Gastauteur Toine Dingemans / Foto's Fa.SoundScapeS | 09 augustus 2012 |  <   > |
TAGS: Recensies |

Wat is akoestiek thuis? Deel 3

n een reeks van drie artikelen wordt er ingegaan op wat is akoestiek thuis door Toine Dingemans van de firma SoundScapeS. Dit is het derde en laatste artikel.

Reflectiebeheersing en Diffusers

Het weerkaatste golfpatroon van een geluidsgolf die op een vlakke wand valt, blijft ruimtelijk (spectraal) ongewijzigd ten opzichte van het invallende geluid (fig.16). Hieruit volgt dat de vanuit de bron afgestraalde geluidsgolf grotendeels ongewijzigd blijft, niet verstrooid wordt en weerkaatst vanaf de vlakke wand. Hierbij zal de hoek van inval gelijk zijn aan de hoek van weerkaatsing, precies zoals bij lichtreflectie het geval is.


Fig.16 – 1e reflectiezone

Dit verschijnsel zal er in de praktijk toe leiden dat een reflectie vanaf de vlakke (zij)wand wordt waargenomen als een echo, in het bijzonder indien de geluidsbron een richtinggevoelig instrument is, zoals een trompet. Het lijkt dan alsof er op de plaats van de reflectie – op het eerste reflectiepunt dus - een tweede, schijnbare geluidsbron is opgesteld. Dit is bijzonder nadelig voor de werkelijkheidsbeleving van muziek, omdat het voor een onrealistische verstoring van de ruimtelijke informatie (plaatsing) van het instrument zorgt, dat zowel een directe afstraling kent, als een minimaal in de tijd vertraagde echo op en via de zijwand (versmering).

Om versmering te bestrijden kunnen in de eerste reflectiezone diffusers worden geplaatst, waardoor de geluidsenergie omnidirectioneel wordt verstrooid en het geluid van richtinggevoelige instrumenten zich niet in de vorm van "geluidsstralen" voortplant in de ruimte. De luisteraar zal zich hierdoor niet langer bewust zijn van de aanwezigheid van de reflecterende wand. Diffusie, mits doordacht toegepast, kan de reflecterende (begrenzende) wanden van een muziekruimte sonisch laten verdwijnen, waardoor de in de opname zelf opgesloten ruimte-informatie beter tot uitdrukking kan komen.


Fig.17 – PRD (Primitive Root Diffuser)  

Door tegen de vlakke wand, over het eerste reflectiepunt, een halfcirkelvormige constructie te plaatsen, zal het gereflecteerde golfpatroon niet langer in een plat vlak worden teruggekaatst, maar in een halfcirkelvormig vlak. Een halve cylinder zal zodoende enige ruimtelijke spreiding introduceren, alhoewel binnen een zeer beperkte frequentieband, die wordt gedicteerd door de diameter van de cylinder. Het gereflecteerde golffront is daarnaast nog altijd zeer “geordend” of “coherent” – herkenbaar als zijnde een reflectie, met als hoorbaar resultaat één of zelfs meerdere virtuele geluidsbronnen op een plaats waar deze niet horen te zijn. Op die manier kan een cylinder het probleem met de schijnbare geluidsbronnen zelfs nog verergeren.

Hoewel een halve cylinder voor enige smalbandige ruimtelijke spreiding kan zorgen, is het daardoor nog niet automatisch ook een goede diffuser, aangezien spectrale spreiding (spreiding in de tijd) er niet mee kan worden gerealiseerd. Een echte diffuser - zoals de Schroeder-diffuser - verandert niet alleen de ruimtelijke spreiding, maar ook de fase van de gereflecteerde golffronten. Een diffuser combineert dus ruimtelijke spreiding van het geluid met spectrale spreiding.  

Wat DOET een diffuser precies?

Simpel: een diffuser zorgt ervoor dat componenten van de oorspronkelijke geluidsgolf zowel vanuit verschillende richtingen, alsook op verschillende momenten bij de luisteraar aankomen.

Wanneer het directe geluid zich nu vermengt met het diffuse geluidsveld wordt de uitwerking van het gevreesde kamfiltereffect sterk geneutraliseerd en de relatieve sterkteverschillen die er het gevolg van zijn teruggedrongen. De spectrale inhoud (tijds- en fase-informatie) van het directe geluidsveld kan daardoor completer worden waargenomen. Behalve om te voorzien in een uniforme dispersie van geluidsgolven, is ook het terugdringen van het kamfiltereffect één van de voornaamste motieven voor het toepassen van diffusers in akoestische thuissituaties.  ”Coherentie” is een belangrijk begrip bij het karakteriseren van de hoedanigheid van een reflectie. De reflectie van een geluidsgolf vanaf een vlakke wand zou als "coherent" kunnen worden omschreven (in overeenstemming en samenhang met het origineel), terwijl de reflectie van een geluidsgolf vanaf een diffuserwand als "incoherent" kan worden omschreven.

Fig.18 – Schroeder diffuser

Vanuit een zuiver fysiek standpunt bezien doet coherentie zich voor, wanneer er een vaste, tijdsonafhankelijke faseverhouding is tussen de verschillende delen van een golffront. Echter, zowel voor vlakke wanden als voor complexe diffusers geldt dat er een vaste faseverhouding bestaat. Het golffront van een diffuser is in feite dus niet incoherent, alleen maar behoorlijk gecompliceerd. Complexiteit is echter voldoende om de heilzame werking ervan te verklaren. Om werkelijke fysieke incoherentie te verkrijgen, zou het diffuseroppervlak op een willekeurige wijze moeten bewegen in de tijd. Iets dat niet onmogelijk is... maar feitelijk onnodig.

Een andere manier van omgaan met de terminologie is te zeggen dat de reflectie diffuus is. Hiervoor bestaat evenwel geen formele definitie, maar het slaat op de situatie waarin een reflectie zowel ruimtelijk als spectraal (in de tijd) verstrooid word. De gevreesde versmering komt tot een einde... 

In elk geval verwijst diffusie naar alle kunstmatig gecreërde of natuurlijke situaties, waarin het geluidsveld en de oppervlaktereflecties beduidend complexer worden dan die welke door een vlakke wand worden opgewekt. Het gevolg van een onregelmatig oppervlak is het teweegbrengen van diffractie, ofwel het opbreken van een golffront ten gevolge van driedimensionale randen, kanten en andere effecten. In plaats van over diffractie spreken akoestici tegenwoordig liever over diffusie, diffuse reflectie, spreiding en verstrooiing. 

Fig.19 – homogene 3D-diffusie

Schroeder's Diffusers 

Eén van de belangrijkste gebeurtenissen op het gebied van diffuserontwerp, en feitelijk één van de belangrijkste gebeurtenissen op het gebied van akoestiek zelf, is de uitvinding van de "phase grating diffuser" door M.R. Schroeder, rond 1970. Afgezien van enkele zeer simpele constructies en vormen, bestond er niet eerder een echte diffuser, die geluidsgolven op een voorspelbare manier wist te verstrooien binnen een voldoende groot en eveneens voorspelbaar frequentiebereik van enkele oktav


Fig.20 QRD-7

De Schroeder-diffuser biedt de mogelijkheid om optimale diffuseroppervlakken te berekenen. Schroeder-diffusers worden commercieel op de markt gebracht, waarbij de Amerikaanse firma RPG van meet af aan het voortouw heeft genomen.

SoundScapeS biedt sinds 2005 Schroeder-diffusers aan voor een duidelijk meer "hollandse" prijs. 
Voor info, zie http://www.soundscapes.nu/rb_qrd.htm

Een Schroeder-diffuser wordt ook wel een QRD genoemd (quadratic residue diffuser) en bestaat uit een serie “nissen” of segmenten van gelijke breedte, maar met wisselende diepte. Deze segmenten zijn fysiek van elkaar gescheiden door dunne scheidingswandjes of vinnen. De diepte van de segmenten is het resultaat van een mathematische reeks, die nog verder kan worden geoptimaliseerd. Een eendimensionale diffuser, zoals de QRD. veroorzaakt spreiding in het ene vlak (haaks op de segmenten) en gedraagt zich in de andere richting (evenwijdig aan de segmenten) als een plat vlak.

Fig.21 – QRD-13 diffuser (zelfbouw)

Voor de liefhebber is hier een stukje theorie, dat de werking van een QRD beschrijft:

Een vlak geluidsfront treft het diffuserpaneel. Delen van de golf vervolgen hun weg in de verschillende segmenten - de golf breekt op.

Het geluid reflecteert vanaf de bodem van de segmenten, en straalt weer terug de ruimte in. We gaan er voor het gemak van uit dat hierbij geen verlies van energie optreedt, hetgeen onder andere bewerkstelligt wordt door ernaar te streven om het diffuserpaneel niet-absorberend te maken, maar juist akoestisch zo hard en reflecterend mogelijk.

De druk op een punt net voor de diffuser wordt zodoende bepaald door de wisselwerking tussen de uit elk segment komende golven.

Al deze golven hebben dezelfde amplitude maar een verschillende fase, vanwege de faseverschuiving die heeft plaatsgevonden als gevolg van de tijd die nodig is voor de akoestische golf om naar onder en weer naar boven te gaan in ieder segment met verschillende diepte.

Hieruit volgt dat de polaire verdeling van de spreiding (spreiding over een gradenboog) bepaald wordt door de keuze van de segmentdieptes (fig.19 en 22).

Schroeder toonde aan, dat door het kiezen van een bepaalde meetkundige sequentie de energie, die over elke diffractielob-richting verspreid wordt, hetzelfde is.

Regelmatige diffractielobben (zoals in een polair diagram getoond, fig.19 en 22) worden opgewekt omdat het oppervlak periodisch is (d.w.z. dat de diffuser zich dient te herhalen). Periodiciteit is cruciaal voor het verkrijgen van homogene diffusie, en hiervoor is feitelijk een minimum van vier periodes nodig.


Fig.22 – polair diagram

Tot zover de theorie. Hieronder enige opmerkingen over de praktische implicaties van de theorie. 

De maximale segmentdiepte van een QRD definieert, althans voor een deel, de onderste grensfrequentie waarop de diffuser nog werkzaam kan zijn. Door het modificeren van segmentdieptes met andere sequenties, blijft de nodige speelruimte voor de ontwerper over om de grenzen van de ‘basisdiffuser’ te kunnen aanpassen en oprekken.

De segmentbreedte definieert op zijn beurt de bovenste grensfrequentie waarbij de diffuser nog werkzaam is. Dit gaat echter alleen werkelijk op, indien het om een geoptimaliseerd ontwerp gaat. In onvoldoende geoptimaliseerde ontwerpen wordt de onderste grensfrequentie nodeloos verhoogd door verkeerd gekozen segmentdieptes op basis van een ontoereikende sequentie. Het is echter mogelijk om een goed werkende QRD-diffuser te ontwerpen, die binnen ruime grenzen (3,5 tot 4 octaven) de opvallende geluidsgolven verstrooit.

QRD-11, -13 of -17 ontwerpen (fig.21) kunnen zelfs een nog groter werkgebied omvatten, maar de complexiteit van het bouwen neemt enorm toe. 

De WaveWeaver Formule

SoundScapeS ontwierp, op basis van de Schroeder QRD-7 diffuser, een ruimte- en materiaalbesparende diffuser, waarbij het diepste segment gevouwen werd.

Fig.23 toont hierna een klassieke, symmetrische QRD-7. die in feite veel ‘loze ruimte’ bevat. Die loze ruimte is nodig om de maximale segmentdiepte te kunnen realiseren.


Fig.23 – klassieke QRD

Door het vouwen van het diepste segment wordt 45% reductie van de paneeldiepte verkregen bij gelijkblijvende maximale segmentdiepte en bij gelijkblijvende specificaties. Zie fig.24 hieronder.


Fig.24 – WaveWeaver QRD

Besparing op materiaalkosten en een principieel eenvoudigere constructie verdienen zich terug in de vorm van een goedkoper product, dat door SoundScapeS de “WaveWeaver” diffuser is genoemd.


Fig.25 – WaveWeaver prototype

WaveWeaver diffusers zijn sinds 2005 te koop en letterlijk honderden panelen hebben hun weg gevonden naar vele tevreden klanten, die hun mening erover ook niet onder stoelen of banken hebben gestoken, getuige de grote hoeveelheid feedback die SoundScapeS mocht ontvangen: http://www.soundscapes.nu/feedback.htm

Inmiddels zijn WaveWeaver diffusers ook verkrijgbaar als bouwpakket, voor doe-het-zelvers die de arbeidsintensieve assemblage niet schuwen.

Alle informatie is te vinden op de SoundScapeS webpagina van WaveWeaver: http://www.soundscapes.nu/rb_qrd.htm


Fig.26 WaveWeaver Model-1 & 2

Hybride Toepassingen

In sommige gevallen kan een QRD eveneens als absorberend element worden ingezet. Door het met vilt of een ander absorberend middel bekleden van de segmenten van de diffuser ontstaat bruikbare absorptie.

Directe bespanning van een diffuser met stof, zelfs indien het akoestisch transparante luidsprekerstof zou zijn, is ten zeerste af te raden. Er zal uitgesproken krachtige, ongewenste, en zeer selectieve absorptie door ontstaan. Maar het plaatsen van stoffering op een afstand van tenminste 10cm voor de monding van de segmenten is wel toegestaan, en levert aldus zinvolle aanvullende absorptie op, terwijl het de diffuser eveneens aan het zicht onttrekt, voor het geval dit wenselijk zou zijn.

Het is evenwel ook mogelijk om de ruwe diffuser te schilderen, hetgeen voor veel klanten van SoundScapeS esthetisch verantwoord blijkt te zijn, soms zelfs in een woonsituatie.


Fig.27 – WaveWeaver-1

Conclusie U las een relatief korte, maar behoorlijk complete verhandeling over het fenomeen "akoestiek thuis". De toevoeging "thuis" refereert uiteraard aan de praktijk van kleinschalige akoestiek in de thuissituatie. Hoewel hier dezelfde wetmatigheden gelden als bij grootschalige akoestiek, moet de implementatie van maatregelen natuurlijk wel afgestemd kunnen worden op de huiselijke omgeving. Eveneens is het noodzakelijk dat de toe te passen akoestische hulpmiddelen en maatregelen door particulieren kunnen worden aangekocht in realistische hoeveelheden of oppervlaktes (een minimale afname van 200 vierkante meter is bijvoorbeeld niet echt realistisch te noemen).

SoundScapeS neemt op dit punt een tamelijk unieke plaats in, omdat specialisatie en expertise in akoestiek voor de huiselijke omgeving heeft geresulteerd in veel kennis over specifieke producten die door particulieren kunnen worden verworven, en die met creativiteit en vindingrijkheid beslist op een esthetische wijze in een woonomgeving kunnen worden ingepast. U vindt op de website van SoundScapeS heel veel informatie over deze praktijk en de toepassingen om akoestiek te beheersen, waardoor u snel een tastbaar beeld krijgt, waarmee de theorie in deze verhandeling wellicht tot leven komt.

Deel 1 kunt U hier vinden : "Wat is Akoestiek thuis ?"  deel 1

Deel 2 kunt U hier vinden : "Wat is Akoestiek thuis ?"  deel 2

Met name wil ik u aan het einde van deze verhandeling nog wijzen op een artikel getiteld, “Akoestiekoplossingen in de Woonomgeving” en welke ook gepubliceerd zijn op Puresound.

Op Puresound : 

Akoestiekoplossingen in de Woonomgeving deel 1

Akoestiekoplossingen in de Woonomgeving deel 2

Akoestiekoplossingen in de Woonomgeving deel 3

Informatie SoundScapeS:  http://www.puresound.be/bedrijven/soundscapes/ SoundScapeS (Thuis in akoestiek thuis)