Küçük müzik hacimlerinde alçak frekans ses alanının dalga bazlı sonlu elemanlar yöntemi (FEM) ile analizi ve bir tasarım yaklaşımı

Abstract

Küçük müzik hacimleri, iyi bir akustik konforun sağlanması durumunda motivasyonun, etkinliğin, verimliliğin ve performansın artmasının sağlandığı, çalma, çalışma, prova, kayıt ve dinleme gibi eylemlerin gerçekleştirildiği ortamlardır. Pek çok müzik öğrencisi ya da müzisyen için prova odaları, kayıt odaları, dinleme alanları gibi odalar, akustik konforun ön planda olduğu, sessiz ve enstrümanla uyumlu bir şekilde oluşturulmuş akustik çalışma ortamlarıdır. Küçük müzik hacimlerinde oluşan ses alanı, hacim boyutlarına bağlı olarak, alçak frekanslarda oluşan rezonansların etkisiyle büyük ölçüde değişime uğramaktadır. Kaynaktan çıkan direkt ses ile yakın yüzeylerden yansıyan ses dalgasının etkileşiminin sonucu olarak hacim içerisinde dağınık olmayan bir ses alanı oluşmaktadır. Oda rezonansları beraberinde ses alanında tını değişimi, eşit olmayan ses dağılımı, renklenme, hacim tepkisindeki düzensizlikler gibi akustik kaliteyi etkileyen pek çok sorun oluşturmaktadır. Çözüm olarak yaygın bir şekilde mod kontrolü için kullanılan geniş bant yutucu sistemlerin etkisiyle yansıma düzeyinde total bir azalma sağlanarak modların algılanabilirliği azaltılmaktadır. Fakat reverberasyon süresindeki bu azalım beraberinde erken yararlı yansımaları da azaltarak hacimde yetersiz ses düzeyi, tını değişimi, mekânsal izlenimin ya da varlık hissinin azalması ve desteğin azalması gibi akustik kusurlara neden olmaktadır. Reverberasyon, ses alanında fiziksel ve algısal olarak değerlendirmede öncül ve kapsayıcı bir parametre olarak öne çıkmaktadır. Aynı zamanda hacimlerin akustik ortamının tasarımında ve değerlendirilmesinde kullanılan standart ve yönergelerde optimum koşullar reverberasyon parametresi ile ifade edilmektedir. İyi bir akustik ortam için bu parametrelerin optimum değerlerinin sağlanması ve bu amaçla fiziksel tasarımda hacim, boyut, oran, geometri, form, malzeme gibi tasarım elemanlarının ses alanı üzerindeki etkisinin bilinmesi gerekmektedir. Küçük hacimlerin analizi ve tasarımına yönelik ortaya konan başlıca hipotezler aşağıdaki gibi sıralanmıştır. • Küçük müzik hacimlerinin değerlendirilmesinde reverberasyon süresi yeterli değildir. Bu nedenle optimum performans için spektral içeriğin ve zamana bağlı değişimin rezonans algısı ile ilişkili olarak değerlendirildiği bir tasarım yaklaşımı kullanılmalıdır. • Odanın fiziksel özelliklerine bağlı olarak ses alanı dağınıklığı istatistiksel ve algı ile ilişkili olarak değerlendirilerek yüzey tasarımı kararı verilebilir. Ortaya konan hipotezlerin sınanması sırasında çalışmaya yön veren araştırma soruları aşağıdaki gibi özetlenebilir. 1. Küçük hacimlerin tasarımında ve değerlendirilmesinde etkin akustik parametreler ve ilgili standartlar nelerdir? (Bölüm 2) 2. Küçük hacimlerde elde edilen nesnel değerler ISO 23591:2021 standardında belirtilen değerleri karşılıyor mu? Akustik kusurlar nelerdir? (Bölüm 3) 3. Küçük hacimlerde öznel parametreler arası ilişkiler nasıl değişmektedir? Odanın akustik koşullarının müzisyen izlenimindeki etkisi nedir? (Bölüm 4) 4. Kaynak ve hacim ilişkisinde kaynak özelliklerinin ve hacim özelliklerinin ses alanına etkileri nelerdir? (Bölüm 5) 5. Ortam fiziksel koşullarına bağlı olarak algı ile ilişkili bir değerlendirme ve tasarım yaklaşımı kurgulanabilir mi? (Bölüm 5) Bu çalışmada küçük müzik hacimleri ve alçak frekanslarda oluşan akustik kusurlara yönelik bir tasarım yaklaşımı önerisi sunulmaktadır. Dolayısıyla, çalışmanın amacı doğrultusunda, Schroeder teorisine uygun olarak rezonansların etkin olduğu alçak frekans sorunlarının değerlendirildiği ve buna yönelik bir tasarım yaklaşımı oluşturulduğu için, 300 m3 altında hacme sahip iki oda seçilmiş ve analizler 50-350 Hz aralığında yapılmıştır. Çalışmanın ilk bölümünde tezin amacı ve kapsamı doğrultusunda literatür çalışmalarına ve ilgili standartlara yer verilmiştir. İkinci bölümünde, kapalı hacimlerde oluşan ses olaylarına ilişkin dalga teorisi ve bu teorilere bağlı olarak ortam, kaynak ve sınır koşulları özellikleri incelenmiştir. Çalışmanın üçüncü bölümünde, saha çalışması kapsamında yapılan hacim akustiği ölçümleri ile ilgili TS EN ISO 3382-1:2010 ve TS EN ISO3382-2:2009 standartlarından yararlanılmıştır. Ölçüm çalışması sonucunda elde edilen sonuçlar aşağıdaki gibidir. 1. Rezonansların etkisiyle elde edilen ani uyarı yanıtı alıcı konumları arası farklılık göstermektedir. Dolayısıyla ilgili nesnel akustik parametrelerinde standart sapma yüksek çıkmıştır. 2. Azalım eğrisinin erken kısmında geç kısmına göre sapma daha fazladır. 3. Oktav bantlardaki sapmalara bakıldığında modal alandan yayınık alana geçiş, Schroeder teorisine göre ampirik olarak hesaplanan kritik frekanstan daha yüksek çıkmıştır. Çalışmanın dördüncü bölümünde, müzisyenlerin rezonans etkin bir hacimdeki izlenimlerinin değerlendirilmesi amacıyla performansa dayalı yüz yüze anket çalışması yürütülmüştür. Elde edilen veriler ölçüm sonuçları ve ilgili standart ISO 23591:2021 ile karşılaştırılarak fiziksel koşulların izlenimler üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Müzisyenlerle yapılan anket çalışmasından elde edilen veriler istatistiki olarak nicel veri analizi ve nitel veri analizi ile analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar aşağıdaki gibidir: 1. Genel izlenimlerde en etkin ve en açıklayıcı parametreler reverberasyon ve gürlüktür. Rezonans etkin hacimde ise rezonans algısı ve netlik önem kazanmıştır. 2. Rezonansların etkisiyle reverberasyon süresi, ses gücü düzeyi yüksek enstrüman çalan müzisyenler tarafından normalden daha yüksek algılanmıştır. 3. Nitel veri analizlerinden elde edilen sonuçlara bakıldığında düşük reverberasyon süresine bağlı olarak uzamsallık hissinin azaldığı, reverberasyon eksikliğinin rahatsızlık yarattığı görülmüştür. Nesnel olarak rezonansların etkin olduğu tespit edilen prova odasında ise rezonanslara bağlı akustik bozulmalar ve kamaşma müzisyen izlenimini en çok etkileyen faktörlerdir. 4. Kayıt gibi çok hassas hacimlerin tasarımlarında rezonansların algılanabilirliğine yönelik kullanılan Q-faktör ve modal azalım süresi parametrelerinin eşik değerlerinin icra koşullarına yönelik kullanılabileceği, fakat toleransın icra koşulları için daha yüksek olduğu görülmüştür. Çalışmanın beşinci bölümünde, saha çalışmaları sonucunda elde edilen parametreler ve ölçütler kullanılarak bir tasarım yaklaşımı geliştirilmiştir. Yaklaşımın uygulanması ve doğrulanması amacıyla benzetim ortamında yürütülen parametrik analiz çalışmasında, fiziksel tasarım değişkenlerinin farklılaştırılmasıyla oluşturulan varyasyonlar karşılaştırılmış, yaklaşımda belirlenen ölçütler aracıyla değerlendirilmiştir. Benzetim yöntemi olarak kullanılan dalga bazlı sonlu elemanlar yöntemi için COMSOL Programı Akustik ve CAD-Import modülleri kullanılmıştır. Programın elde edilmesi MDK-2017-40689 no'lu proje desteği ile İstanbul Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından sağlanmıştır. Parametrik analiz çalışmasına ve yaklaşımın uygulanabilirliğine yönelik sonuçlar aşağıdaki gibidir: 1. Dalga boyunun yüksek olması nedeniyle, ancak oda biçiminde yapılan düzensizlikler mod yollarının kırılmasında etkilidir. Yüzey formu gibi daha küçük boyutlu değişiklikler ise rezonansın oluşmasını engellememekte, fakat enerjisini azaltmaktadır. 2. Farklı konumlarda oda geometrisine bağlı olarak benzer mod deseninin oluştuğu, bununla birlikte karın konumunda bulunan alıcı noktasında düğüm konumunda bulunan alıcıya göre daha çok sapma oluştuğu görülmüştür. 3. Kaynak yayımının doğrultusu ile mod yolunun çakışması durumunda bu doğrultulardaki alıcı noktalarında daha çok tepe ve vadi oluşmaktadır. 4. Kaynak ses gücünün artması frekans tepkisini eşit düzeyde yükseltmektedir. Dolayısıyla rezonansların algılanabilirliğini etkileyen tepe oluşumundaki keskinliği değiştirmemektedir. 5. Yüzey formu ve empedansının tek bir yüzey ölçeğinde farklılaşmasının ses alanına etkisi nesnel akustik parametreler (EDT, T20, T60) açısından irdelendiğinde, yüzeyler arası ses alanı farklılıklarının fark eşiğinin altında olduğu görülür. Bununla birlikte saçıcı sistemlerin rezonansların algılanabilirliğini önemli ölçüde azalttığı görülmektedir. Önerilen yaklaşımda öncelikle modal analizler ile oda karakterinin belirlenmesi ve böylelikle sorunlu frekansların ortaya konması ve buna yönelik akustik düzenlemenin uygulanması önerilmektedir. Yaklaşımda, odanın zaman tepkisi analizlerine ek olarak oda tepkisinin spektral içeriğini ortaya koyan frekans tepkisi analizleri, MSV ve VSA ölçütleri, odanın uzamsal dağınıklığının değerlendirilmesi önerilmiş. Aynı zamanda alıcı bazında yapılan rezonans algısı ile ilişkili ölçütler, reverberasyon süresini tümüyle azaltılmadan modal frekansların değerlendirilmesini mümkün kılmıştır.