korai és késői energia arányát, az STI pedig a beszédátviteli érthetőség egyik objektív mutatóját jellemzi. Más célú helyiségeknél más paraméterek fontosak.

10. Rendezvényhang: a közönség is akusztikai elem

Egy üres terem és egy több száz fős közönséggel megtöltött terem akusztikája jelentősen eltérhet. Az emberi test és ruházat elnyel, a közönség megváltoztatja a diffúz teret. A rendszerhangolásnál ezt is figyelembe kell venni.

11. Schroeder-frekvencia

Egy bizonyos frekvencia alatt a helyiség viselkedése diszkrét módusokkal célszerűen írható le, felette a módussűrűség nagyobb és statisztikusabb megközelítés használható. A Schroeder-frekvencia közelítő összefüggése:

Jelölések: f_s a Schroeder-frekvencia hertzben, RT₆₀ másodpercben, V köbméterben értendő. Alatta az egyedi teremrezonanciák, felette inkább statisztikus hangtérelmélet jellemzi a teret; a határ fokozatos.

A képlet iránymutató, nem éles fizikai határ. Kis szobákban gyakran néhány száz Hz alatti tartományban különösen erős a módusok szerepe.

A Schroeder-frekvencia alatt az egyedi módusokat és térbeli nyomáseloszlásukat célszerű kezelni; fölötte egyre inkább statisztikus/diffúz tér jellegű leírás használható. Ezért ugyanaz az RT60 vagy átlagolt frekvenciamenet nem magyaráz mindent a teljes spektrumban.

12. Boundary interference - SBIR

A hangsugárzó mögötti vagy közeli falról visszaverődő hang és a közvetlen hang között úthosszkülönbség alakul ki. Ez frekvenciafüggő kioltást okozhat. A hangsugárzó falhoz viszonyított távolsága ezért nem csak „basszusmennyiség”, hanem interferenciageometria kérdése is.

A hátfalról érkező elsődleges SBIR-kioltás egyszerű modellben:

Jelölések: f_null az első negyedhullámú kioltás közelítő frekvenciája, c a hangsebesség, d a hangsugárzó és a visszaverő határfelület közötti merőleges távolság. A képlet egyetlen merev, sík határfelület egyszerűsített modellje.

ahol d a hangsugárzó akusztikai középpontjának faltól mért távolsága. d=0,86 m esetén f_null≈100 Hz. A valós térben több határfelület és véges visszaverődés miatt több kioltás/kiemelés jelenik meg.

13. Mérőmikrofon elhelyezése

Egyetlen pontban végzett mérés nagyon érzékeny lehet szobamódusra és comb filterre. Hallgatási zóna értékeléséhez több pont vagy térbeli átlag hasznos. Időablakos átviteli függvény mérésnél ugyanakkor a referencia és mikrofon pontos geometriai viszonya fontos.

14. EQ mit tud és mit nem?

EQ jól kezelhet minimumfázis-jellegű, szélesebb amplitúdóhibákat. Nem tudja fizikailag eltüntetni a hosszú lecsengést, a több pontban eltérő módusmintát vagy a reflexiós geometria minden következményét. Az akusztikai probléma és az elektroakusztikai korrekció határát meg kell találni.

15. Bass trap - miért kell vastagság?

Porózus elnyelő ott hatékony, ahol jelentős részecskesebesség van. Falnál a nyomásmaximum és sebességminimum miatt vékony anyag mélyen kevésbé hatékony. Vastagabb réteg, légrés, membrános vagy rezonáns csillapító mélyebb tartományban dolgozhat.

Porózus elnyelő a részecskesebesség nagyobb helyein hatékony; mély frekvencián a λ/4 távolság miatt nagy vastagság kell. Rezonáns vagy membrános bass trap ezzel szemben nyomásmaximumok közelében - falnál, saroknál - képes célzottan energiát elnyelni, ezért a modális tartományban kisebb geometriai méretből is lehet szelektív hatás.

16. Színpad, DJ-pult és mikrofon

Rendezvényen a mikrofon visszacsatolási tartalékát nem csak az erősítő gain-je, hanem a mikrofon/hangsugárzó iránykarakterisztika, távolság és teremreflexiók határozzák meg. Ha a mikrofon több visszatérő hangot kap, a feedback margin csökken.

17. A közönségtér nem egy pont

A cél nem az, hogy a FOH mérőmikrofon helyén tökéletes legyen a görbe, hanem hogy a teljes célterületen elfogadható legyen a spektrális egyensúly és szint. Ezért a rendszerirányítás, hangsugárzó-magasság és lefedettségi geometriák gyakran fontosabbak, mint a végső 1-2 dB EQ-finomság.

Források és szakmai háttér

• Heinrich Kuttruff: Room Acoustics.
• Leo Beranek: Concert Halls and Opera Houses.
• IEC 60268-16:2020 - Speech Transmission Index
• ISO 3382 - Measurement of room acoustic parameters.