1
466111S Rakennusfysiikka
HUONEAKUSTINEN SUUNNITTELU
Opettaja: Raimo Hannila
Luentomateriaali: Professori Mikko Malaska
Oulun yliopisto
2
LÄHDEKIRJALLISUUTTA (Linkit päivitetty 19.11.2015 RH)
• Suomen rakentamismääräyskokoelma, osat C1, Ääneneristys ja
meluntorjunta. http://www.finlex.fi/data/normit/1917-c1.pdf
• Suomen rakentamismääräyskokoelma, Osa D2, Rakennuksen
sisäilmasto ja ilmanvaihto. http://www.finlex.fi/data/normit/37187-D22012_Suomi.pdf
• RIL 243-1-2007 Rakennusten akustinen suunnittelu, Akustiikan perusteet.
• Rakennus- ja huoneakustiikka, Meluntorjunta, Alpo Halme,
Otakustantamo, No. 378
• http://www.ym.fi/fifi/maankaytto_ja_rakentaminen/lainsaadanto_ja_ohjeet/rakentamismaara
yskokoelma (valitse C1 ja D3)
• ISO 354:2003 (Ei OY:n SFS-Online –sopimuksessa)
• SFS 5907
3
HUONEAKUSTIIKKA
Huoneakustiikan tarkoituksena on hallita äänen kulkua, heijastumista
ja vaimenemista tilan sisällä.
Suunnittelun lähtökohtana on tilan käyttötarkoitus.
Tarkoituksenmukaisessa
luentosalissa esiintyjän on
helppo puhua ääntään
rasittamatta.
Puhe kuuluu ja erottuu yleisölle.
Jotta tavoiteltu tilanne toteutuu tulee salissa olla sekä heijastavia että
vaimentavia pintoja.
• Heijastavien pintojen tarkoituksena on suunnata ääntä yleisölle.
• Vaimentavien pintojen tarkoituksena on vähentää tilan kaiuntaa niin
että puheen tavut erottuvat toisistaan hyvin.
4
ÄÄNEN HEIJASTUMISESTA
Tilan kaikista pinnoista heijastuvat äänet korottavat äänenpainetasoa
suoraan tulleen äänen äänenpainetasoon verrattuna.
• Heijastuessaan pinnasta ääniaalto
menettää energiastaan osan, joka
absorboituu.
• Koska heijastuneen äänen kulkema matka
on pitempi kuin äänilähteestä suoraan
kuulijalle kulkeneen äänen kulkema reitti,
heijastuneen äänen äänenpainetaso on
alhaisempi kuin suoran äänen.
• Heijastusten määrä on kuitenkin niin suuri,
että tarkastelupisteessä havaittavasta
energiasta suurin osa syntyy heijastuksista.
5
DIFFUUSI ÄÄNIKENTTÄ
• Heijastusten määrän kasvaessa yksittäisiä
heijastuksia ei enää ole mahdollista erottaa
toisistaan mittauksin.
• Tällöin tilan kaikissa pisteissä vallitsee sama
äänenpainetaso ja on syntynyt ns. diffuusi
äänikenttä.
• Diffuusin kentän syntyminen on mahdollista,
jos huone on kuutiomainen, kovapintainen ja
huoneen mitat ovat huomattavasti
tarkasteltavan äänen aallonpituutta
suuremmat.
6
SUUNNITTELUN OSA-ALUEET JA KRITEERIT
Huoneakustisen suunnittelun osa-alueita ovat
• Heijastavien pintojen suunnittelu
• Tilan koon ja muodon valinta
• Tarvittavan absorptioalan määrittäminen ja sen sijoittaminen tilaan.
Suunnittelun yhtenä kriteerinä käytetään jälkikaiunta-aikaa, joka
korreloi puheen ja musiikin selvyyden kanssa.
7
JÄLKIKAIUNTA-AIKA
Määritelmä:
Jälkikaiunta-aika T [s] kuvaa, kuinka nopeasti äänilähteen tilaan
synnyttämä äänenpainetaso laskee, kun äänilähde on sammutettu.
Jälkikaiunta-ajan kuluessa äänenpainetaso tilassa alenee 60 dB.
 Jälkikaiunta-aika voidaan olemassaolevassa tilassa määrittää voimakkaan
äänilähteen avulla sammuttamalla äänilähde äkillisesti ja mittaamalla
äänenpainetason alenemiseen kuluva aika. Mittaustapa on esitetty
standardissa ISO 354:2003.
 Mitä pidempi jälkikaiunta-aika on, sitä hitaammin puheen tavut vaimenevat
ja sitä enemmän ne jäävät soimaan toistensa päälle, jolloin puheen selvyys
kärsii.
 Jos jälkikaiunta-aika on suunniteltu liian lyhyeksi, puheen äänitaso voi
laskea taustamelun tasolle, mikä puolestaan vaikeuttaa puheen
erottumista.
 Salille sopiva jälkikaiunta-aika kasvaa salin tilavuuden kasvaessa.
8
ÄÄNENPAINE
Äänenä aistittavan ilmanpaineen vaihtelut ovat staattiseen
ilmanpaineeseen verrattuna hyvin pieniä.
100 kPa
Ilmakehän ilmanpaine.
20 μPa
Kuulokynnys eli pienin ilmanpaineen
muutos, jonka ihminen pystyy aistimaan.
20 Pa
Kipukynnys
Äänen aistittavasta ilmanpaineen muutoksesta käytetään nimitystä
äänenpaine p [Pa].
9
ÄÄNENPAINETASO
Koska äänenpaineet ovat lukuarvoina hyvin pieniä, mutta
kuulokynnyksen ja kipukynnyksen ero on suhteellisesti hyvin suuri,
äänenpaineita olisi hankala käyttää käytännön suunnittelussa.
Siksi tarkasteltavaa äänenpainetta p verrataan vertailuäänenpaineeksi
otettuun kuulokynnykseen p0.
Äänen voimakkuutta voidaan kuvata äänenpainetasona:
Lp  10 log10
p2
p

20
log
10
p0
p02
[dB]
Äänenpainetason määritelmän mukaan:
• Pienimmän kuultavissa olevan äänenpaineen äänenpainetaso on 0 dB
• Kipukynnyksen äänenpaineen äänenpainetaso on 120 dB.
10
JÄLKIKAIUNTA-AJAN ENIMMÄISARVOT
Määritelmä: Aika, jona äänenpainetaso äänilähteen vaiettua alenee
60 dB.
Joidenkin tilojen jälkikaiunta-ajoista on annettu määräyksiä ja ohjeita
RakMK osassa C1.
Hotellit, hoitolaitokset, oppilaitokset,
Asunnot
päiväkodit, toimistot
Tavallisimpien tilojen jälkikaiunta-ajoista on annettu suosituksia myös
standardissa SFS 5907.
11
JÄLKIKAIUNTA-AJAN MITOITTAMINEN
Jos huoneen äänikenttä on diffuusi, huonetilan jälkikaiunta-aika T [s]
lasketaan yleisimmin Sabinen kaavalla olettaen että huoneen
tilavuudella ja absorptioalalla on seuraavan kaavan mukainen yhteys:
T
0,16  V
A
V
on huonetilavuus [m3]
A
on huoneen absorptioala [m2-Sab]
Huoneen absorptioala kertoo huoneessa olevan tehollisen
absorptiomateriaalin määrän. Se voidaan määrittää, kun tunnetaan tilan
kaikkien pintojen pinta-alat S ja absorptiokertoimet a taajuuksittain:
n
A    i  Si
i 1
0  i  1
12
ABSORPTIOKERTOIMIEN ARVOJA
Oheisessa taulukossa on esitetty absorptiosuhteen arvoja eri
materiaaleille taajuuksittain (RIL 243-1-2007):
Materiaali
125 Hz
250 Hz
500 Hz
1000 Hz
2000 Hz
4000 Hz
Betonilattia
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,04
Betoniseinä
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
Kipsilevyseinä
0,30
0,20
0,10
0,10
0,10
0,10
Lasi
0,30
0,30
0,20
0,17
0,10
0,10
Katon alaslaskettu
absorptiolevy
(luokka C)
0,60
0,71
0,75
0,58
0,51
0,42
Seinän
lisäabsorptiolevy
(Luokka A)
0,15
0,75
0,97
0,99
0,99
0,96
Lisää absorptiokertoimen arvoja löytyy mm. Lähteestä: Rakennus ja huoneakustiikka,
Meluntorjunta, Alpo Halme, Otakustantamo , No. 378, ss. 573-581
13
SABINEN KAAVAN SOVELTAMISESTA
Jälkikaiunta-aikaan vaikuttavat merkittävästi myös kalusteet ja ihmiset.
Näiden absorptiokyky ilmoitetaan absorptiopinta-alaksi muutettuna (RIL 2431-2007).
• Sisävaatteisiin pukeutunut ihminen
0,8 m2 kaikilla taajuuksilla
• Kangasverhoiltu tuoli
0,3 m2 kaikilla taajuuksilla
Sabinen kaavan käytön rajoitukset:
• Jälkikaiunta-aikaa ei suositella käytettäväksi suunnittelukriteerinä suurten,
monimutkaisten ja voimakkaasti absorboivien tilojen absorptioalan
arviointiin, esim. avotoimistot.
• Kaava ei myöskään anna oikeita tuloksia, silloin kun tilan koko
absorptioala on keskitetty yhteen pintaan ja muut pinnat ovat lähes täysin
heijastavia.
• Silloin kun jälkikaiunta-ajan käyttö ei sovellu suunnittelukriteeriksi, voidaan
tilan ääniolosuhteita arvioida huoneakustisen mallintamisen avulla.
14
ESIMERKKI 1: Luentosalin jälkikaiunta-aika
Luentosalin koko on 12 x 6 x 4 m3 ja jälkikaiunta-aika tyhjänä 1,5
sekuntia. Mikä tulee jälkikaiunta-ajaksi, jos saliin tulee 20 henkilöä?
Lähtötietojen perusteella voidaan määrittää tyhjän salin
kokonaisabsorptioala:
0,16  V
T0 
A0

A0 
0,16  V 0,16  12  6  4

 30,72 m2 - sab
T0
1,5
Kalusteiden
vaikutus
mukana.
Kun saliin tulee 20 henkilöä voidaan olettaa, että absorptioala kasvaa
0,8 m2/henkilö.
A  A0  20  0,8  46,72 m2 - sab
Jälkikaiunta-ajaksi saadaan nyt:
T
0,16  V 0,16  12  6  4

 0,99 s
A
46,72
RakMK osan C1 ohjeellinen jälkikaiuntaaika luokkahuoneelle on 0,6 – 0,9 s
(sopiva alue normaalille puheelle).
Esimerkin sali ei aivan toimi näiden
ohjearvojen rajoissa. Salin akustinen
käyttäytyminen paranisi, jos kuulijoita olisi
enemmän.
15
ESIMERKKI 2: Porrashuoneen jälkikaiunta-aika
4 kerroksisen betonirakenteisen kerrostalon porrashuone on oheisen
kuvan mukainen. Porrashuoneen jälkikaiunta-aika on koettu
häiritsevän suureksi.
Laske kuinka paljon vaimennusmateriaalia tarvitaan, jotta jälkikaiuntaaika olisi RakMK osan C1 ohjeiden mukainen 1,3 s.
Kerroskorkeus on 2,5 m.
Ovet ovat 0,9 x 2,10 m2 ja
niitä on 2kpl/kerros (α = 0,08).
2,5
1,5
2,0
1,5
16
ESIMERKKI 2: Porrashuoneen jälkikaiunta-aika
Porraskäytävän tilavuus on:
V  4  2,5  2,5  1,5  2,0  1,5  125
m3
Pinta-alat:
• Katto + pohja
2  2,5  1,5  2,0  1,5  25,0
• Ovet
m2
4  2  0,9  2,1  15,1 m2
4  2,5  2  2,5  5,0  150,0 m2
• Välitasot (ylä- ja alap.)
2  6  2,5  1,5  45,0 m2
2
2
• Portaat (ylä- ja alap.) 2  6  2,5  1, 25  2,0  35,4 m2
• Seinät
Porraskäytävän absorptioala:
A  Abetoni   betoni  Apuuovi   puu 
 25,0  15,1  150,0  45,0  35,4  0,03  15,1  0,08 
 240,3  0,03  15,1  0,08  8,4 m2 - sab
1,25
1,5
2,0
1,5
17
ESIMERKKI 2: Porrashuoneen jälkikaiunta-aika
Jälkikaiunta-aika:
T
0,16  V 0,16  125

 2,4 s
A
8,4
RakMK osan C1 ohjearvo on 1,3 s. Tätä arvoa vastaava absorptiopinta-ala
voidaan laskea:
A
0,16  V 0,16  125

 15,4
T
1, 3
m2 - sab
18
ESIMERKKI 2: Porrashuoneen jälkikaiunta-aika
Lisätään porraskäytävän pinnoille vaimennuslevyjä niin, että edellä
esitetty kokonaisabsorptiopinta-alan vaatimus toteutuu. Merkitään
absorptio-ominaisuuksiltaan erilaisia pintoja seuraavasti:
A1 = betonipintojen kokonaispinta-ala (A1 = 240,3 m2, pinnoittamattomat
+ pinnoitetut)
A2 = Puuovien pinta-ala (A2 = 15,1 m2, α = 0,08)
A3 = vaimennuslevyillä päällystettyjen betonipintojen pinta-ala
A = RakMK osan C1 ohjearvoa vastaava absorpoivan pinnan
kokonaispinta-ala (A = 15,4 m2)
A   A1  A3    betoni  A2   puu  A3   vaimennuslevy
Tästä saadaan ratkaistua vaadittu vaimennuslevyjen pinta-ala:
A3 
A  A1   betoni  A2   puu
 vaimennuslevy   betoni
19
ESIMERKKI 2: Porrashuoneen jälkikaiunta-aika
Valitaan vaimennuslevyn materiaaliksi 30 mm lasivillalevy, jota liimataan
välitasojen ja portaiden alapintaan. Esimerkiksi lähdeteoksesta
”Rakennus- ja huoneakustiikka” saadaan mineraalivillalle eri taajuuksilla
seuraavat absorptiokertoimet:
Materiaali
Lasivilla, kiinni
taustassa, 3 cm
125 Hz
250 Hz
500 Hz
1000 Hz
2000 Hz
4000 Hz
0,08
0,16
0,36
0,71
0,96
0,95
Ihmisen kuuloalue on herkimmillään taajuusalueella 2000-5000 Hz.
Tämän alueen ulkopuolella kuulon herkkyys alenee.
Käytetään vaimennuslevyjen suunnitteluun yllä esitettyä herkintä
kuuloaluetta ja valitaan absorptiokertoimen arvoksi 0,9.
Vaadittu vaimennuslevyjen pinta-ala on:
15,4  240, 3  0,03  15,1  0,08
A3 
 8,0 m2
0,90  0,03