Meluntorjunta ELEC-5640 Luku 5: Huoneakustiikka 20.9.2015 Valtteri Hongisto

Esitys aiheesta: "Meluntorjunta ELEC-5640 Luku 5: Huoneakustiikka 20.9.2015 Valtteri Hongisto"— Esityksen transkriptio:

1 Meluntorjunta ELEC-5640 Luku 5: Huoneakustiikka 20.9.2015 Valtteri Hongisto valtteri.hongisto@aalto.fi

2 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.2 Jälkikaiunta-ajan mittaus

3 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.3 Suositusarvoja, 500 Hz

4 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.4 Diffuusi äänikenttä –äänenpaine vakio kaiuntasäteen r R ulkopuolella –intensiteetti nolla missä tahansa suunnassa/pisteessä –Sabinen yhtälöt pätee Edellytykset –huoneabsorptio pieni –huonemittojen oltava tarkasteltavia aallonpituuksia merkittävästi suurempi –huonemitat erilaisia ja kokonaislukusuhteita ei ole –mittaukset tehdään yli /4 etäisyydellä huonepinnoista

5 Tavanomaiset huoneet Diffuusi kenttä ei toteudu hyvin: Absorptio suuri: –Leviämisvaimennus voimakasta; äänitaso pienenee kun etäisyys lähteeseen kasvaa. –Intensiteetti ei ole nolla vaan äänen tulosuunta voidaan selvästi havaita Tilavuus pieni: –Moodit aiheuttavat äänitasoeroja huoneen eri pisteiden välillä –Schröderin rajataajuus suuri ja osa tarkasteltavista taajuuksista sen alapuolella Symmetrinen geometria: –samansuuntaiset pinnat aikaansaavat selkeitä moodeja ja tärykaikuja Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.5

6 Schröderin rajataajuus f S f S =2000(T/V) ½ Rajataajuus pienenee kun –tilavuus kasvaa –jälkikaiunta-aika pienenee f S :n yläpuolella erillisiä moodeja ei enää havaita. Vaimenemista voi tarkastella tilastollisesti ja huoneen taajuusvaste riippuu pitkälti jälkikaiunta-ajasta. f S :n alapuolella moodit havaitaan erillisinä ja niiden välissä on antimoodit eli taajuudet, joilla huone ei resonoi. Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.6

7 Mooditiheys Moodien lukumäärää taajuuden f alapuolella voidaan tilastollisesti arvioida yhtälöllä Moodeja tulee olla kymmenittäin kaistaa kohti, jotta diffuusius toteutuu (tason paikkariippuvuus) Kuvassa kaiuntahuone 3 Työterveyslaitoksella –155 m3, T=4 s –f S =300 Hz –f 100 =23 Hz Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.7

8 8 Huonemoodit moodi: ääniaalto palaa lähtöpisteeseen samassa vaiheessa kuin se oli lähtöhetkellä. Tällöin ääniaalto vahvistuu ja syntyy resonanssi (moodi, seisova aalto) Mooditaajuudella ääni voimistuu jopa 20 dB verrattuna taajuuteen, jolla ei ole moodia Vahvistus riippuu paikasta –Kupukohdat laakeita –Solmukohdat teräviä Moodeilla on nollasta poikkeava kaistanleveys Alinta moodia pienemmillä taajuuksilla huone ei kaiu vaan toimii vakiopainekammiona –pakkovärähtely Toimistohuoneen äänenpainetaso 40 Hz terssikaista 4.7 x 3.4 x 2.8 m moodi 100: 36 Hz mittauskorkeus 1,2 m Oliva et al. 2010

9 Huonemoodi 25 Hz terssi Ääni tuotettu huoneeseen ikkunasta (punainen) Huone 7.5x4.9x3.6 m Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.9

10 10 Ilman absorptio Absorptio kasvaa taajuuden kasvaessa Ilman absorption vuoksi suurin mahdollinen jälkikaiunta-aika huoneessa on missä RH on suhteellinen kosteus [%] f on taajuus [kHz] Kuva: Ilman absorptioala, kun T=20˚C RH=50 % A ilma =0.16V/T max

11 Esimerkki Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.11

12 CASE – Tehdasmeluvalitus makuuhuoneessa 350 m matka 50 Hz melu 3.5x2.9x2.4 m moodit 49, 59 ja 71 Hz! maksimi tyynyllä Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.12 Lähde: Oliva et al. (2011)

13 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.13 Puhe yleisin äänilähde, johon huoneakustinen suunnittelu liittyy Lähde: Bodén et al 1999 (KTH)

14 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.14 Puheen voimakkuus IEC 20618-16 mukainen normaalipuheen taso 1 m päässä puhujasta vapaassa kentässä –59 dB L A,eq Korotetun puheen, voimakkaan puheen ja huudon äänitasot ovat 66, 74 ja 82 dB (L A,eq ). Puheäänen tasoa korotettaessa korkeat taajuudet nousevat pieniä enemmän

15 TKK Meluntorjunta S89.347015 Puheäänen taso vs. taustaäänitaso Lombardin laki Kryter, 1994

16 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.16 Puheensiirtoindeksi STI

17 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.17 Subjektiivinen puheen erotettavuus vs. STI

18 Puheen modulaatiotaajuudet F Modulaatio tarkoittaa äänenpainetason vaihtelua –Vrt. voimakkuussäätimen jaksollinen vaihtelu Puheessa tärkeimmät modulaatiotaajuudet ovat 0.63 ja 12.5 Hz välillä –pienimmät modulaatiotaajuudet aiheutuvat tavuista tai huudahduksista, yleensä sanapainotuksista Val, TTe, rI –suurimmat modulaatiotaajuudet aiheutuvat lyhyistä konsonanteista r Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.18

19 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.19 Puheensiirtoindeksi STI STI riippuu 1.tilan kaiunnasta EDT [s], 2.puhekohinasuhteesta L SN [dB] 1.Puheen taso riippuu 1.Etäisyydestä 2.Huonevaimennuksesta 3.Puhujan suunnasta 4.Esteistä jne.

20 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.20 Oktaavikaistojen 125 … 8000 Hz painotuskertoimet k j

21 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.21 STI:n riippuvuus taustaäänitasosta Kuva pätee, kun huone on kaiuton ja signaalikohinasuhde sama kaikilla taajuuksilla Puhe on vielä kuultavissa kun L SN =-15 dB mutta siitä ei erota tavuja. Puhe peittyy kokonaan taustaan, kun L SN <-22 dB.

22 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.22 STI:n riippuvuus taustaäänitasosta ja kaiunnasta

23 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.23 LUOKKAHUONETUTKIMUS Tavoite Laboratoriotutkimus TTL Turku Luokkakoko 8,8x7,1x3,1 m Selvitettiin vaimennusmateriaalin sijoituksen ja määrän vaikutus –jälkikaiunta-aikaan –RASTI-arvoihin (=STI) Materiaali oli 50 mm mineraalivilla Sala & Viljanen Applied Acoustics 1995

24 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.24 LUOKKAHUONETUTKIMUS Mittaustulokset Sala & Viljanen Applied Acoustics 1995

25 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.25 LUOKKAHUONETUTKIMUS Suositus: materiaalin sijoitus ja määrä kattopinnasta peitetään 50% –materiaalia ei keskelle kattoa, jotta siitä saadaan puheäänen hyötyheijastus talteen takaseinästä peitetään 30 % (yläosat) toisesta sivuseinästä peitetään 30 % (yläosat) sovelletaan puhetiloille, joiden pituus 8-20 m tätä suuremmissa sähköinen vahvistus yleensä tarpeen Huoneala 63 m 2 Optimaalinen sijoittelutapa Tilanne 6 Sala & Viljanen Applied Acoustics 1995

26 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.26 Geometrinen akustiikka: vaativammat esitys- ja puhetilat Tärykaiku estetään –diffusorit tai erisuuntaiset pinnat Hyötyheijastuksia vahvistetaan –ei absorptiota –luodaan uusia Haittaheijastuksia estetään –absorptio –geom. esto Rajana 50 ms (17 m) viive suoraan ääneen RIL 243-2-2007

27 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.27 CASE Auditorion parannus Luentosali, 364 paikkaa Alkutilanne: STI 0.53 Katto oli ääntä vaimentava Lisävaimennus 30 mm villa –(suunnitelmassa 50 mm) Lopputilanne: STI 0.64 170 m 2

28 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.28 CASE – Ilmanvaihtomelu opetustilassa Opettajan äänihäiriöistä oli määrätty sairaslomaa useita kertoja –kustannusvaikutukset Syyksi arvioitiin huonoa akustiikkaa Mittausten perusteella ehdotettiin IV-koneen äänenvaimennusta. Kone uusittiin, jonka jälkeen arvot paranivat hieman. Jatkotoimenpide- ehdotuksina virtausnopeuden pienentäminen tai puhaltimen melun lisävaimennus. Mitatut arvot ennen/jälkeen Ohjearvot: STI>0.75, L A,eq <35 dB, T<0.80 s

29 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.29 Leviämisvaimennusaste DL 2 Yhtälö ei toimi, jos tila on vaimentava ja äänilähteestä ei ole suoraa yhteyttä kuulijaan

30 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.30 Teollisuustilojen leviämisvaimennus Osipov et al. Meluntorjuntatoimenpiteiden vaikutukset arvioidaan laskennallisesti, jos kustannukset ovat korkeita Mallinnusvaihtoehdot –3D-tietokonemallit säteenseuranta kuvalähde hybridi –yksinkertaistetut äänenleviämismallit Malli lähes yhtä tarkka kuin säteenseuranta: –määritetään tehotaso –kuvataan akustiikka –saadaan äänenpainetaso etäisyydellä r Osipov et al., Internoise 1987.

31 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.31 Teollisuuden leviämismallien vertailu, äänitason tarkkuus 8 teollisuushallissa Keränen & Hongisto (2010) acta acust united ac Mallit raytr=säteenseurantamenetelmä (=ODEON 3.1 ohjelma) L5 Osipov et al 1987 –toimii parhaiten L6 on Sabinen malli –toimii kaikuisissa tiloissa

32 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.32 Säteenseurantamenetelmä Tuotantomelun leviäminen avotoimistoon melun kuului tuotantoalueelta (pakkaamo) toimistoalueelle tietokoneella simuloitiin akustoinnin ja yläseinäkkeen vaikutus mitatut vaimennukset yhtyivät ennusteisiin  2 dB tarkkuudella hallin koko 100x60x8 m alkutilanne vaimennus

33 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka. 33 Akustinen hallinta toimistoissa Ei-toivotut puheäänet häiritsevin melulähde avotoimistoissa. 1.Työpisteen valinta työtehtävän vaatimusten mukaan henkilötyöhuone, jaettu henkilötyöhuone avotoimisto, maisematoimisto flex-office, etätyöskentely tilatehokkuus 2.Työtilan akustinen hallinta olosuhdevaatimukset kirjattava sopimusasiakirjoihin SFS 5907 mukaan tilojen välinen ääneneristys avotilatoimiston huoneakustinen hallinta askeläänten vaimennus tekstiilimatoin ympäristömelun vaimennus, jne. 3.Käyttäytymissäännöt miten tilassa käyttäydytään, puhutaan, vuorovaikutetaan, käytetään laitteita jne. miten tiloja käytetään eri työtehtäviin 1.suuri äänenabsorptio katossa, kalusteissa ja seinillä 2.korkeat seinäkkeet ja kaapistot, yli 160 cm 3.puheenpeittoääni, noin 42 dBA

34 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.34 Peittoääni Ylenpalttinen hiljaisuus kasvattaa puheen ym. häiriöäänten erottumista –seinän takaa asunnot, hytit, työhuoneet –samasta tilasta avotoimistot, respat, lounget, kulkuvälineet, kirjastot, ravintolat Peiteääni tarpeellinen peittämään turhia puheääniä –se ei saa häiritä enemmän kuin sillä peitettävä ääni Keinotekoista peiteääntä käytetty 1960 luvulta Suositeltavia tasoja –Asunnot 25 dBA –Toimistohuoneet 40 dBA –Avotoimistot 42-45 dBA –Lounget, WC:t 48 dBA –Kulkuneuvot, ravintolat 55 dBA

35 Peiteäänen spektri Beranekin (1971) peittoääni miellyttävä ja puhetta peittävä Peiteääni tuotetaan yleensä kohinageneraattorilla –pink noise ja filtteri, jolla päästään haluttuun spektriin Luonnon äänet todettu laboratoriokokeissa miellyttävämmiksi mutta työpaikoilta kokemuksia on vähän Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.35

36 Tuore tutkimus Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.36 Hongisto et al. 2015 J Acoust Soc Am

37 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.37 Äänitason vaihtelut pienenevät, kokonaisäänitaso ei kasva

38 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.38 Peiteäänen toteutus keskusvahvistin tekn. tilassa kaiutinverkosto katossa, 1 kaiutin per 10 m2 taso nostettiin 1 dB/viikko 36 dBA  43 dBA

39 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.39 Puheäänen vaimennus avotoimisto vs. oma huone

40 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.40 Vierekkäisten työpisteiden akustinen tutkimus 50 mittausta eri konfiguraatioin sermikorkeus –0 – 210 cm katon absorptiosuhde –kovasta täysin absorboivaan taustaäänitaso –35, 42 tai 48 dBA huonekorkeus –2.5 m Rajoituksia –seinät kokonaan absorboivia vaakakaikuja ei ollut –puheen suuntaus "pahin mahdollinen" eli kohti kuulijaa

41 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.41 Päätulokset Virjonen, Keränen, Helenius, Hakala, Hongisto, acta acustica united with acustica 93 2007 771-783

42 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.42 Puheäänen vaimentuminen eri etäisyyksillä (C) Työterveyslaitos

43 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.43 Mittaus ISO 3382-3:2012 mukaan Menetelmän kehittivät: Virjonen, Keränen, Hongisto, Acta Acustica united A 2009

44 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.44 ISO 3382-3 Puheen erotettavuus  häiritsevyyssäde r D Puheensiirtoindeksi STI (Speech Transmission Index) –korreloi puheen erotettavuuden kanssa –STI-arvot välillä 0,00 ja 1,00 –Mitä suurempi STI, sitä parempi puheen erotettavuus –kun STI<0.50, puhemelun haitat keskittymiskyvylle alkavat vähentyä Häiritsevyyssäde r D :etäisyys, jonka ulkopuolella puhehäiritsevyys alkaa merkitsevästi vähentyä, koska STI<0.50 r P =privacy distance: STI<0.20

45 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.45 ISO 3382-3 Puheen äänitaso  leviämisvaimennusaste DL 2 Normaali puheäänen voimakkuus: 59 dBA 1 metrin päässä puhujasta vapaassa kentässä Äänenpainetaso vaimenee lineaarisesti etäisyyden logaritmin funktiona Leviämisvaimennusaste DL 2 kertoo, montako desibeliä puheen A-painotettu äänitaso vaimenee, kun etäisyys puhujaan kaksinkertaistuu DL 2 yhteydessä määritetään äänenpainetaso 4 m päässä puhujasta, L p,S,4m, josta etäämmällä DL 2 määritys tapahtuu

46 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.46 RIL 243-3-2008 ohjearvot Käytössä myös Sisäilmastoluokitus 2008:ssa, hyödynnetään SFS 5907 standardia päivitettäessä Luokka A edustaa parasta olosuhdetta, D heikointa puheen häiritsevyyssäde r D –puheen häiriöala r D 2 –tavoitteena pieni arvo –kentällä mitattu arvoja 4 – 20 metriä –puheen leviämisvaimennusaste DL 2 –tavoitteena suuri arvo –kentällä mitattu arvoja 4-14 dB

47 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.47 Luokkia A-D vastaavat käyrät 33 42

48 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.48 Jälkikaiunta-aika ei sovellu mittaluvuksi avotoimistoihin jälkikaiunta-aika kertoo miten nopeasti ääni vaimenee jossain pisteessä muttei sitä, miten kauas puheäänet kantautuvat SFS 5907 ohjearvo avotoimistoille (T 20 <0.45 s) laadittiin 2004, jolloin parametrin DL 2 tarpeellisuus ei ollut tiedossa vielä T 20 ei korreloi DL 2 kanssa Tämän vuoksi ISO 3382-3 standardi ei sisällä jälkikaiunta-ajan mittausta 0.45 s

49 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.49 Avotoimistojen leviämisvaimennusaste regressiomalli  c on katon keskimääräinen absorptiosuhde,  v on pystypintojen keskimääräinen absorptiosuhde, H on huonekorkeus [m], L on huonepituus [m] ja h on seinäkkeiden tai kaapistojen korkeus [m]. STI saadaan, kun tunnetaan L SN ja EDT. EDT voidaan mallintaa T 60 avulla, joka arvioida Sabinen kaavalla. Keränen and Hongisto Applide Acoustics, 2013

50 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Huoneakustiikka.50 www.ttl.fi/avotoimistoakustiikka 1 LÄHTÖ TIETOJEN SYÖTTÖ 3 TULOSTEN VERTAILU SUOSITUS ARVOIHIN 2 TULOKSET Puheen voimakkuus (dBA) tai erotettavuus (STI) eri etäisyyksillä puhujasta käyrän valinta