EXAMENSARBETE. Akustikdriven träkonstruktionsutformning för Studio Acusticum. Estetik, akustik och teknik för ett konsertsalstak

Transkript

1 EXAMENSARBETE 2006:123 CIV Akustikdriven träkonstruktionsutformning för Studio Acusticum Estetik, akustik och teknik för ett konsertsalstak Tina Lundgren Åsa Vilander Luleå tekniska universitet Civilingenjörsprogrammet Väg- och vattenbyggnadsteknik Institutionen för Samhällsbyggnad Avdelningen för Byggkonstruktion 2006:123 CIV - ISSN: ISRN: LTU-EX--06/123--SE

2

3 Akustikdriven träkonstruktionsutformning för Studio Acusticum Estetik, akustik och teknik för ett konsertsalstak TINA LUNDGREN & ÅSA VILANDER Luleå tekniska universitet Institutionen för Samhällsbyggnad Avdelningen för Byggkonstruktion Luleå, Mars 2006

4

5 FÖRORD Detta examensarbete har genomförts på uppdrag av avdelningen för byggkonstruktion vid Luleå tekniska universitet och utgör det avslutande momentet på civilingenjörsutbildningen inom Väg och Vatten. Examinator och handledare har varit Lars Stehn. När detta examensarbete är färdigställt och accepterat är vi inte längre studenter, utan civilingenjörer. Vi skulle vilja rikta ett speciellt tack till några av de personer som gjort detta möjligt! - Lars Stehn, som genom sitt entusiasmerande och inspirerande mentorskap uppmuntrat till nya tankebanor. - Helena Johnsson, som genom sitt sinne för estetik och teknik hjälpt oss framåt i processen. - Lars Bernspång, som alltid har en dörr öppen! - Roger Johnsson och Ander Ågren, för hjälp och rådgivning inom akustik. - Ola Enochsson, för hjälp och rådgivning inom dimensionering. - Projektgruppen, för åsikter och svar på frågor. Under de oräkneliga timmar som tillbringats i vårt rum på skolan under den senaste terminen har tillvaron förgyllts av alla de besök vi fått av våra vänner i reseföreningen. Tack till er ingen nämnd, ingen glömd som vi umgåtts med under denna tid. Luleå, Mars 2006 Tina Lundgren & Åsa Vilander I

6 ABSTRACT The aim of the master thesis, which is a part of the early design process of Studio Acusticum, is to propose a conceptual design of a wooden ceiling for a concert hall. The thesis concerns estetic, acoustic and technical aspects. Studio Acusticum will be built in the vicinity of Piteå School of Music and is a part of a general vision; to become one of Europes most exciting and innovative platforms for music, media and technology. The idea is to build a unique concert hall with world class acoustics and to use wood as the main building material. The term acoustics is not unambiguous, it has both a physical and a psychological side. One part of the thesis work describes important acoustic aspects to create a general knowledge about what is important when designing concert halls. A concert hall with superb acoustics made in wood is the Sibelius Hall in Finland. A field trip to this concert hall was done to gain knowledge about the design of the building and also to gain inspiration. During the field trip a second visit was done to the church in Vik, which characteristic wooden design gave inspiration to the thesis work. Impressions from the field trip and some technical solutions of the visited buildings are covered in this thesis. With the knowledge and inspiration gained from the field trip, several conceptual sketches on possible ceiling designs for Studio Acusticum where made. A selection of these sketches where then modelled and visualized as a step in the process of coming up with an exciting and challenging ceiling design. Out of the visualized proposals one main proposal was chosen for further design and acoustic analysis. The main proposal, which is inspired by Calatrava s Bodegas Ysios, consists of rows of simple beams with several recurring patterns with different inclinations. This creates an undulating pattern which, together with light effects, will create a vision of the northern light. The ceiling will be supported by robust pillars, inspired from the visit at the church in Vik. These pillars will give a vision of trees reaching to the sky. After the detailed design of the ceiling an acoustic simulation was done to evaluate how the sound distribution in the hall is affected by the ceiling design. The simulation was done with the CATT-Acoustic software with the pre-existing concert hall Aula Aurora as the model foundation. The proposed ceiling design was then imported into this model and compared with the original ceiling design of the Aula Aurora. The two ceilings showed very little difference in the parameters sound pressure level and reverberation time; however a noticeable difference could be concluded from listening tests with audio files generated by the program. II

7 SAMMANFATTNING Examensarbetet, som är en del av det tidiga skedet i projekteringen av Studio Acusticum, syftar till att ta fram konceptuella trätakskonstruktioner för en konsertsal. Arbetet behandlar estetik, akustik och teknik. Studio Acusticum kommer att byggas i anslutning till Piteå Musikhögskola och är en del av en vision; att bli en av Europas mest spännande och innovativa mötesplatser för musik, media och teknik. Tanken är att utforma en konsertsal med en annorlunda träkonstruktion och akustik i världsklass. Begreppet akustik är inte entydigt utan kan delas upp i en fysikalisk och en psykologisk del. En del av arbetet har innefattat att beskriva viktiga akustiska beteckningar för att skapa en viss allmänbildning om vad som är viktigt vid byggande av konsertsalar. En konsertsal i trä som har bra akustik är den finländska Sibeliushallen. Ett studiebesök utfördes dels för att hämta kunskaper angående dess konstruktion, dels för inspiration. Ytterligare ett studiebesök har genomförts där Viks kyrka med sin spännande träkonstruktion besökts, även den i inspirationsgivande syfte. Intryck tillsammans med vissa konstruktionstekniska lösningar har beskrivits. Kunskap och inspiration hämtad från studiebesöken omsattes i framtagandet av ett antal idéskisser på möjliga takkonstruktioner för Studio Acusticum. Ett urval av dessa har modellerats och visualiserats som ett led i processen att ta fram ett spännande och utmanande förslag. Av de visualiserade förslagen valdes ett huvudförslag som dimensionerades och analyserades akustiskt. Huvudförslaget, som inspirerats av Calatrava s Bodegas Ysios, är konstruerat med enkla tvärgående raka balklinjer med olika återkommande lutningar. Detta ger ett böljande mönster som med hjälp av ljuseffekter kan liknas vid ett norrsken, där av namnet Norrskenet. Taket bärs av grova pelare inspirerande från besöket i Viks kyrka. Dessa skall ge en känsla av träd som sträcker sig mot skyn. Efter att taket dimensionerats utfördes en akustiksimulering i syfte att klargöra hur ljudbilden i salen påverkas. Simuleringen utfördes i programmet CATT-Acoustic med den befintliga konsertsalen Aula Aurora som modell, dels med orginaltaket, dels med Norrskenstaket. De uppmätta parametrarna skiljer sig ytterst lite vad gäller ljudtrycksnivå och efterklangstider. En märkbar skillnad kunde däremot konstateras vid genomförande av lyssningstest från ljudfiler generade av programmet. III

8 INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 INLEDNING BESKRIVNING AV PROJEKTET SYFTE FORSKNINGSFRÅGOR MÅL FORSKNINGSDESIGN Ingående moment Forskningstyp Tidsaspekter REFERENSRAMAR FÖR EXAMENSARBETET Examensarbetarnas referensram, kompetens och intresseområde Problemägare, intressenter Yttre gränser Resursbedömning METOD FORSKNINGSANSATS DATAINSAMLINGSMETODER Litteraturstudie Information via kontaktpersoner Tankekarta Observationer Personliga möten Matematiska beräkningar och visualiseringar Lyssningstester UNDERSÖKNINGSDESIGN AKUSTIKDRIVEN DESIGN LJUD OCH RUMSAKUSTIK Frekvens och oktavband Ljudtrycksnivå och decibelbegreppet Reflektion, Transmission, Absorption Efterklang och tidiga genljud Uppenbara akustiska designfel Designtips BYGGNADSTEKNISK BESKRIVNING AV SIBELIUSHALLEN, LAHTI Den gamla snickerifabriken Skogshallen Konserthall BYGGNADSTEKNISK BESKRIVNING AV VIKS KYRKA, HELSINGFORS Kyrksalen IV

9 4 SKAPANDEPROCESSEN IDÉINSPIRATION / LITTERATURSTUDIE TANKEKARTA PRESENTATION AV IDÉER Havsanknytning Norrlandsanknytning Musikanknytning UPPTAKTSMÖTE I ROSFORS Utmaningar Våra intryck INTRYCK FRÅN STUDIEBESÖK Sibeliushallen Viks kyrka URVAL AV FÖRSLAG FÖRÄDLING VISUALISERING Vidare utvärdering av förslag Innertakbalkarna Pelare Bärning Slutgiltig visualisering av Norrskenet DIMENSIONERING BETECKNINGAR OCH SYMBOLER DIMENSIONERINGSFÖRUTSÄTTNINGAR FÖR TRÄKONSTRUKTIONER DIMENSIONERING AV BÄRANDE BALKLINJER Fackverkets dimensioner Indata till FEM-design Beräkning av lasteffekt Beräkning av bärförmåga RESULTAT AKUSTISK ANALYS MODELLERING OCH BEGRÄNSNINGAR I PROGRAMMET SÄNDARE & MOTTAGARE SKILLNAD I LJUDTRYCKSNIVÅ EFTERKLANGSTID Early Decay Time, EDT AURALISERING LYSSNINGSTEST DISKUSSION REFERENSER V

10 VI

11 1 INLEDNING I slutet av 1800-talet byggdes konsertlokaler smala och höga eftersom takets träbalkar inte kunde bära upp större spännvidder. I takt med utvecklingen har konsertlokaler kunnat byggas både mycket bredare och med annorlunda former, men trots att utvecklingen gått framåt byggs de flesta konsertsalar fortfarande i betong. Materialet används eftersom det är tillräckligt tungt och styvt för att ge ett bra akustiskt gensvar. Dock finns ett stort intresse från de stora träföretagen i Norrland att utveckla konstruktionsmodeller där trämaterial kan ge samma akustiska egenskaper som betong. Detta examensarbete initierades av Lars Stehn på avdelningen för byggkonstruktion på Luleå tekniska universitet i november Examensarbetet är ett led i den forskning som ska bedrivas i samband med projekteringen av Studio Acusticum, ett konserthus i anslutning till Piteå Musikhögskola. Målet med projektet är att skapa en konsertsal i trä med akustik i världsklass och examensarbetet syftar till att ta fram förslag på takets utformning. 1.1 Beskrivning av projektet Musikhögskolan i Piteå tillhörande Luleå tekniska universitet har formulerat en vision för 2010: Att bli en av Europas mest spännande och innovativa mötesplatser för musik, media och teknik. Konceptet Studio Acusticum ett multifunktionellt konserthus i trä är ett bärande projekt i denna vision. Beslutet att bygga ett konserthus för 70 miljoner kronor togs av Piteå kommunstyrelse Tanken är att utforma en konsertsal med en annorlunda träkonstruktion och akustik i världsklass. Konsertsalen skall byggas i anslutning till den befintliga byggnaden Acusticum 4 vid Piteå musikhögskola. Projektet styrs från musikhögskolan och består av två huvuddelar: en projekteringsdel och en mer långsiktig uppbyggnad av ett kompetenscentra. Båda delarna ska främja för fortsatt forskning och utveckling inom trä-ljudområdet och på sikt skapa tillväxt i regionen. Projekteringen ska därför bedrivas i tätt samarbete med en forskargrupp med spetskompetens inom trä- och ljudforskning. Arbetssättet är valt för att de kompetenser som har avgörande betydelse för resultatet av bygget, ska ges möjlighet att samverka och därmed generera goda idéer och lösningar. Forskargruppen består av samlad kompetens inom Luleå tekniska universitet. Frågor om akustik, ljudteknik, musik etc. tas omhand av musikhögskolan i Piteå och avdelningen för Akustik i Luleå. Avdelningen för Byggkonstruktion i Luleå tillsammans med avdelningen för Träteknik i Skellefteå ansvarar för de estetiska och taktila frågorna samt visualisering och utformning av träkonstruktionslösningar. Tillsammans ska gruppen forska på träkonstruktioner som medger variabel akustik, väggkonstruktioner med låg absorption vid låga frekvenser och scengolv med variabel hårdhet. I Figur 1.1 beskrivs hela projektet fram till Studio Acusticums färdigställande. Ingående moment i projektet; beställning, projektering och byggproduktion ger en färdig produkt; Studio Acusticum. Piteå kommun är projektets beställare som i sin tur anlitat projektören Arkitekthuset 1

12 Monarken, Piteå. Arkitekthuset Monarken tillhandahåller en arkitekt, en akustikkonsult samt byggkonstruktörer. Under projektets tidiga skede bedrivs, som tidigare nämnts, forskning parallellt med projekteringen för att hitta nya användningsområden för trä. Figur 1.1 Beskrivning av projektet 1.2 Syfte Idag byggs de flesta konsertsalar i betong eftersom materialet är bra ur akustisk synvinkel. Det finns dock ett stort intresse från träindustrin i Norrland att utveckla kunskap om konstruktioner där trämaterial kan ge samma akustiska egenskaper som betong. Detta examensarbete syftar till att ta fram olika konceptuella lösningar i trä på takets konstruktionssystem i Studio Acusticum. Lösningarna ska vara estetiskt tilltalande, konstruktionsmässigt utmanande och akustiskt fungerande. Av dessa förslag kommer de mest intressanta att visualiseras. Ett av dessa kommer sedan att väljas ut för vidare dimensionering. Förslaget kommer även att akustiksimuleras i syfte att klargöra hur ljudbilden i salen påverkas av den dimensionerade takkonstruktionen. Figur 1.2 beskriver hela examensarbetets arbetsgång. Figur 1.2: Beskrivning av examensarbetet 2

13 1.3 Forskningsfrågor För examensarbetet har följande forskningsfrågor formulerats, vilka rapporten syftar till att besvara: Vilka akustiska parametrar styr utformningen av konsertsalar? Andra lokaler med bra akustik som byggts i trä, hur är dessa konstruerade? Hur kommer takutformningen i Studio Acusticum att påverka rummets akustik? 1.4 Mål Målsättningen med byggprojektet är dels att skapa en konsertsal med akustik i världsklass, dels att konstruktionen blir sådan att den möjliggör forskning och utveckling både under projekteringen och när byggnaden väl är färdigställd. Målet för examensarbetet är att stötta projektet genom att ge svar på forskningsfrågorna beskrivna i kapitel 1.3 och öka kunskaperna inom integrering av visualisering, akustik och konstruktionsberäkning med FEM-program. Det mest tillfredsställande resultatet för examensarbetarnas del vore att ta fram en så pass intressant taklösning att projektets arkitekt i slutändan väljer att konstruera denna. Om arkitekterna inte väljer förslaget, hoppas examensarbetarna ha kunnat påverka processen med nya tankar och idéer om möjliga konstruktioner. 1.5 Forskningsdesign Forskningsdesignen syftar till att precisera projektets innehåll och utformning. Här beslutas om ingående moment, forskningstyp, tidsaspekter, etc. Dessa beskrivs nedan Ingående moment Examensarbetet innefattar följande moment: Deltagande i projekteringen av Studio Acusticum Studieresa till Finland med besök i två inspirationsgivande byggnader; Sibeliushallen (konsertsal i trä) och Viks kyrka (tekniskt och estetiskt exempel på modern träbyggnadsteknik) Framtagande av förslag till konceptuella taklösningar i trä Urval av de konceptuella taklösningarna genom en aktiv dialog med projektgruppen Gestaltning av de mest intressanta förslagen genom 3D-visualisering Dimensionering av förslag Akustiksimulering och utvärdering av förslag 3

14 1.5.2 Forskningstyp Det finns enligt Andersson & Borgbrant (1998) fyra olika forskningstyper: Förändringsinriktad forskning som syftar till att bidra till förändringar i daglig verksamhet Utvärderande forskning som syftar till att granska någon befintlig metod, process etc. Teori- och modellutvecklande forskning som syftar till att öka kunskapen inom vissa avgränsade områden Utprövande forskning som syftar till att undersöka och förklara olika komponenters eller materials funktion Examensarbetet i denna rapport är av teori- och modellutvecklande karaktär, då redan befintlig vetenskap används vid framtagande av de konceptuella taklösningarna samt den akustiska utformningen. Projektet som helhet har även inslag av utprövande forskning. En diskussion har förts angående utförandet av en akustisk laborativ undersökning på ett av de visualiserade förslagen. Denna undersökning skulle syfta till att visa på vilket sätt takutformningen påverkar akustiken. Vid examensarbetets tidpunkt utfördes dock inga sådana undersökningar av forskargruppen Tidsaspekter Eftersom forskningsinsatsen genomförs i form av ett examensarbete kommer studien att motsvara fem månaders arbete för två personer. 1.6 Referensramar för examensarbetet Examensarbetarnas referensram, kompetens och intresseområde Examensarbetarna, Tina Lundgren och Åsa Vilander, är två studenter på civilingenjörsutbildningen Väg och Vatten vid Luleå tekniska universitet. Forskningsinsatsen motsvarar det examensarbete på 20 poäng som avslutar utbildningen. Examensarbetarna har tidigare studerat konstruktionsteknik och provat på olika visualiseringsprogram. Kunskaper i akustisk utformning och arkitektur är dock ringa. Djupet i examensarbetet kommer därför till största del att vara bärighet och visualisering, medan akustiska bedömningar sker på en mer övergripande nivå Problemägare, intressenter SCA är en av de största finansiärerna och har uttryckt ett önskemål om tvärvetenskaplig träforskning med inriktning mot träets akustiska, taktila och estetiska aspekter. Projektet avser alltså att på sikt knyta ihop företag inom trä- och ljudindustrin med de forskningsresurser som finns i Skellefteå, Luleå och Piteå. Ovan nämnda grupper utgör därmed examensarbetets intressenter. Universitetet får anses som problemägare och intressent gällande ökad teoretisk kunskap om integrering mellan akustik, konstruktiv utformning och estetik. 4

15 1.6.3 Yttre gränser För examensarbetet görs följande avgränsningar: Studien utförs endast på taket Materialet är valt till trä Visualisering av två förslag utförs med programmen ArchiCAD och 3D Studio Max Bärighetsberäkningar utförs med FEM-programmet 3D Frame Ljudberäkningar utförs med simuleringsprogrammet CATT-Acoustic Resursbedömning De resurser forskarna har att tillgå är: Datorer med erforderlig programvara Studieresa till Finland Projektgruppens kompetens Litteratur 5

16 2 METOD 2.1 Forskningsansats En forskares (här examensarbetarnas) uppgift består i att relatera teori och verklighet till vetenskapligt arbete. För att skilja på olika sätt att arbeta har dessa processer enligt Patel & Davidson (1991) fått namnen deduktion, induktion och abduktion. Dessa är olika metoder som en forskare kan använda sig av för att relatera teori och empiri. Kort kan nämnas att en forskare som arbetar med en deduktiv metod använder sig av redan befintlig teori för att utveckla en ny. En forskare som använder sig av ett induktivt arbetssätt kommer inte att använda sig av redan befintlig teori utan istället välja nya, obeprövade vägar för att nå resultat. Slutligen finns en metod som sammanknyter de två tidigare nämnda metoderna, dvs. abduktion. (Patel & Davidson, 1991) Detta examensarbete kommer att bedrivas enligt den deduktiva metoden. Beprövad konstruktions- och akustikteori, tillsammans med visualisering och akustiksimulering av den valda taklösningen ska möjliggöra nya användningsområden för trämaterialet. 2.2 Datainsamlingsmetoder Insamling av erforderlig data till examensarbetet har gjorts enligt nedan beskrivna metoder Litteraturstudie Under hela processen har en litteraturstudie genomförts i syfte att öka kunskapen inom de specifika områdena. Examensarbetet påbörjades med inriktning mot arkitektur, där en första litteraturstudie utfördes i syfte att hämta inspiration till spännande och konstruktionsmässigt utmanande takkonstruktionslösningar i trä. I den del av examensarbetet som behandlar akustik ingick det en omfattande litteraturstudie för att skapa en viss allmänbildning inom området Information via kontaktpersoner Som komplement till den information som hämtats ur litteratur har kontakt med projektets deltagare hållits genom hela examensarbetet. En dialog har även förts med inblandade projektörer i Sibeliushallen och Viks kyrka Tankekarta Tankekartor är ett effektivt sätt att samla, strukturera och utveckla tankar och idéer. Därför användes denna metod i den kreativa delen av examensarbetet Observationer I början av examensarbetet utfördes två studiebesök i Finland med syfte att dels införskaffa tekniska kunskaper om byggnaderna, dels att hitta inspiration till Studio Acusticums takkonstruktion. 6

17 2.2.5 Personliga möten I den första delen av examensarbetet ingick ett inspirationsmöte med samtliga berörda parter i projekteringen. Syftet med mötet var att lära känna varandra och projektet samt att få alla parter att arbeta åt ett gemensamt mål. Efter den konceptuella fasen, då ett antal förslag på möjliga taklösningar framtagits, utfördes en utvärdering av förslagen. Detta genomfördes genom personliga möten med såväl projektets arkitekt som studiekamrater och anställda på universitetet. Dessa personer förväntades ge forskarna konstruktiv kritik och idéer som medför en förbättring av förslagen Matematiska beräkningar och visualiseringar I syfte att skapa förståelse för och ge underlag till analys av de valda förslagen visualiserades dessa i ArchiCAD och 3D Studio Max. Vid dimensionering av vald taklösning utfördes matematiska beräkningar med datorprogrammet FEM-Design som baseras på finita element metoden. De akustiska beräkningarna genomfördes med datorprogrammet CATT-Acoustic Lyssningstester Med hjälp av de ljudfiler som genererats i CATT-Acoustic har ett lyssningstest utförts för att undersöka ljudkvaliteten i en lokal med det tänkta taket. Urvalet av testpersoner har gjorts kvalitativt då bara aktiva musikutövare eller personer skolade inom musik har fått genomföra testet. 2.3 Undersökningsdesign I examensarbetet kan tre moment urskiljas. Det första momentet innefattade den kreativa delen av examensarbetet där flera förslag på takutformningar framtagits. Delen av arbetet innefattade även ett möte med inblandade aktörer samt en studieresa till Finland. Momentet avslutades med ett möte med projektets arkitekt som genom sitt kunnande delgav sina åsikter och tankar om de framtagna förslagen. Dessa tillsammans med åsikter från professorer och andra studenter mynnade ut i att två förslag valdes för vidare bearbetning. I det andra momentet visualiserades de kvarvarande två förslagen på ett mer detaljerat sätt. Fokus sattes på färg-, material- och ljussättning för att skapa en så rättvis bild av förslaget som möjligt. Efter visualiseringen begränsades fortsatt analys av takkonstruktionen till endast ett av förslagen; det förslag som projektgruppen ansåg vara mest intressant. I tredje momentet utvärderades det kvarvarande förslaget för hållfasthet samt akustisk förmåga med hjälp av datorprogrammen FEM-Design och CATT-Acoustic. Examensarbetet avslutades med en slutjustering av visualiseringen. 7

18 3 AKUSTIKDRIVEN DESIGN 3.1 Ljud och rumsakustik Begreppet rumsakustik är inte entydigt utan kan delas upp i en fysikalisk och en psykologisk del. (Kleiner, 2000) Den fysikaliska rumsakustiken behandlar geometri och vågteori. Psykologisk akustik handlar mer om att förklara varför människan uppfattar och bedömer ljud i ett rum på ett visst sätt. I detta kapitel behandlas båda aspekterna för att skapa en viss allmänbildning om vad som är viktigt vid byggande av konsertsalar Frekvens och oktavband Om ett elastiskt medium sätts i svängning kommer tryckvariationer att breda ut sig från källan genom att energi överförs från molekyl till molekyl. Den vanligaste liknelsen brukar vara en sten som träffar en vattenyta och bildar vågor som breder ut sig med en viss hastighet från nedslagspunkten. Tidsperioden mellan två svängningar räknas från maxpunkt till maxpunkt och brukar betecknas, T. Vanligare är dock att prata om frekvensen, f, enligt ekvation f = (3.1) T Enheten för frekvens är svängningscykler per sekund och betecknas Hertz [Hz]. Frekvens är ett viktigt akustiskt begrepp eftersom egenskaperna hos olika byggmaterial och konstruktionselement varierar vid olika frekvenser. En människa med normal hörsel är kapabel att höra ljud i frekvensområdet 20 Hz till 20 khz. Frekvenser under 20 Hz uppfattas som buller. Högre frekvenser än 20 khz benämns ultraljud och kan inte uppfattas av människan men vissa djur kan uppfatta frekvenser på upp till 90 khz. Eftersom frekvenserna för hörbart ljud har så stor spännvidd, blir det besvärligt att hantera enskilda frekvenser. Frekvenser indelas därför ofta i olika intervall. I arkitektonisk akustik indelas det hörbara frekvensområdet i oktavband, eller enklare uttryckt, oktaver. En oktav är ett frekvensintervall där den övre gränsen är dubbelt så stor som den lägre frekvensen, se Figur 3.1. På ett piano är exempelvis varje återkommande tangentgrupp (7 vita och 5 svarta) en oktav. Varje oktav representeras av ett centrumvärde som beräknas genom att multiplicera det övre och undre gränsvärdet och sedan ta kvadratroten ur produkten. (Mehta et al, 1999) Centrumvärdet för oktavbandet från 200 Hz till 400 Hz blir alltså: 200 x 400 = Hz 283 Hz Figur 3.1: Oktaver, deras övre och undre gränsvärden samt centrumvärden. (Mehta et al, 1999) 8

19 3.1.2 Ljudtrycksnivå och decibelbegreppet Inom det hörbara frekvensområdet kan ljudtrycket variera inom mycket vidsträckta gränser. Vid frekvensen 1000 Hz kan exempelvis ljudtrycket variera från den svagaste hörselgränsen på ca 20 µpa till det starkaste som ett människoöra klarar innan smärtgränsen på 20 Pa. (Andersson, 1998) Intervallet motsvarar ett spann av storleksordningen 10 6 enheter. För att lättare kunna hantera ljudtryck brukar nivåbegreppet decibel användas. Decibelbegreppet definieras enligt ekvation 3.2. X Ljudnivå = 10 log X = den uppmätta storheten för ljudnivå (effekt, (3.2) X 0 intensitet eller tryck) X 0 = referensnivå i samma enhet I och med detta kan decibel räknas ut för ljudeffektsnivå, såväl som ljudintensitetsnivå och ljudtrycksnivå. Om ljudtrycksnivå beräknas är referensvärdet X 0 = (Andersson, 1998). Decibel [db] är en enhet för hur starkt ljud uppfattas. Ett ljud som en människa med normal hörsel nätt och jämnt kan uppfatta har en ljudnivå omkring 0 db. Riktigt höga eller låga frekvenser kräver högre ljudnivå för att höras. Ett samtal på nära håll sker vid ungefär 70 db. Den mänskliga smärtgränsen ligger på 130 db. (Elektronisk referens [1]) Reflektion, Transmission, Absorption -6 Pa När ljudenergi träffar en yta, t.ex. en vägg eller ett tak, kommer en del av ljudet att reflekteras tillbaka in i rummet, en del att absorberas av väggen och en del att transmitteras genom väggen. Andelen reflekterat ljud betecknas reflektionskoefficienten, ρ, och brukar anges i procent. ρ = Reflekterad ljudenergi / Total mängd infallande ljudenergi (3.3) På liknande sätt definieras absorptionskoefficienten, α, och transmissionskoefficienten, τ. Eftersom summan av den reflekterade, absorberade och transmitterade energin måste överensstämma med den infallande energin gäller följande förhållande (Mehta et al, 1999): ρ + α + τ = 1,0 (3.4) Transmission Den egenskap hos en yta som påverkar reflektion, absorption och transmission mest är ytdensiteten. Enligt Mehta et al (1999) är tunga element mycket mer reflektanta än lätta element. Om större delen av ljudet reflekteras medför detta att bara en liten del kan transmitteras. Därför blir transmissionen större i ett lätt element än ett tungt. För att förstå fenomenet kan man tänka sig en vägg med en ljudkälla på den ena sidan av väggen, se Figur 3.2. Innan ljudkällan slås på kommer luften på både sändarsidan och mottagarsidan av väggen att stå stilla. När ljudkällan väl slås igång kommer luftpartiklarna på sändarsidan att sättas i 9

20 svängning. Vibrationen från de partiklar närmast väggen kommer att få väggen att vibrera och i sin tur sätta luften i svängning på mottagarsidan. Det är svängningarna på mottagarsidan som vi uppfattar som det transmitterade ljudet. Om väggen är tung kommer vibrationerna i väggen att ha en låg amplitud. Detta medför att vibrationerna på mottagarsidan också kommer att ha en låg amplitud, dvs. liten transmission. Figur 3.2: Ljudkällan på sändarsidan sätter väggen i svängning som i sin tur transmitterar ljud till mottagarsidan. (Mehta et al, 1999) Reflektion Ljudreflektioner kan vara speglade eller diffusa. För en speglad reflektion gäller att hela det infallande ljudet reflekteras i samma riktning, dvs. infallsvinkel är lika med utfallsvinkel, se Figur 3.3. Figur 3.3: Speglad reflektion där infallsvinkel = utfallsvinkel (Mehta et al, 1999) För att en speglad reflektion ska uppkomma krävs att reflektionsytan är slät, dvs. att ytans struktur och ojämnheter är mindre än det inkommande ljudets våglängd. Exempelvis räknas murbruk som ett slätt material eftersom ojämnheterna i ytan är mycket mindre än de våglängder som människoörat kan uppfatta. Motsatsen till speglad reflektion är diffus reflektion. Vid en diffus reflektion reflekteras ljudet lika mycket i alla riktningar, se Figur 3.4. Figur 3.4: Diffus reflektion där det infallande ljudet sprids jämt i alla riktningar (Mehta et al, 1999) Ett perfekt diffust ljudfält existerar vanligtvis inte eftersom direktljudet är starkare än det reflekterade ljudet på de flesta åhörarplatser. På platser med högreflekterande ytor och långt ifrån ljudkällan kan dock ett ungefärligt diffust ljudfält skapas. Ytorna kräver ojämnheter som är ungefär lika med ljudets våglängd. För att exempelvis få en diffus reflektion av ett ljud med 1 khz frekvens krävs en ytstruktur med ojämnheter på ca 0,3 meter. (Mehta et al, 1999) 10

21 Överdriven diffusivitet berövar lyssnaren förmågan att lokalisera ljudkällan eftersom ljudet verkar komma från alla håll. Därför bör detta undvikas särskilt i talarrum där det är viktigt att ljudet uppfattas komma från talaren. Absorption Ljudabsorption innebär minskning av ljudenergi. Idag finns ytmaterial eller föremål med särskild förmåga att omvandla infallande ljudenergi till annan en energiform. Dessa kallas absorbenter och brukar enligt Kleiner (2000) indelas i naturliga absorbenter och tillsatsabsorbenter. Med naturliga absorbenter menas publik, talare, musiker, stolar, fönster, väggar etc. Till tillsatsabsorbenter räknas de absorbenter som medvetet lagts till för att reglera de akustiska egenskaperna. Dessa förekommer i två skilda typer: porösa absorbenter och resonansabsorbenter. Porösa absorbenter utgörs av mineralull, glasull, textiler etc. Absorptionen sker genom energiförluster vid luftens strömning genom de trånga kanaler som bildas mellan fibrerna. Pga. detta kan inte porösa material som t.ex. expanderad polystyren (cellplast som är vanligt förekommande vid värmeisolering) användas för ljudabsorption, eftersom luften i dessa är innesluten och inte kan strömma. Det finns alltså en väsentlig skillnad mellan mekanismen för värmeisolation och ljudabsorption. (Kleiner, 2000) Resonansabsorbenter används mest för absorption av låga frekvenser. De vanligaste är Helmholtzabsorbenten och membranabsorbenten. (Andersson, 1998) Helmholtzabsorbenten består av en kammare som förbinder rummet som ska dämpas via en smal hals, se Figur 3.5. Figur 3.5: Princip för Helmholtzabsorbenten (Kleiner, 2000) När absorbenten träffas av en ljudvåg kommer luftmassan att sättas i svängning med samma frekvens som ljudvågen. Om frekvensen överensstämmer med absorbentens egenfrekvens kommer luftmassan i halsen att börja svänga med kraftiga resonanssvängningar. För att hålla svängningen igång tas energi från ljudvågen som i sin tur släcks ut. Helmholtzabsorbenten har alltså bara hög absorption på ett mycket begränsat frekvensområde. Membranabsorbenten utgörs av en tät skiva som placeras på ett visst avstånd från en vägg. När plattans egenfrekvens överensstämmer med det infallande ljudet, sätts plattan i svängning och omvandlar ljudenergin till värme via friktionsförluster i infästningarna Efterklang och tidiga genljud Om en ljudkälla plötsligt stängs av i ett rum, kommer ljudet inte att upphöra ögonblickligen. Direktljudet upphör visserligen men kvar finns fortfarande reflektionerna från det ljud som träffat rummets väggar. Den tid det tar för det reflekterande ljudet att dö ut i lokalen kallas efterklangstid. Efterklangstiden beror främst av lokalens storlek och absorptionsfaktorer och 11

22 definieras som den tid det tar för en ljudnivå att sjunka 60 db. Genom Sabines efterklangsformel, ekv. (3.5) kan efterklangstiden beräknas: RT= 0, 163 V A RT = Rummets efterklangstid (Reverberation Time) V = Rumsvolymen (3.5) A = Rummets ekvivalenta ljudabsorptionsarea, vilken beräknas som α s i i för respektive yta och där α är absorptionskoefficienten s är ytans storlek. Eftersom absorptionsfaktorerna i allmänhet är starkt frekvensberoende blir i sin tur efterklangstiden olika för olika frekvenser. Hur efterklangstidens längd uppfattas kan utläsas ur Tabell 3.1. Tabell 3.1: Hur rum med olika efterklangstid uppfattas (Karlén, 1983) Efterklangstid Ljudupplevelser i olika rum RT = 0,3 0,5 s Kraftigt dämpat, nästan obehagligt vid samtal. Lämpar sig i t ex kontorslandskap. Ljudåtergivningen är mycket tydlig men ljudnivån sjunker snabbt med ökat avstånd. RT = 0,5 0,8 s RT = 0,8 1,2 s RT = 1,2 1,5 s RT = 1,5 2,0 s Behagligt dämpat. Lämpar sig i klassrum, dämpade samlingssalar och övningsrum för musiker. Svagt dämpat. Rumsakustiken känns levande utan besvärande efterklang Lämpligt för sång och musik med små grupper eller svaga instrument. Samtal försvåras pga. sammanhopning av ljud. Upplevs som störande odämpat i små rum men behagligt dämpat i stora. Påtagligt gensvar vid sång och musikframträdanden. Helt oinredda bostadsrum har ofta efterklangstid av denna längd. Lång efterklang, påtagligt odämpat även i stora rum. Lämpar sig bäst för kyrksalar. Länge var efterklangstiden den enda akustiska parametern som ansågs påverka de musikaliska attributen i en lokal. Studier har enligt Mehta et al (1999) dock visat att även de tidiga genljuden dvs. de ljud som når åhöraren inom några få millisekunder efter direktljudet, har betydelse för den musikaliska uppfattningen av lokalen. Det finns vissa musikaliska uttryck och begrepp som hör ihop med efterklang respektive tidiga genljud. Dessa beskrivs mer ingående nedan. Early Decay Time Med Early Decay Time, EDT, menas efterklangstiden för de första 10 db av hela efterklangsförloppet på 60 db. EDT svarar ofta mot den medvetet upplevda efterklangstiden i pågående musik. (Kleiner, 2000) 12

23 Briljans Briljant musik är musik som har högfrekvent klang; tonerna blir ljusa, klara och ringande. Höga frekvenser är mer lättabsorberande än låga och mellanfrekvenser i de flesta byggmaterial. Höga frekvenser kan dessutom förtunnas av bara luft. För att uppnå briljans ska ytor som är goda högfrekvensabsorbenter (draperier, mattor etc.) användas med väldig försiktighet i konsertsalar. Dessa ska i huvudsak användas för att kontrollera eko-ljud. Viss reduktion av EDT för höga frekvenser är acceptabelt men om EDT blir för lågt försvinner briljansen. Som dimensioneringsvillkor finns enligt Mehta et al (1999) ekvation 3.6a-b, se nedan: EDT EDT 2000Hz 500Hz + EDT1000Hz 0,9 EDT EDT 4000Hz 500Hz + EDT1000Hz 0,8 (3.6a-b) Klarhetsgrad Det ljud som når åhöraren inom 80 ms från direktljudet förknippas med direktljudet. Om ljudenergin för denna tidsperiod är stor i förhållande till ljudenergin för resten av efterklangen, kommer varje ton i ett musikstycke att höras distinkt; ljudet får en viss klarhetsgrad, se Figur 3.6. Klarhetsgraden beräknas enligt Metha el al (1999) som energimängden inom 80 ms subtraherat med den totala energimängden och benämns C 80. C 80 = Energi0 80ms Energi80 ms [db] (3.7) Figur 3.6: Y-axeln visar ljudtrycksnivån (Sound Pressure Level). Den tidiga energin i det markerade området i figur (a) utgör en stor del av den totala energin vilket ger en hög klarhet. I figur (b) är efterklangen längre vilket försämrar klarheten. (Mehta et al, 1999) Intimitet Intimiteten beskriver det personliga intrycket av salens storlek. Små hallar ger en större närhet till källan vilket ger en intim känsla. Den motsatta känslan uppstår oftast i stora vida salar, som kan skapa en viss avlägsenhet till den pågående konserten eller uppträdandet. 13

24 Akustikkonsulter mäter intimiteten genom ITDG Initial Time Delay Gap. ITDG definieras enligt Mehta et al (1999) som intervallet i millisekunder mellan direktljudet och den första reflektionen som når lyssnaren, se Figur 3.7. Figur 3.7: Tidpunkten för de tidiga reflektionerna ger kort respektive lång Initial Time Delay Gap. (Mehta et al, 1999) ITDG är en funktion av salens storlek. Ju större hall desto längre ITDG. En människas öron och hjärna är extremt känsliga för små tidsskillnader och det sägs att blinda kan bedöma ett rums storlek baserat på en uppskattning av ITGD. (Mehta et al, 1999) Eftersom reflektionerna av direktljudet kommer olika fort beroende av var i salen mottagaren befinner sig, upplevs oftast en större intimitet av de åhörare som sitter nära sidoväggarna. Generellt är därför små hallar intimare. I vida salar eller vid utomhuskonserter kan intimiteten ökas genom att rama in musikerna med exempelvis bakomliggande skärmar som reflekterar direktljudet i ett tidigt skede. Ett annat sätt kan vara att terrassera publiken enligt Figur 3.8 för att så många som möjligt får sitta i närheten av en vägg. Figur 3.8: En terrassering av publiken gör att flera åhörare hamnar nära en vägg. (Mehta et al, 1999) Värme En ökning av efterklangstiden hos de låga frekvenserna ger upphov till den akustiska värme som musiker ofta efterfrågar. Värmen beräknas därmed som andelen lågfrekventa ljud i efterklangen, RT, och betecknas BR, (Bass Ratio) enligt ekvation 3.8. BR RT 125Hz 250Hz = (3.8) RT 500Hz + RT + RT 1000Hz Om en konsertsal konstrueras med lättare material blir absorptionen av låga frekvenser hög, vilket sänker BR. Därför rekommenderas att använda hårda och tunga material så som betong och murverk. Om lättare panel trots detta önskas i inredningen ska denna vara tunn och monteras direkt på tunga element, utan luftficka emellan. 14

25 För att optimera BR har några riktvärden tagits fram enligt ekvation (Mehta et al, 1999) 1,1 BR 1,25 för RT 1,8 sekunder (3.9) OPT 1,1 BR 1,45 för RT < 1,8 sekunder (3.10) OPT Rymlighet I vissa hallar ger musiken åhöraren en känsla av att bli omsluten av musiken, någon slags rumslig inneslutning och respons. Saknad av känslan kan liknas med att titta på uppträdandet från utsidan, exempelvis genom ett fönster. Enligt Mehta et al (1999) har det visat sig att de flesta hallar med rymlighet har extremt utsmyckad inredning med stora skulpturer, kistlocksformade tak och andra utskjutande ytor. Därför gjordes antagandet att rymlighet var direkt beroende av det diffusa ljudfältet. Senare experiment visade dock att en perfekt diffusivitet inte ensamt skapar den bästa rymligheten. Den rymliga känslan i rummet beror i huvudsak av två parametrar: Det diffusiva ljudfältet - En stor grad av rymligheten skapas med en hög diffusivitet. De tidiga laterala reflektionerna, dvs. de reflektioner som når örat inom de första 80 ms, enligt Figur 3.9. De tidiga laterala reflektionerna ger en illusion av att orkestern är bredare än vad den egentligen är. Akustikkonsulter använder begreppet ASW Apparent Source Width. Ju större ASW desto bättre musikupplevelse. (Mehta et al, 1999) Figur 3.9: Infallsspektra för en människas laterala ljudintryck. (Mehta et al, 1999) Olika utformningar av salen främjar de laterala reflexerna mer eller mindre bra, se Figur I den vänstra bilden med solfjäderform reflekteras ljudet från källan rakt mot lyssnaren. En rektangulär form främjar de laterala reflektionerna bättre. Bäst effekt uppnås i en omvänt solfjäderformad hall där vinkeln mellan lyssnaren och reflektionerna blir så stor som möjligt. Figur 3.10: Rumsutformningens påverkan på de laterala reflexerna. (Mehta et al, 1999) 15

26 3.1.5 Uppenbara akustiska designfel Det finns enligt Parkin et al, (1979) några uppenbara fel vid designande av en konsertsal: eko, resonans och fladdereko. Ett eko orsakas av en reflektion i en yta. Hur allvarlig en ekoeffekt är beror av hur lång tid efter originaltonen ekot kommer och med vilken styrka. Oönskade ekoeffekter uppkommer oftast i främre delen av hallen från reflektioner i den bakre väggen eftersom dessa reflektioner färdats längst. De värsta fallen uppträder i solfjäderformade salar där den bakre väggen får en konkav form och förstärker reflektionerna genom fokusering. Resonans uppträder när vissa frekvenser favoriseras av rummets utformning. Detta kan hända mellan två parallella, reflekterande ytor som, vars avstånd är exakt lika som ett ljuds våglängd eller en multipel av densamma. Studiomusiker kallar fenomenet för färgning. Fladdereko uppstår också vid parallella, reflekterande ytor men fenomenet är annorlunda. Fladdereko kommer sig av reflektioner som studsar fram och tillbaka mellan två ytor. I princip måste ljudet komma in relativt vinkelrätt mot ytorna för att reflektionsvinkeln ska bli så liten som möjligt. Därför uppkommer fladderekon lättare från applåder än från musikerna själva om dessa håller sig till scenen. Risken att resonans och fladderekon ska uppstå är ganska liten. Det räcker med en skillnad i lutning på 5 mellan två ytor eller att en av ytorna görs absorberande eller diffuserande för att undvika fenomenen Designtips Ljudvågors beteende påminner mycket om ljus. Ett lutande parkettgolv är därför inte bara till för att alla i publiken ska se, utan även för att alla ska nås av direktljudet från scenen. I praxis brukar man tala om en höjdskillnad på > 75 mm/rad. I lokaler där det inte går att höja upp stolsraderna bör scenen ha ett podium. Detta bör ha en höjd som uppfyller samma motsvarighet i höjdkrav mellan raderna. (Parkin et al, 1979) Reflektorer & absorbenter Det reflekterande taket är den viktigaste delen i ett auditorium men det spelar även en stor roll i konserthallar. Eftersom örat är uppbyggt så att det inte kan lokalisera ljud i vertikal riktning, uppfattas ovanliggande reflektioner komma från aktiviteten på scenen en användbar illusion. (Mehta et al, 1999) Vanligtvis utformas tak i auditorium och konsertsalar enligt Figur Figur 3.11: Takutformning som reflekterar ljudet på ett effektivt sätt (Parkin et al, 1979) 16

27 Konkava ytor bör dock i regel undvikas eftersom dessa, om de används fel, kan ge oönskade fokuseringar av ljudet, se Figur Figur 3.12: Konkava tak kan fokusera ljud till enstaka punkter istället för att sprida ljudet över hela lokalen. (Parkin et al, 1979) Helst ska djupa tvärgående balkar undvikas i taket. Dessa hindrar taket att verka som en effektiv reflektor som förstärker direktljudet. Dessutom kan balkarna även reflektera tillbaka ekoljud till scenen. Publiken brukar utgöra en av de största absorbenterna i en åhörarsal. För att skapa samma ljudkvalitet i rummet oavsett hur många som sitter i publiken väljs företrädesvis stolar med samma absorption som en människa. Om alla ytor är planerade för att främja användbara reflektioner och inte skapar ekoeffekter så finns ingen anledning att inte bara använda högreflekterande material. Det enda högabsorberande ska vara publiken och stolarna. Om absorbenter ändå måste användas är taket den vanligaste ytan, till stor del pga. dess skyddade läge. Eftersom mitten av taket är en användbar reflektor, bör absorbenterna koncentreras till sidorna av taket och om nödvändigt, till övre delen av väggarna. (Parkin et al, 1979) Scenen Det är viktigt att få en balanserad styrka mellan olika sektioner i orkestern. Denna parameter styrs främst av dirigenten. Dock har scenens utformning en stor betydelse för att varje instrument ska komma ut så bra som möjligt. En tränad lyssnare vill även ha möjlighet att urskilja klangbilden från en grupp musiker istället för att höra varje individuellt instrument. Även denna parameter styrs till stor del av dirigenten men inte till lika stor del som balansen. Om reflekterande ytor placeras nära orkestern mixas reflektionerna upp något innan dessa når publiken, vilket skapar ett mer homogent ljud. Dessa ytor gör också att varje musiker kan höra sina orkestermedlemmar klarare som i sin tur leder till ett bättre samspel. (Mehta et al, 1999) Med den kunskap som finns idag är det möjligt att undvika de vanligaste felen och designa ett rum med bra akustik, men det är inte möjligt att säkerställa design för ett rum med utmärkt akustik. Vad som är utmärkt akustik är svårt att definiera och eftersom olika musikstilar kräver olika rumsrespons handlar akustik mycket om att kompromissa. Det kan även vara nödvändigt att uppoffra några akustiska kvaliteter för att skapa resonliga förhållanden för publiken längst bak. 17