Akustik og resonans

Akustik er læren om lyd, herunder lydens opståen, udbredelse og modtagelse. I mere snæver forstand bruges begrebet akustik også om rumakustik, dvs. den måde, hvorpå lyden forplantes og tilbagekastes i et rum (eksempelvis en koncertsal).

1. Rumakustik

Rumakustik er et udtryk for, hvordan lyd forplanter sig i et givent rum, og hvor lang lydens efterklangstid i rummet er. Man kan kalde det rummets klanglige fingeraftryk. Efterklangstiden er den tid, det tager lyden at dø ud i rummet. Teknisk set defineres efterklangstiden som den tid, det tager for lyden at falde med 60 dB (svarende til en milliontedel af sin oprindelige styrke).

Når en lyd forlader en lydgiver, skal den passere gennem et rum, inden den når frem til lytteren. Nogle af lydbølgerne bevæger sig direkte fra lydgiveren til lytteren. Hvis lydgiveren er placeret i et lukket rum, rammer andre af lydbølgerne rummets grænseflader (vægge, gulv, loft og inventar), hvorefter de bliver reflekteret og sendt tilbage ud i rummet. Nogle af refleksionerne når frem til lytteren, mens andre rammer rummets grænseflader og bliver reflekteret igen.

Lytteren hører altså først den direkte lyd og dernæst den indirekte lyd (efterklangen, også kaldet rumklangen), som er tilbagekastet fra rummets grænseflader. Rummet sætter et forholdsvis stort præg på lyden, inden den når frem til lytteren, og det kan medføre, at lyden forstærkes, dæmpes eller ændrer klang og karakter. Den samme lyd kan altså lyde forskelligt i forskellige rum.

Grundet de mange refleksioner og lydens forholdsvis lave hastighed, har lyden typisk en vis efterklangstid i et rum. Efterklangen afhænger både af rummets størrelse og af væggenes vinkler og materiale. Jo større rummet er, jo længere tid går der mellem lydbølgernes refleksioner, og jo længere er efterklangen. Jo bedre væggene er til at absorbere lyden, jo dårligere er lydbølgernes refleksioner, og jo kortere er efterklangen. Hvis væggene absorberer al lyden, er der ingen efterklang, og rummet siges da at være lyddødt.

Lydabsorption og tilbagekastning

Lyden i et rum absorberes af rummets overflader, så den lyd, der tilbagekastes fra overfladerne, er reduceret i forhold til den lyd, der rammer overfladerne. Den procentdel af lyden, der absorberes af overfladerne, kaldes for overfladernes absorptionskoefficient.

Bløde materialer som polstrede møbler, tæpper, senge og puder og materialer med porøse og ujævne overflader har en høj absorptionskoefficient. Hårde, stive og glatte materialer som møbler, vægge, lofter og gulve har en lav absorptionskoefficient.

Følgende tabel viser absorptionskoefficienten i procent for en række forskellige materialer og toner. Bemærk, at lyse toner ofte absorberes bedre end dybe toner:

Materiale	c	c1 (midter-c)	c2	c3	c4	c5
Åbent vindue	100%	100%	100%	100%	100%	100%
Parketgulv (fyrretræ)	5%	3%	6%	9%	10%	22%
Blødt gulvtæppe (på beton)	9%	8%	21%	26%	27%	37%
Murstensmur (umalet)	2,4%	2,5%	3,1%	4,2%	4,9%	7,0%
Gipspuds (på hulsten)	1,3%	1,5%	2,0%	2,8%	4,0%	5,0%
Teakpanel	9%	17%	17%	15%	15%	15%
Publikum (siddende)	72%	89%	95%	99%	100%	100%

Et parketgulv absorberer altså 3% af lyden fra midter-c og tilbagekaster 97% af lyden. Et åbent vindue absorberer naturligvis al lyden, idet lyden blot fortsætter ud af vinduet. Træpaneler er ganske anvendelige, fordi de absorberer nogenlunde lige meget af alle tonehøjder.

Rummets vinkler har desuden stor betydning for efterklangen. Et buet loft kan eksempelvis tilbagekaste lyden i en retning, så den bliver alt for stærk i et vist punkt. En krumning i loftet kan absorbere næsten lige så meget lyd som et åbent vindue, fordi lyden i krumningen først kommer ud igen efter et så stort antal tilbagekastninger, at den har mistet sin styrke.

Ved et ekko kastes lyden direkte tilbage til udgangspunktet som en kraftig enkeltstående refleksion. Betingelsen er, at tilbagekastningen kan ske fra en væg, mur, bjergside eller lignende på så tilpas lang afstand, at tilbagekastningen ikke blander sig med lydudsendelsen.

God og dårlig rumakustik

Man kan opstille fem kriterier for, hvad der resulterer i god rumakustik:

• Passende efterklangstid. Efterklangstiden skal være tilpasset rummets størrelse og anvendelse, og den skal være lige lang for alle frekvenser.
• Ensartet lydfordeling. Lyden skal have samme volumen og klang overalt i rummet.
• Passende lydstyrke. Lydniveauet skal være tilpas højt i forhold til baggrundsstøjen.
• Lav baggrundsstøj. Støjen fra udefrakommende lydkilder (eksempelvis trafikstøj) og indefrakommende lydkilder (eksempelvis ventilatorer) skal være lav.
• Intet ekko. Kraftige enkeltstående refleksioner af lyden må ikke forekomme.

I et almindeligt opholdsrum opfatter vi akustikken som behagelig, hvis efterklangstiden er omkring 0,6 sekunder. Da vil lydbilledet være klart og tydeligt. Hvis efterklangstiden er for lang, giver det en rungende lyd i rummet, og hvis den omvendt er for kort, vil de manglende refleksioner af lyden betyde, at man skal tale meget højt for at blive hørt.

I klassiske koncertsale har man typisk en efterklangstid på omkring 2,3 sekunder afhængigt af salens størrelse. I rytmiske koncertsale er den typisk omkring 0,6 sekunder. I teatre, hvor man skal kunne høre tale klart, er den typisk omkring 1 sekund, og i operahuse en lille smule længere. I store katedraler kan efterklangstiden være helt op til femten sekunder.

Ved opførelsen af DR's Koncerthus blev der i byggeprogrammet krævet en efterklangstid på 2,3 sekunder (og en noget længere efterklangstid på 2,6 sekunder for basområdet). Efterklangstiden viste sig efterfølgende kun at være på 2,0 sekunder, og det fik flere til at rette kritik af akustikken (der frembragte en meget tør lyd), som derfor efterfølgende blev justeret.

Man kan mindske støjgener og forebygge dårlig akustik ved brug af lydisolering og lydregulering. Lydisolering sker ved, at man reducerer lofters, vægges og andre bygningsdeles evne til at udbrede lyd. Lydisolering kan eksempelvis dæmpe lyden fra et musikanlæg i et andet lokale. Lydregulering sker ved, at man ændrer lokalets udformning, overflader og inventar.

2. Resonans

Resonans er et fysisk fænomen, hvor et svingende legeme (eksempelvis en streng på en guitar) fremkalder tilsvarende svingninger i et andet legeme. Disse såkaldte medsvingninger kan opstå, hvis begge legemer har samme egenfrekvens, dvs. hvis begge legemer svinger ved samme frekvens, når de udsættes for en fysisk påvirkning.

Helt konkret kan resonans eksempelvis opstå, hvis en streng på en guitar sættes i svingninger, og der på samme guitar er en anden streng med en tilsvarende tone. Den anden streng vil da give sig til at svinge og frembringe en svagtklingende tone (der kan høres, hvis første streng dæmpes).

På akustiske musikinstrumenter udnytter man resonans til at forstærke tonerne, der ellers ville være meget svagt klingende. På guitarer og strygere er resonanslegement en hul resonanskasse, på klaverer er det en flad klangbund, og på de fleste blæseinstrumenter er det et aflangt rør.

Når en tone frembringes, hjælper resonanslegemet med til, at tonens svingninger forstærkes, dels ved at resonanslegement sættes i medsvingninger, og dels ved at lydkildens svingninger tilbagekastes fra resonanslegemets overflade. Resonanslegemet har desuden en modificerende effekt på tonen, der gør, at tonen får en anden klangfarve.

Akustik er læren om lyd, herunder lydens opståen, udbredelse og modtagelse. I mere snæver forstand bruges begrebet akustik også om rumakustik, dvs. den måde, hvorpå lyden forplantes og tilbagekastes i et rum (eksempelvis en koncertsal).

1. Rumakustik

Rumakustik er et udtryk for, hvordan lyd forplanter sig i et givent rum, og hvor lang lydens efterklangstid i rummet er. Man kan kalde det rummets klanglige fingeraftryk. Efterklangstiden er den tid, det tager lyden at dø ud i rummet. Teknisk set defineres efterklangstiden som den tid, det tager for lyden at falde med 60 dB (svarende til en milliontedel af sin oprindelige styrke).

Når en lyd forlader en lydgiver, skal den passere gennem et rum, inden den når frem til lytteren. Nogle af lydbølgerne bevæger sig direkte fra lydgiveren til lytteren. Hvis lydgiveren er placeret i et lukket rum, rammer andre af lydbølgerne rummets grænseflader (vægge, gulv, loft og inventar), hvorefter de bliver reflekteret og sendt tilbage ud i rummet. Nogle af refleksionerne når frem til lytteren, mens andre rammer rummets grænseflader og bliver reflekteret igen.

Lytteren hører altså først den direkte lyd og dernæst den indirekte lyd (efterklangen, også kaldet rumklangen), som er tilbagekastet fra rummets grænseflader. Rummet sætter et forholdsvis stort præg på lyden, inden den når frem til lytteren, og det kan medføre, at lyden forstærkes, dæmpes eller ændrer klang og karakter. Den samme lyd kan altså lyde forskelligt i forskellige rum.

Efterklangen afhænger både af rummets størrelse og af væggenes vinkler og materiale. Jo større rummet er, jo længere tid går der mellem lydbølgernes refleksioner, og jo længere er efterklangen. Jo bedre væggene er til at absorbere lyden, jo dårligere er lydbølgernes refleksioner, og jo kortere er efterklangen. Bløde materialer som polstrede møbler, tæpper, senge og puder og materialer med porøse og ujævne overflader er gode til at absorbere lyden. Hårde, stive og glatte materialer som møbler, vægge, lofter og gulve er dårlige til at absorbere lyden.

God og dårlig rumakustik

I et almindeligt opholdsrum opfatter vi akustikken som behagelig, hvis efterklangstiden er omkring 0,6 sekunder. Da vil lydbilledet være klart og tydeligt. Hvis efterklangstiden er for lang, giver det en rungende lyd i rummet, og hvis den omvendt er for kort, vil de manglende refleksioner af lyden betyde, at man skal tale meget højt for at blive hørt.

I klassiske koncertsale har man typisk en efterklangstid på omkring 2,3 sekunder afhængigt af salens størrelse. I rytmiske koncertsale er den typisk omkring 0,6 sekunder. I teatre, hvor man skal kunne høre tale klart, er den typisk omkring 1 sekund, og i operahuse en lille smule længere. I store katedraler kan efterklangstiden være helt op til femten sekunder.

Ved opførelsen af DR's Koncerthus blev der i byggeprogrammet krævet en efterklangstid på 2,3 sekunder (og en noget længere efterklangstid på 2,6 sekunder for basområdet). Efterklangstiden viste sig efterfølgende kun at være på 2,0 sekunder, og det fik flere til at rette kritik af akustikken (der frembragte en meget tør lyd), som derfor efterfølgende blev justeret.

Man kan mindske støjgener og forebygge dårlig akustik ved brug af lydisolering og lydregulering. Lydisolering sker ved, at man reducerer lofters, vægges og andre bygningsdeles evne til at udbrede lyd. Lydisolering kan eksempelvis dæmpe lyden fra et musikanlæg i et andet lokale. Lydregulering sker ved, at man ændrer lokalets udformning, overflader og inventar.

2. Resonans

Resonans er et fysisk fænomen, hvor et svingende legeme (eksempelvis en streng på en guitar) fremkalder tilsvarende svingninger i et andet legeme. Disse såkaldte medsvingninger kan opstå, hvis begge legemer har samme egenfrekvens, dvs. hvis begge legemer svinger ved samme frekvens, når de udsættes for en fysisk påvirkning.

Helt konkret kan resonans eksempelvis opstå, hvis en streng på en guitar sættes i svingninger, og der på samme guitar er en anden streng med en tilsvarende tone. Den anden streng vil da give sig til at svinge og frembringe en svagtklingende tone (der kan høres, hvis første streng dæmpes).

På akustiske musikinstrumenter udnytter man resonans til at forstærke tonerne, der ellers ville være meget svagt klingende. På guitarer og strygere er resonanslegement en hul resonanskasse, på klaverer er det en flad klangbund, og på de fleste blæseinstrumenter er det et aflangt rør.

Når en tone frembringes, hjælper resonanslegemet med til, at tonens svingninger forstærkes, dels ved at resonanslegement sættes i medsvingninger, og dels ved at lydkildens svingninger tilbagekastes fra resonanslegemets overflade. Resonanslegemet har desuden en modificerende effekt på tonen, der gør, at tonen får en anden klangfarve.