Az akusztika vagy más néven hangtan valamely folytonos közegben kialakuló, terjedo és elhaló hangok fizikai tulajdonságainak a leírásával foglalkozik. Attól függoen, hogy a hang fizikai sajátosságait milyen körülmények között vizsgáljuk, beszélhetünk szabadtéri és belsotéri akusztikáról.

A szabadtéri hangterjedés vizsgálata rámutat számos olyan fontos terjedési tulajdonságra, amit a határoló felületek nélküli térben egyszeru példákon keresztül könynyebben érthetünk meg. A szabadtéri hangterjedés jellemzoje, hogy a fizikai hang terjedését nem befolyásolja semmilyen elnyelo vagy visszavero felület. A valóságban ez a legkevésbé teljesül (pl. a földfelszín visszavero tulajdonsága, a levego hangelnyelése). Ha egy hangforrást helyezünk egy határoló felületek nélküli térbe, az hangteret létesít maga körül. A hangforrásra a ki-sugárzott hangteljesítménye (Lw), míg a körülötte kialakuló hangtérre a hangnyomás (Lp) jellemzo.
A forrás teljesítményszintje a Lw(dB)=10 lg(W/Wo) ahol a Wo=10-12W,
míg a térben kialakuló hangnyomás-szint Lp(dB)=10 lg (p2eff/p2o) ahol a po=2x10-5 N/m2 (ami a hallásküszöb értéke is egyben) képletek alapján számolható. Hogy e ketto viszonyát megvizsgáljuk, figyelembe kell venni, hogy a hangforrás a tér mely részébe hangteljesítményének mekkora részét sugározza. Attól függoen, hogy a hangforrásunk milyen kiterjedésu – a lesugárzott hullámhosszhoz viszonyítva –, beszélhetünk pontszeru és vonalszeru vagy felületi sugárzókról (1. ábra).
A pontszeru sugárzók a teljesítményüket a tér minden irányába gömbszimmetrikusan sugározzák. Irányítási tényezojük 1. Ha a hang-forrást valamilyen visszavero felületre helyezzük (földfelszín) az irányítási tényezoje 2 lesz, már csak a fél térbe sugároz. Ha a talajra merolegesen emelt fal tövében helyezzük el a hangforrást, akkor már csak a tér negyedébe sugároz és irányítási tényezoje 4. Míg a három határoló felület találkozási pontjában, a sarokban elhelyezetté 8. Ez azt jelenti, hogy a sarokba elhelyezett hangforrás akkora hangnyomásszintet létesít, mint a 8xP teljesítményu teljes gömbsugárzó.

1. ábra: Pont- és vonalforrás

A 2. ábrán látható minden egyes térszög felezése 3 dB hangnyomásszint emelkedést eredményez. A térben kialakuló hangnyomásszint, pontsugárzók esetében a távolság megkétszerezésével 6 dB-el csökken. Ha a sugárzónk azonos rezgésállapotú helyei a terjedés irányára meroleges síkot alkotnak, akkor sík vagy vonalsugárzóról beszélünk (pl.: autópálya). A vonalsugárzókra is érvényesek a fentebb tárgyalt irányítási tényezo változások. A lényeges különbség a távolság megkétszerezésénél jelentkezik, hiszen itt csak 3-4 dB lesz a hangnyomásszint csökkenés. A hangforrás hangteljesítményszintje és a tér hangnyomásszintje közötti kapcsolat függ a tér állapotától (homérséklet, páratartalom, szél). A levegoben egy hangforrás által keltett és tovaterjedo hang a levegorészecskék súrlódása miatt csillapodik. Ezt a csillapító hatást a levego homérséklete és relatív páratartalma befolyásolja. A homérséklet növekedésével és a relatív páratartalom csökkenésével a csillapítás növekszik, ami a mélyhangok esetében nem, de a magasaknál nagyobb távolságú terjedésnél frekvenciafüggo intenzitás csökkenést eredményez (3. ábra).

2. ábra: térszög a hangforrás
helye alapján

3. ábra: a levego hangelnyelésének füg-gése a páratartalomtól és a frekvenciától

A levegoben a hang terjedési sebessége 15 °C-on 340 m/s, és a homérséklet növekedésével no. Az általában eloforduló nyomás és páratartalom változások a hang sebességére nincsenek számottevo hatással. A különbözo homérsékletu légrétegekben a hang más-más sebességgel terjed. Két különbözo homérsékletu közeg határfelületén mindig a hidegebb felé törik (4. ábra).

Az a-ábrán egy tavasszal bekövetkezo esetet láthatunk, mikor a beszéd igen nagy távolságokra is hallhatóvá válhat, a hideg földfelszín feletti meleg légtömegeknek köszönhetoen. A b-ábrán a különösen meleg nyári napokon szabadtéri eloadásoknál bekövetkezo esetet látjuk, ahol az embertömeg által sugárzott ho miatt a hang elhajlik a magasabban lévo hideg levegorétegek felé. Ezért is tervezték például a görögök olyan meredeken a színházaik ülésorrait. A terjedésre hatása van a szélnek is. A szél irányából a hang terjedési sebességéhez a szél sebessége hozzáadódik, ezáltal messzebbre hangzik, míg vele szembe kivonódik, és a hang elhal. A szél feloli oldalon „süket” zóna is keletkezhet, ez a hatás azonban annyira idoleges, hogy számításba vétele nem indokolt. Szabadtérben a hang terjedését a növényzet is csillapítja. Ez természetesen függ a növényzet fajtájától, az évszaktól, az aljnövényzet nagyságától. A kb. 50 m szélességu dús lombozatú és aljnövényzetu erdosáv csillapítása
5-10 dB. Sajnos a növényzet (erdosáv) zajcsillapító hatása csak a közvetlen földfelszín közelében lévo zajforrások esetén hatásos és a hangforrás magasságát legalább 2 m-rel meg kell haladja az erdosáv magassága.

A belso terek akusztikájának a vizsgálata lehetové teszi a hangforrás és az általa a helységben kialakuló hangnyomásszintek, a hangnyomásszintek helyfüggoségének, dinamikai tulajdonságainak (pl. visszhangosság) a vizsgálatát. A helység méreteinek, alakjának és határoló felületeinek a viszonyát a teremben kialakuló akusztikai körülményekkel.
A szabadtéri terjedés során említett hang elhajlási tulajdonsága a felületekkel határolt térben is jelentos. Egy nem megfeleloen szellozetett teremben, ahol a homérséklet felfelé emelkedik, a hanghullámok elhajlása miatt számos teremhangtanilag fontos mennyezeti visszaverodés megszunhet (5. ábra).

4. ábra: hullámterjedés az atmoszférában, különféle homérséklet esetén: a) a homérséklet felfelé növekszik, b) a homérséklet felfelé csökken

5. ábra: belsotéri elhajlás

Ha fordított a homérsékleti viszony, a közönség kevesebb közvetlen hangenergiát kaphat, a fölfelé elhajló hangsugarak miatt. Emiatt kell az üléssorokat felfelé emelkedové tervezni. Már a görögök is alkalmazták az akusztikai tereknek a geometriai tervezését, mellyel a térben kialakuló hanghullám terjedés igen jó közelítéssel modellezheto. Fermat (XVII. sz.) felismerte, hogy a hang két pont között a legrövidebb úton, egyenes mentén terjed. Ez az egyenes vonalú terjedés csak homogén térben valósul meg. Ha téren belül a terjedési sebesség változik (homérséklet különbségek) akkor az inhomogén térben a hangsugarak elhajlanak. Ennek felismerése Huygens-Fresnel nevéhez fuzodik (XVII. sz.).

A belso terek másik legfontosabb hangjelensége, a visszaverodés. Ha egy hanghullám falba ütközik, az energiája három részre oszlik. Elso része visszaverodik. A visszaverodés olyan irányú mintha a fal mögött egy virtuális sugárzó, a tényleges forrás tükörképe sugározná. A második része belép a falba. Ott egy része elnyelodik, hové alakul. Harmadik része kilép a falból és tovább halad. A kilépés elott igen kis része még egyszer visszaverodik és elnyelodik. A visszavert, hové alakult és átmeno energia összessége a belépo hanghullám intenzitásával egyenlo. A különbözo anyagokat az általuk vissza nem vert, elnyelt energia alapján az elnyelési fokkal jellemezzük. Az elnyelési fokot %-ban szokták megadni, és értéke függ a fal anyagától, hanghullám beesési szögétol és a frekvenciától. A 0 elnyelési fokú anyag minden energiát visszaver, ilyen például a csiszolt márvány. Az 1-es elnyelési tényezo a teljesen porózus anyagokra jellemzo, ahonnan semmilyen energia nem verodik vissza. A sima betonfal átlagos elnyelési tényezoje a hallási frekvencia tartományban: 0,01-0,03%, Az ablaküveg: 0,25-0,05%. szonyegpadló: 0,05-0,4%,
vastag függöny: 0,09-1%, nyitott ablak: 1-10%. Egy teremben kialakuló hangnyomásszintre dönto befolyással vannak a termet határoló felületek elnyelési fokai. A különbözo borítású falak elnyelési fokainak az összegzésébol és a falfelületek nagyságából megkap-hatjuk a teremállandót (RT=A(?/1-?) (m2), ami jellemzo a terem méretére és a felületeinek az elnyelési fokára.

Az elozoekben láthattuk, hogy a hanghullámok egy terem falairól visszaverodnek és ezáltal, a terem minden pontján különbözo irányú és intenzitású hanghullámok haladnak keresztül. Eszerint megkülönböztethetünk kétféle hangteret, a diffúz és a közvetlen hangteret. A közvetlen hangtérben a hangnyomásszint a hangforrás teljesítményétol, míg a visszavert térben a teremállandótól is függ. Amikor egy teremben egy hangforrást bekapcsolunk az eloször a közvetlen hangteret hozza létre. Ezután a falakról visszaverodve létrejön a visszavert hangtér is.

A két tér egymásra hatásának köszönhetjük a bennünk kialakuló térérzetet, irányérzetet, távolságérzetet. A teremben a hangnyomás szint mindaddig növekszik, amíg a hangforrásból kilépo teljesítmény nagyobb, mint az elnyelodés során fellépo veszteség. Egy ido után a szint állandó marad mindaddig, amíg a hangforrást ki nem kapcsoljuk. A hangforrás kikapcsolása után a hangnyomásszint csökkenése a falak hangelnyelo tulajdonságaitól függ, ha ez nagy, a csökkenés gyors lesz. Ha a terem állandósult hangnyomásszintjénél kikapcsoljuk a hangforrást és megmérjük azt az idot, amíg a terem hangnyomás szintje 60 dB (1000 részére) csökken, akkor megkapjuk a terem utózengésének idejét. Ezt megkap-hatjuk, 20 °C-ot feltételezve a T= 0,161(V/A) (s) képlet segítségével is. Olyan termekben, ahol az utózengési ido nagy, a még zengo hang elfedi, vagy zavarhatja a késobb kisugárzottat. Ez rontja a beszéd érthetoségét, a zenei reprodukciót. Eloadótermekben, színházakban a legkedvezobb utánzengési ido 400-4000 Hz között T=0,4lgV képletbol számolható. Az utózengés idejét a felületek hangelnyelésével csökkenthetjük, például stúdiókban. Még egy fontos teremjellemzonk van, ami jelentosen befolyásolhatja a teremben kialakuló hangnyomásszintet. Egy párhuzamos falakkal rendelkezo teremben a falak között a méretekkel egész számú viszonyban álló fél hullámhossznak megfelelo frekvenciákon kialakuló állóhullámok miatt a hangenergia eloszlása nem egyenletes. A megfelelo frekvenciával gerjesztve, és téglatest alakú termet feltételezve, három állóhullám rendszer tud kialakulni (6. ábra). Általában a hangforrások nem egy adott frekvencián sugároznak, hanem széles spektrumot átfogva, így számos frekvencián alakulhatnak ki interferenciás pontok. Magas frekvenciáknál ez kevésbé zavaró, mert az interferenciás pontok elég közel esnek egymáshoz, de mély frekvenciákon igen zavaró lehet a jelenség. A probléma kiküszöbölésére a tervezés folyamán úgy kell megválasztani a terem méreteit, hogy méretarányok kistermeknél: 1:1,25:1,6, nagytermeknél: 1:1,35:2,45 és 1:1,55:3,27 között változzanak. Ezzel el is jutottunk következo részünk tartalmához, a termek és a bennük lévo felületek alakjához, alakjukból adódó akusztikai tulajdonságaikhoz.

6. ábra: a hanghullámok kialakulása a frekvencia változása alapján

Források:
Reis Frigyes: Az épületakusztika alapjai
Tarnóczy Tamás: Teremakusztika
SH atlasz: Fizika
K. Imre- Sz.Tibor: A muszaki akusztika alapjai