Akustiikka ni ja melu Tk T Panu Maijala

Akustiikka, ääni ja melu Tk. T Panu Maijala

Sisältö • Esitys on kolmeen osaan jaettu kokonaisuus. Tavoitteena on esittää meluakustiikan alkeet mahdollisimman yksinkertaisesti esimerkkejä käyttäen ja unohtamatta kuitenkaan tärkeimpiä kaavoja. • Osa 1 – Johdanto akustiikkaan, ääneen ja meluun • Osa 2 – Meluakustiikan perusteita, värähtely, aallot ja perussuureet • Osa 3 – Kuuloaistin toiminta ja ominaisuuksia 2 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Osa 1 Johdanto akustiikkaan, ääneen ja meluun • Akustiikka on ääntä tutkiva tiede, äänioppi. • Akustiikka kreikan kielellä ακουστός, tarkoittaa kykyä kuulla. • Yleiskielessä tilan (esim. huoneen) kuuluvuus- ja kaikusuhteet (tätä ei käsitellä lainkaan). 3 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala • Ääni on värähtelyä, joka voi aiheuttaa kuulohavainnon. • Häiritsevä tai ihmiselle haitallinen ääni on melua. SFS-EN ISO 80000 -8 Suureet ja yksiköt. Osa 8: Akustiikka ISO/TR 25417: fi Akustiikka. Perussuureiden ja termien määritelmät

Akustiikan osa-alueita 4 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Akustiikka on monitieteellinen! 5 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Akustiikan standardit SFS-ISO 1996 SFS-ISO 532 SFS-EN ISO 354 SFS-EN ISO 389 ISO 18431 SFS-EN ISO 9612 SFS-ISO 17201 SFS-ISO 17208 -1 SFS-EN ISO 3740 SFS-EN ISO 11200 SFS-EN ISO 12354 ISO 12124 SFS 5907 SFS-EN ISO 717 SFS-EN ISO 7029 SFS-EN ISO 8253 SFS-EN ISO 266 ISO 16 SFS-EN ISO 4869 6 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Ääni signaalina: eri esitysmuodot • Ääni-ilmiö ajan funktiona jossakin pisteessä äänisignaali. • Äänen “visualisoimiseksi” erilaisia esitysmuotoja tai -tapoja, esim. – – – 7 Aikataso Taajuustaso Spektrogrammi (aika- ja taajuustasot samanaikaisesti) Matemaattisena funktiona Lukuarvoina, numeerisessa muodossa 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Esimerkki aikatason esitysmuodosta Äänitapahtuman amplitudin vaihtelu ajan funktiona. Amplitudin tilalla voisi olla esim. äänenpaine, yksikkönä Pascal. HN-ylilento, korkeus 500 m. 8 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Esimerkki taajuustason esitysmuodosta HN-ylilento, korkeus 500 m. 9 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Esimerkki spektrogrammista HN-ylilento, korkeus 500 m. 10 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Esimerkki 1/5 äänen jakamisesta taajuuskomponentteihinsa Kanttiaalto, 100 Hz, mukana kaikki harmoniset komponentit. Kanttiaallolla aikatason esitysmuodolla on vain kaksi amplitudiarvoa: 1 tai -1. 11 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Esimerkki 2/5 äänen jakamisesta taajuuskomponentteihinsa Kanttiaalto, 100 Hz, mukana 14 ensimmäistä harmonista komponenttia. 12 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Esimerkki 3/5 äänen jakamisesta taajuuskomponentteihinsa Kanttiaalto, 100 Hz, mukana 4 ensimmäistä harmonista komponenttia. 13 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Esimerkki 4/5 äänen jakamisesta taajuuskomponentteihinsa Kanttiaalto, 100 Hz, mukana vain kaksi ensimmäistä harmonista komponenttia. 14 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Esimerkki 5/5 äänen jakamisesta taajuuskomponentteihinsa ”Kanttiaalto”, 100 Hz, kun mukana on vain perustaajuus eli 1. harmoninen komponentti. Ääni on puhdas siniaalto. 15 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Mitä on häiritsevä ääni? Lp. Aeq Äänekkyys Terävyys Häiritsevyys 78 d. B 38 sone 0. 39 acum 67 au Lp. Aeq Äänekkyys Terävyys Häiritsevyys 78 d. B 50 sone 0. 89 acum 125 au Äänelle on laskettavissa useita tunnuslukuja, joilla karakterisoida äänen ominaisuuksia. Tässä esimerkissä kahden eri äänen A-painotetut ekvivalenttitasot, Lp. Aeq, ovat täsmälleen samat, mutta äänekkyys, terävyys ja siten myös ns. biasoimaton häiritsevyys eroavat. Tunnusluvut määritellään myöhemmin. 16 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Äänen syntymekanismeja • • • 17 Värähtelevät kiinteät rakenteet (levyt, palkit, kaiutinkartiot, …) Värähtelevät ilmapatsaat (puhallinsoittimet, …) Turbulenssista aiheutuva virtausmelu (suihkumoottorit, …) Liikkuvan kappaleen ja ilman vuorovaikutus (potkurit, …) Nopeat paineen tai lämpötilan muutokset (salama, …) Äänennopeuden ylityksestä aiheutuva iskuaalto (yliäänipamaus) 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Äänilähteen synnyttämä ääni on usein monen osalähteen yhdistelmä Pienemmällä nopeudella (<0. 6 M) lennettäessä kuvan osaäänilähteistä turbiinit jälkipolttimet päällä tuottavat pienemmän äänenpainetason, kuin osaäänilähteet nro: t 1, 2 ja 9 suurella nopeudella (0. 9 M) lennettäessä. 18 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Johdannon yhteenveto • Akustiikalla on yhteys useimpiin tieteen- ja taiteenaloihin • Ääni on kuulohavaintoon liittyvää värähtelyä • Mittareilla mitattavat fysikaaliset suureet ja kuulohavainto eivät aina korreloi keskenään. – Pienemmän äänitason ääni voi olla häiritsevämpi kuin äänitasomittarilla suuremmaksi todetun. • Ääntä syntyy värähtelystä, liikkeestä sekä paineen ja lämpötilan muutoksista. 19 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Osa 2 Meluakustiikan perusteita • • • Melunhallinnan peruskonsepti. Äänen alkulähteillä Suureet ja terminologia Äänen eteneminen Laskuesimerkkejä SFS-EN ISO 3740: en Acoustics. Determination of sound power levels of noise sources. Guidelines for the use of basic standards SFS-EN ISO 11200: en Acoustics. Noise emitted by machinery and equipment. Guidelines for the use of basic standards for the determination of emission sound pressure levels at a work station and at other specified positions 20 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Melunhallinnan peruskonsepti Äänilähteen vaimentaminen on aina ensisijainen tavoite, joko syntymekanismiin vaikuttamalla, tekemällä lähteen säteily mahdollisimman tehottomaksi tai estämällä lähteen säteily ympäristöön, esim. koteloimalla. 21 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Äänen alkulähteillä • Alkiomonopoli – Sykkivä pallo. Ympärisäteilevä, kun dimensiot aallonpituutta pienemmät, esimerkiksi suljettu kaiutin. • Alkiodipoli – Kaksi vastakkaisvaiheista lähellä toisiaan sijaitsevaa alkiomonopolia. Suuntakuvio kahdeksikko, esim. koteloimaton kaiutinelementti, edestakaisin värähtelevä levypinta. • Kvadrupoli – Kaksi vastakkaisvaiheista dipolia lähekkäin, esim. äänirauta. 22 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Äänilähdegeometriat ja vaimeneminen • Piste-/pallolähde – Monopolilähde, mutta myös dipoli ja kvadrupoli kaukokentässä. – Vaimenee 6 d. B etäisyyden kaksinkertaistuessa. – Yksittäinen kone tai laite. • (Ääretön) viiva-/sylinterilähde – Vaimenee 3 d. B etäisyyden kaksinkertaistuessa. – Yleensä tie voidaan käsitellä viivalähteenä. • (Ääretön) tasolähde – Ei vaimene etäisyyden muuttuessa, vakioäänikenttä kaikilla etäisyyksillä. • Myös äärelliset tasolähteet, kun tarkastellaan lähteen lähikenttää. 23 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Muutamia akustiikassa tarvittavia fysiikan suureita SFS-EN ISO 80000 Quantities and units / Suureet ja yksiköt - sarja 24 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Äänennopeus • Helppo käytännön kaava, kun väliaineena on ilma ja lämpötila annetaan Celsius-asteina: – Esim. c = 345 m/s, kun T = 22°C • Yleinen kaava äänennopeudelle kaasuissa: missä g ja R ovat kaasuvakioita. Tässä T on lämpötila Kelvin-asteissa ja M on kaasun molekylaarinen paino. • Kiinteille aineille on omat kaavansa. Esimerkiksi 0°C: ssa vedessä äänennopeus on 1410 m/s ja teräksessä yli 5 km/s. 25 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Ääni etenee aaltoina • Vertaa ääniaallot, valoaallot, veden aallot, sokkiaallot, radioaallot, röntgenaallot, . . . • Kaikki viestintä perustuu aaltoihin (kuva ja ääni). • Aalto kuljettaa mukanaan energiaa ja informaatiota. • Aallon etenemisnopeus = taajuus x aallonpituus: – Esim. kun 1 k. Hz: n ääni etenee 20 asteissa ilmassa, on aallonpituus 34 cm. • Ääniaalto = pitkittäinen värähtely kiinteässä aineessa, nesteessä tai kaasussa. • Ilmassa (tai muussa kaasussa) ääniaalto ilmenee molekyylien harventumina ja tihentyminä, jotka etenevät. • Käytännössä paine-erot ovat hyvin pieniä verrattuna ilmankehän paineeseen (100 k. Pa). Esim. 1 Pa ~ 94 d. B. 26 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Aaltoliikkeen ilmiöitä • Heijastuminen – Aalto tai osa siitä kääntyy takaisin rakenteen tai epäjatkuvuuskohdan reunasta tai päästä. – Heijastuneen aallon vaihe voi kääntyä (reunaehdosta riippuen). • Superpositioperiaate – Kaksi tai useampaa aaltoa voi edetä toisistaan riippumatta, mutta niiden kohdatessa kokonaisaalto saadaan laskemalla aallot yhteen. • Interferenssi = aaltojen summautuminen superpositio-periaatteen mukaisesti. • Seisova aalto = superposition aiheuttama aalto, joka näyttää pysyvän paikallaan, mutta käytännössä koostuu kahdesta vastakkaisiin suuntiin etenevästä aallosta. 27 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Lisää aaltoliikkeen ilmiöitä • Taittuminen (engl. refraction) – Aaltorintaman suunta muuttuu, kun aallon etenemisnopeus muuttuu. – Voi tapahtua aineiden rajapinnassa tai lämpötilajakauman takia (esim. akustinen inversio: kaukaa tuleva ääni kuuluu hyvin). Normaali Inversio: lämpötila on suurempi ylempänä ja äänen kulkusuunta kääntyy alaspäin. • Taipuminen eli diffraktio (engl. diffraction) eli ei-peilimäinen sironta – Aaltorintama siroaa kohdatessaan reunan tai muun esteen. • Kahden tai useamman äänilähteen aiheuttama interferenssi = aaltojen yhdistyminen superpositio- periaatteen mukaisesti. • Sironta on yleisnimitys kaikille äänen ei-peilimäisille kulkusuunnan muutoksille. 28 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Akustisia ympäristöjä • Vapaa kenttä on ympäristö, jossa ei ole heijastuksia. – Kaiuton huone ~ vapaa kenttä. • Puolikaiuton (puolipalloaaltokenttä) = ympäristö, jossa on yksi täysin heijastava pinta, esim. kova lattia. • Diffuusi kenttä (kaiuntahuone) on äänikenttä, jossa äärettömän monta korreloimatonta etenevää tasoaaltoa kaikissa kentän pisteissä. 29 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Äänikentät • Äänikenttä = äänen jakauma tilassa. • Lähikenttä – Lähellä äänilähdettä äänenpainetaso vaihtelee voimakkaasti. • Vapaa kenttä – Äänenpaine vaimenee kääntäen etäisyyteen verrannollisesti, ns. 1/r-lain mukaisesti (määritellään myöhemmin tarkemmin). • Kaiuntakenttä – Äänenpainetaso ei vaimene, vaan on vakio. – Kaiuntakentän alkukohdan nimitys on kaiuntasäde (= etäisyys jolla suora ääni ja kaiuntakenttä ovat yhtä voimakkaat). 30 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Akustiikan perussuureet: Äänenpainetaso • Kuvaa äänen voimakkuutta verrattuna referenssiäänenpaineeseen joka vastaa äänenpainetasoa 0 d. B. • Yksikkö desibeli , d. B – Belin kymmenesosa (vrt. desilitra, desimetri). • Esim. äänenpainetaso on 94 d. B, kun äänenpaine on 1 Pa. • Esim. puheen äänenpaine 1 m: n etäisyydellä on noin 20 m. Pa eli puheen äänenpainetaso on 60 d. B. 31 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala ,

Akustiikan perussuureet: Äänitehotaso • Ääniteho kertoo lähteen säteilemän kokonaistehon [W, watti]. Äänitehotaso lasketaan missä W on lähteen kokonaisteho ja vertailutaso W 0 = 10 -12 W = 1 p. W • Äänenpainetason ja äänitehotason suhde riippuu eri tekijöistä: – Vapaassa kentässä 1 m etäisyydellä Lp = LW - 11 d. B. – Vertaa analogiaa äänenpaineen ja lämpötilan välillä: • teholtaan 6 k. W sähkövastus nostaa enemmän suljetun saunan lämpötilaa, kuin avoimen ulkoterassin lämpötilaa… 32 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Ääniteho ja mekaaninen teho • Vain murto-osa koneiden ja laitteiden mekaanisesta tehosta muuttuu ääneksi. • Suihkukoneen äänentuoton hyötysuhde on alle 0, 01%. • Auton ja kodinkoneiden hyötysuhde on alle 0, 001%. • Korva on hyvin herkkä, joten melu voi silti olla sietämätön. • Hyötysuhteita (%) – Sireeni ilman torvea 1, sireeni torvella 30 -70 – Virtausmelu (M<0. 3) 8 M 3 x 10 -4. . . 8 M 3 x 10 -3, kun (0. 4< M <1) 0. 01 M 5 ja kun (M>2) 0. 2 – Dieselmoottori 800 rpm, moottorilohko 4 x 10 -5 • 3000 rpm, moottorilohko 5 x 10 -4 • Dieselmoottorin pakokaasuahdin 1500 rpm 0. 01 – Vaihteisto 3 x 10 -6 … 3 x 10 -4 33 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Melulähteiden päästöjä Ääniteho (W) Äänitehotaso (d. B) 1 000 180 Suihkuhävittäjä (suuri) 10 000 160 Suihkuhävittäjä (pieni) 100 140 Potkurikone 1 120 Saha, kivenmurskaamo 0. 1 110 Henkilöauto 100 km/h 0. 01 100 Henkilöauto 50 km/h 0. 001 90 Huutaminen, puhallin 0. 00001 70 Puhe 0. 000001 60 Pesukone, konttorikone 0. 0000001 50 Kuiskaus 34 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Useita äänilähteitä • Jos 2 korreloimatonta äänilähdettä aiheuttaa kukin 80 d. B äänenpainetason, ne aiheuttavat yhteensä 83 d. B äänenpainetason. – Syy: ääniteho kaksinkertaistuu eli äänenpainetason nousu on (vapaakenttäolosuhteissa) 10 lg(2) = 3. 0 d. B • Jos 2 äänilähdettä ovat korreloivia (kaksi samaa ääntä), niiden yhdistäminen aiheuttaa 6 d. B: n nousun äänenpainetasossa. • Äänet voivat yhdistyä toisiinsa kumoten tai vahvistaen. – Jos kummankin amplitudi on A , niiden yhdistyessä amplitudi voi olla jotain 0 ja 2 A : n välillä 35 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Laskuesimerkki: äänilähteiden summautuminen • Asutusalueen läpi kulkee kaksi melko vilkkaasti liikennöityä tietä (A ja B), joilla liikkuvat autot aiheuttavat teiden varrella oleviin asuntoihin 60 d. B: n keskimääräisen äänenpainetason ja kummallakin tiellä kulkee yhtä paljon autoja. • Pohdi, mitä seuraisi melutason kannalta siitä, jos tie A suljettaisiin läpikulkuliikenteeltä, joka ohjattaisiin kokonaan tielle B. Oletetaan, että suljetulle tielle jäisi noin 1/30 alkuperäisestä liikennemäärästä. 36 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Ratkaisu laskuesimerkkiin: äänilähteiden summautuminen • Lähteet epäkoherentteja summautuvat tehoina. Liikennejärjestelyjen jälkeen B: llä kaksinkertainen liikenne: • Tielle A jäisi muutoksen jälkeen: • Liikennejärjestelyjen jälkeen tien A lähellä asuvien ongelma pienenisi merkittävästi, kun taas tien B lähellä asuvien melutaso nousisi juuri havaittavissa olevan 3 d. B. 37 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Äänilähteet tilassa / huoneessa • Äänilähdettä kuvaavat äänitehotaso ja suuntaavuus eri taajuuksilla. – Yleensä suuntaavampi suurilla taajuuksilla. • Suuntaavuus Q – – – Q = intensiteetti edessä / intensiteetin keskiarvo (joka suunnassa) Suuntakuvio on pallo: Q = 1 Suuntakuvio on puolipallo: Q = 2 Äänilähde huoneen nurkassa: Q = 4 Äänilähde huoneen sopessa: Q = 8 • Huoneen akustisten ominaisuuksien merkitys äänikenttään voidaan huomioida ns. absorptioalan avulla. – Kappaleen tai pinnan absorptioala laskentaan pinnan pinta-ala kertaa absorptiokerroin. Ihmisen absorptioala on noin 0. 5 m 2. – Tilan kokonaisabsorptiokerroin A on tilan kaikkien osapintojen absorptioalojen tulo. 38 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Äänenpainetaso vapaassa ja kaiuntakentässä • Äänenpainetaso kaiuntakentässä on: missä Q on lähteen suuntaavuus (ympärisäteilevällä Q=1), r on etäisyys äänilähteestä ja A on tilan absorptioala. • Vapaassa kentässä absorptioala lähestyy ääretöntä, joten absorptioalan huomioiva termi menee nollaksi: 39 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Laskuesimerkki: lähteen tuottama äänenpainetaso ja akustinen ympäristö • Mikä on äänenpainetaso 6 metrin etäisyydellä 1 W: n akustisella teholla ympärisäteilevästä (Q=1) kaiuttimesta? • Sijoitat saman kaiuttimen tilaan, jonka absorptioala on 1 m 2. Mikä on äänenpainetaso 6 metrin etäisyydellä? 40 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Ratkaisu laskuesimerkkiin: lähteen tuottama äänenpainetaso ja akustinen ympäristö • Mikä on äänenpainetaso 6 metrin etäisyydellä 1 W: n akustisella teholla ympärisäteilevästä (Q=1) kaiuttimesta? • Sijoitat saman kaiuttimen tilaan, jonka absorptioala on 1 m 2. Mikä on äänenpainetaso 6 metrin etäisyydellä? Noin 45 -kertainen äänenpaine verrattuna vapaaseen kenttään samalle etäisyydelle. 41 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Ekvivalenttitaso • Melusta mitataan usein ekvivalenttitaso – Sellaisen vakiotasoisen melun taso (d. B), joka antaa saman energian samassa ajassa, kuin mitattava melu. – Esim. 100 d. B: n äänenpainetaso 3. 6 sekunnin ajan ja muuten hiljaista: vastaa 70 d. B ekvivalenttitasoa 1 tunnin ajalta. – Äänenpaineen tehollisarvo; EI AIKAKESKIARVO! • Ekvivalenttitaso kertoo meluannoksen. • Mitataan integroivalla äänitasomittarilla tai meluannosmittarilla. 42 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Laskuesimerkki: ekvivalenttitaso • Kuulovamman syntymisen kannalta ylärajana pidetään 8 tunnin oleskelua 85 d. B: n melussa. – Joudut oleskelemaan 6 minuuttia 100 d. B: n melussa. Kuinka kauan voit viettää ravintolassa, jonka melutaso on 87 d. B, ennen kuin päivän meluannos tulee täyteen? 43 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Ratkaisu 1/2 laskuesimerkkiin: ekvivalenttitaso • Päivän meluannos määritelmän mukaan: • Ensimmäinen puolituntinen aiheuttaa: • Selvitetään ravintolassa saatava meluannos: • Meluannos lasketaan integroimalla vallinneet äänenpainetasot tarkasteltavan ajan yli. Koska tässä tehtävässä tasot ovat diskreettejä, voidaan integrointi esittää yksinkertaisella summalausekkeella (seuraava sivu): 44 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Ratkaisu 2/2 laskuesimerkkiin: ekvivalenttitaso • Kahden tapahtuman summalauseke: josta ratkaistaan tuntematon t 2: johon edellä määritetyt arvot sijoittamalla saadaan: 45 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Meluakustiikan yhteenveto • Tärkein melulle määritettävä suure on ääniteho, sen spektri ja suuntakuvio. Jotta voitaisiin määrittää äänenpainetaso, täytyy tuntea ympäristön akustiset ominaisuudet sekä äänilähteen (tai äänilähteiden) ja havaintopisteen sijainnit. • Akustiikan erityistiloja ovat – vapaakenttä ~ kaiuton huone – puolikaiuton huone – diffuusikenttä ~ kaiuntahuone • Äänen käyttäytymistä taajuuden funktiona voi arvioida määrittämällä sen aallonpituus: • Meluannosta voidaan arvioida ekvivalenttitasolla. 46 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Osa 3 Kuuloaistin toiminta ja ominaisuuksia • • Yleistä kuuloaistista Korvan rakenne Korvan toiminta Fysiologisia ominaisuuksia – Stapediusrefleksi – Sopeutuminen ja TTS • Psykoakustisia ominaisuuksia – Äänekkyystaso ja äänekkyys – Muutama melun häiritsevyyden kannalta tärkeä tunnusluku 47 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Yleistä kuuloaistista • Ulko-, väli- ja sisäkorvan mekaaninen toiminta tunnetaan melko hyvin, neuraalitason tuntemus heikompaa. • Tutkimuksen lähdetietoina pääasiassa psykoakustiset kokeet, jonkin verran myös fysikaalisia mittauksia. • Kuuloaisti reagoi äänenpaineen vaihteluun. • Laaja dynamiikka: pienimmän ja suurimman äänenpaineen (20 m. Pa… 112 Pa) suhde = 1 : 5 600 000. – Korvan ”sietämä” dynamiikka-alue n. 22 bittiä, tosin äänesavaruuden hetkellinen laajuus ”vain” 17 bittiä (ihminen erottaa 100 000 kuuluvuuden ja korkeuden suhteen erilaista ääntä). • Taajuusalue jopa 20 - 20 000 Hz. • Kuulon ominaisuudet muuttuvat iän ja melualtistuksen mukana. 48 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Korvan rakenne jaetaan ulkokorvaan, välikorvaan ja sisäkorvaan 49 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Korvan toiminta • Äänenpaineen vaihtelu aiheuttaa tärykalvon liikkeen. • Kuuloluut muuttavat värähtelyn mekaaniseksi ja vahvistavat (vipuvaikutus n. 1: 1. 3). • Akustinen refleksi (stapediusrefleksi): kuuloluuketju (tärykalvolta soikealle ikkunalle) jäykistyy suojellakseen korvaa voimakkailta ääniltä. • Tärykalvon ja soikean ikkunan kokoero (14: 1) → vahvistus 18. . . 20 d. B. • Simpukassa värähtely etenee nesteessä. • Basilaarikalvon mekaaninen värähtely koodautuu sähköimpulsseiksi. • Kuulohermo vie sähköimpulssit aivoihin. 50 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Kuulotapahtuma sisäkorvassa • Eteisikkuna sisäänpäin → simpukan ikkuna ulospäin, tyvikalvo värähtelee nesteen tahdissa ylös-alas • Värähtely leviää ”kuin pitkässä kapeassa matossa”, pienet taajuudet etenevät lähelle toista päätä (vaikuttavat koko kalvon alueella) ja suuret taajuudet pysähtyvät lähelle eteisikkunaa. Reseptorisoluilla synaptiset yhteydet vain tiettyihin kuulohermosyihin → luonnon taajuusanalysaattori: taajuus-paikkamuunnos • Huom! puhdaskin ääni ärsyttää aina suurta joukkoa karvasoluja! Sitä useampia, mitä matalampi ja voimakkaampi ääni. 51 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Fysiologisia ominaisuuksia: Akustinen refleksi • Ns. stapediusrefleksi. • Jos äänenvoimakkuus ylittää n. 80. . . 85 d. B, kuuloluuketju jäykistyy kuuloluihin kiinnittyneiden lihasten jännittyessä. • Alkaa vasta noin 30 -40 ms ylikuormituksen jälkeen. • Täysi vaimennus noin 20 d. B, joka saavutetaan 150 ms: ssä. • Liian hidas suojelemaan kuuloa esim. laukauksilta ja räjähdysääniltä. • Vaimennusvaikutus lähinnä pienillä taajuuksilla: – 500 Hz: 12… 15 d. B – 1. 5 k. Hz: 0… 6 d. B – >2 k. Hz: 0 d. B 52 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Fysiologisia ominaisuuksia: Sopeutuminen ja TTS • Kuten muutkin aistit, kuulo sopeutuu ääniin. • Heikkojen tai kohtuullisten voimakkaiden äänten tapauksessa sopeutuminen on vähäistä. • Voimakkaiden äänten yhteydessä kuulo väsyy. • Seurauksena tilapäinen äänekkyydenalenema tai tilapäinen kuulonalenema (Temporary Threshold Shift, TTS). – Korva toipuu lyhytaikaisesta ylirasituksesta, mutta kuulokynnys alenee joksikin aikaa (aistinsolut väsyvät). – Jos melu toistuu tai jatkuu, kuulonalenema pahenee ja voi muuttua pysyväksi. – Vaikutus on voimakkain n. 4000 Hz: n taajuudella. • Mitataan tällä taajuudella, jotta selvitetään pahin tilanne. – TTS riippuu melutasosta ja melualtistuksen kestosta. 53 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Psykoakustiikka • Tieteenala, joka tutkii äänen havaitsemista. • Liittyy myös biologiaan, psykologiaan, musiikkiin, audiologiaan ja tekniikkaan. • Subjektiivisten havaintojen suhde fysikaalisiin suureisiin. • Psykofysiikka tutkii fysikaalisten herätteiden (myös värähtely ja kuuloalueen ulkopuoliset äänet) ja niiden aiheuttamien subjektiivisten aistimusten suhteita. – Alan pioneeri G. T. Fechner (1801 -1887). – Fechnerin laki: Herätteen R ja aistimuksen S logaritminen riippuvuus k riippuu amplitudista ja taajuudesta. 54 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Äänekkyystaso • Yleensä ääni, jonka äänenpainetaso tai intensiteettitaso on suurempi, myös kuulostaa voimakkaammalta - mutta ei aina. • Aistittu äänenvoimakkuus riippuu myös taajuudesta! • Fletcher ja Munson laativat vakioäänekkyyskäyrästön (1933). • Äänekkyystaso LL on sama kullakin käyrällä eri taajuuksilla. • Yksikkö foni , jota käytetään nykyisin harvoin. • Foni = äänenpainetaso (d. B) taajuudella 1000 Hz. 55 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Vakioäänekkyyskäyrästö SFS - ISO 226 Acoustics. Normal equal-loudness level contours SFS - ISO 7029 Acoustics — Statistical distribution of hearing thresholds related to age and gender 56 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Kuulonmukaiset taajuuspainotukset • Kuulonmukainen taajuuspainotus pyrkii korjaamaan äänenpainetason mittauksen aistimusta vastaavaksi. • Erilaisia taajuuspainotuksia käytetään (tarkempi määritelmä myöhemmin): – – A-painotus (yleisin, standardissa IEC 651, . . . 55 d. B). B-painotus (esim. automelulle, 55. . . 85 d. B). C-painotus (85 d. B. . . ). D-painotus on standardoitu lentomelua varten. • Äänitasomittareissa on sisäänrakennettuna ainakin A-painotus. 57 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Painotussuotimet A, B, C ja D Vertaa käyriä vakioäänekkyyskäyrästöön. Esim. A-painotus on “käännetty” kuulon herkkyyskäyrä pienillä äänenpainetasoilla. 58 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Ääneksien äänekkyys: soni • Stevens loi soni-asteikon pyrkiessään kehittämään paremman tavan mitata ihmisen subjektiivista äänekkyyshavaintoa. • Soni = 1000 Hz: n ääneksen äänekkyys, kun äänenpainetaso on 40 d. B eli 40 fonia. • Äänekkyyden (soni) ja äänekkyystason (foni) suhde yli 40 fonin äänekkyystasoilla: • Stevensin tutkimusten mukaan 10 d. B: n nousu äänenpainetasossa kaksinkertaistaa äänekkyyden (ISO 532 A). • Zwickerin mukaan 6 d. B riittää äänekkyysaistimuksen kaksinkertaistumiseen (ISO 532 B). 59 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Ääneksien äänekkyys - standardi • Stevensin tutkimusten mukaan 10 d. B: n nousu äänenpainetasossa kaksinkertaistaa äänekkyyden. – ISO/DIS 532 -2 - Acoustics -- Methods for calculating loudness -- Part 2: Moore-Glasberg method • Zwickerin mukaan 6 d. B riittää äänekkyysaistimuksen kaksinkertaistumiseen. – ISO/DIS 532 -1 - Acoustics -- Methods for calculating loudness -- Part 1: Zwicker method 60 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Laajakaisten äänten äänekkyys • Äänekkyys riippuu myös spektristä. • Laajakaistaiset äänet kuulostavat äänekkäämmiltä kuin äänekset. • Syy: osaäänekset osuvat eri kriittisille kaistoille, joiden äänekkyydet summautuvat. – Taajuuskaista, jonka sisällä 2 tai useampi äänes herättää samoja aistinsoluja. – Kriittisen kaistan sisällä kuulolla on vaikeuksia erottaa ääneksiä toisistaan. – Vastaa noin 1, 3 mm matkaa basilaarikalvolla (n. 1300 aistinsolua). Leveys alle 500 Hz: n taajuuksilla noin 100 Hz ja tämän yläpuolella vajaa terssi. – Kriittisiä kaistoja on kuuloalueella noin 24 kpl. – Ei vakiotaajuusrajat, vaan muodostuvat herätteen mukaan. – Fysiologinen selitys: lähekkäin sijaitsevat aistinsolut toimivat yhdessä, etäällä toisistaan olevilla aistinsoluilla vain vähän vuorovaikutusta. 61 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Melun häiritsevyyden kannalta tärkeitä tunnuslukuja • ÄÄNEKKYYS (soni), äänekkyystaso (foni), ja äänekkyystiheys (engl. specific loudness) (soni/bark). • TERÄVYYS (engl. Sharpness) – 1 acum = 1 k. Hz 1 Barkin levyinen kohina 60 d. B. • VAIHTELUVOIMAKKUUS (engl. fluctuation strength) – 1 vacil = 1 k. Hz, 60 d. B, 100% AM 4 Hz. • KARHEUS (engl. roughness) – 1 asper = 1 k. Hz 100% AM 70 Hz. • TONAALISUUS (engl. tonality) – 1 tu, äänes/melu -suhde. • Lisäksi mm. Impulssimaisuus, jonka määrittämiseksi ei ole yleistä luotettavaa menetelmää. 62 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Äänenpainetaso vs. äänekkyys -esimerkki Esimerkin ääninäytteet on säädetty siten, että niiden A-painotetut äänenpainetasot ovat samat. Kuuntele näytteet! Huomaa eroavuudet ääninäytteiden äänekkyyksissä. 63 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Joitakin esimerkin ääninäytteille laskettuja psykoakustisia tunnuslukuja 64 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Yhteenveto kuuloaistista • Kuuloaistin herkkyys on logaritminen. • Korvan rakenteen ja toiminnan ymmärtäminen auttaa ymmärtämään kuuloaistin ominaisuuksia. • Kuulo sopeutuu ääniin ja melusta voi syntyä tilapäinen kuulonalenema TTS, josta kuuloaisti voi toipua täysin ennalleen. • Äänitasomittarilla mitattu äänenpainetaso ei välttämättä kuulon äänekkyysaistimuksen kanssa. – On tärkeää tuntea myös kuulon psykoakustisia ominaisuuksia ja niiden perusteella määritettyjä tunnuslukuja, kuten äänekkyys, terävyys ja karheus. 65 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Esimerkkiohjeita: ympäristömelulähteen arviointi • Ohjearvot: – VNp 993/1992 ”Valtioneuvoston päätös melutason ohjearvoista”. • Mittausohjeet: – Ympäristöministeriön ohje 1/1995 "Ympäristömelun mittaaminen". – SFS - ISO 1996 -1: 2016 Ympäristömelun perussuureet ja arviointimenettelyt. – SFS - ISO 1996 -2: 2007 Ympäristömelun äänitasojen määrittäminen. • Mittalaitteet: – Äänitasomittari SFS-EN 61672 -1: en Electroacoustics - Sound level meters Part 1: Specifications. – Kalibraattori SFS-EN 60942: en Electroacoustics - Sound calibrators 66 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Akustiikan standardisointi • www. metsta. fi – K 211 Akustiikka ja värähtely • Kansallinen standardisointikomitea • Seuraa sekä ISOn että CENin standardisointia • sfsedu. fi/osallistujavaikuta/ - tietoa standardisoinnista • lausunto. sfs. fi – standardien lausuntopalvelu • sales. sfs. fi - SFS: n verkkokauppa 67 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala

Akustiikan standardisointi • ISO/TC 43 Acoustics • ISO/TC 108 Mechanical vibration, shock and condition monitoring • CEN/TC 126 - Acoustic properties of building elements and of buildings • CEN/TC 211 - Acoustics • CEN/TC 231 - Mechanical vibration and shock 68 2. 11. 2020 Akustiikka ja melu / Panu Maijala