Akustik kan fixas!

Det överfaller alltid när man är ute och reser, det usla högtalarljudet! Ohörbara utrop, grötigt tal, flåsningar och ekon som gör viktiga meddelanden obegripliga. Akustiken är märkligt eftersatt i många stora anläggningar. Men allt som är tekniskt går att åtgärda.

Sportarenan, akustikerns mardröm? Inte alls, om man vet vad man håller på med. Får elektroakustikern vara med när byggnaden konstrueras, kan en grötigt ekande ljudkatastrof undvikas. Lösningen heter elektroakustisk design!

”Good morning ladies and floffelhhh. This is first officer Floff Dinkenpffff welcoming flggffh this flight to Berlin. The flight time schll and 46 minutes.” Känns det igen? När man kliver av tåget på en svensk station kan det låta ”Tåg till brapparapparappa står inne sprapparapp och avgår oninggongbång och fjorton.” Och det är när man just klivit av mitt på plattformen. Gör man det intressanta experimentet att gå längst bort på en plattform nås man av högtalarutropen i tre upplagor, några tiondels sekunder förskjutna. Det låter intressant, men är knappast användbart.

På Göteborgs centralstation satt tidigare punkthögtalare uppe under taket. Det fungerade bara inte. Ljudet från dem blev till gröt. Högtalarfabrikanterna har tyvärr inte alltid kontroll över hur deras produkter placeras.

I avgångshallen på Arlanda är det samma sak: ”Dingdång! Mister Golongagong, Mister Trangbandadang and Mister Blupp, please report to the imvrrvrr desk in the bånnngbåång!” Det är ett skolboksexempel på hur man inte ska göra. Kala väggar och golv och ljud från flera högtalare som studsar runt och möter åhöraren med olika tidsförskjutning.

Problemet

En högtalare högt uppe i taket i en järnvägsstation är sämsta möjliga utgångspunkt. Hårda golv och väggar gör att ljudet studsar omkring och blandas med direktljudet till en oanvändbar gröt. De flesta människor spyr galla över ljudsystem på järnvägsstationer och flygplatser. Hur kommer det sig att sådana ljudsystem ändå är ganska vanliga? Är flygplats- eller järnvägsoperatörerna medvetet elaka mot oss? Eller är det där med akustik en väl bevarad hemlighet som akustikerskrået inte släpper utanför sina hemliga mötesrum? Något som man bara får reda på om man kan det hemliga handslaget?

Man får förutsätta att de flesta systemägare gör så gott de kan. De som installerar har förmodligen inte föreställningen att ”det här är helt fel placering, men vi gör det ändå” utan de tänker nog ”det här blir säkert jättebra”. Men ofta blir det inte särskilt bra. Uppenbarligen är elektroakustik svårare än vad vi kan förstå intuitivt.

Akustik går att ordna. Man kan till exempel ringa Bose Corporation. Det gjorde vi och fick titta på Boses akustik-CAD-system Modeler. Med Modeler kan man rita upp ett rum, konsertsal eller flygplats i ett CAD-system och sedan injicera ljud i det och se hur klangbilden blir. Det ger byggherrar och arkitekter en möjlighet att höra precis hur ett högtalarsystem kommer att låta i byggnaden, även om den bara finns som skiss. För att verifiera att klangbilden blir som kunden beställt, använder man systemet Auditioner som återger ljudet på valfri plats i den syntetiska lokalen så att kunden ska kunna höra resultatet, innan han beställer och betalar. Och Bose har den märkligt åtråvärda affärsprincipen att om resultatet inte blir som Auditioner utvisar, får kunden pengarna tillbaka.

Från början trodde Boses grundare Dr. Amar Bose, fd professor i elektroteknik på MIT, inte på projektet. Han trodde inte att projektgruppen skulle kunna klara av att räkna fram akustiken i en lokal med den datorkraft som fanns tillgänglig på 1980-talet. Men efter att han besökt projektgruppen på labbet förstod att det nog skulle kunna fungera.

Då kom nästa krav: Om vi inte kan garantera att kunden som ska köpa ljudsystemet kan tro på det och vi därför tvingas betala tillbaka pengarna om installationen misslyckas, då är det här ett datorspel. Det försenade projektet några år och man var tvungen att uppfinna en mätmetod för att verifiera de beräknade resultaten, bland annat genom omfattande lyssningstester. Numera kan man garantera simulationens resultat. Enligt vad man på Bose känner till finns det inget annat företag som gör på samma sätt.

Auditioner

Ett medeltida tortyrinstrument? Nej, det är författaren instoppad i Auditioner, upplevandes en helt ny ljudvärld.

Auditioner är en märklig apparat som man lägger hakan i och träder in i en ny ljudvärld. Bokstavligen. Fotbollsarenan eller kyrkan uppstår runt omkring, om man har fantasi nog. Det kan tyckas besvärligt att släpa runt på en stor tung apparat om man hade kunnat göra detsamma med hörlurar, men så enkel är inte hörseln. Den är en märklig sak som inte låter sig simuleras så lätt. Det är inte bara öronens form som är av betydelse, även skallens och axlarnas form och hårets dämpning är av betydelse för ljudbilden och inverkan är individuell för varje lyssnare. Det kan tyckas underligt att det inte finns högtalare bakom lyssnaren i Auditioner, men ljudet tycks uppträda bakifrån ändå.

Speech Transmission Index

När Bose modellerat en lösning måste man fråga sig hur bra den är. Vad menas med ”bra”? Lösningen ska hålla högt STI (Speech Transmission Index, taluppfattbarhet). Ju bättre STI, desto mindre grötigt låter talet på grund av reflexer och efterklang.

STI är ett objektivt, fysiskt mått på talöverföringens kvalitet. STI går från 0 till 1, vilket indikerar i vilken grad en överföringskanal försämrar taluppfattbarheten. Detta innebär att från början helt begripligt tal, när det överförs via en kanal med STI = 1, förblir helt begripligt. Ju mera STI närmar sig noll, desto mer information förloras. Ett ljuddött rum ger i princip STI = 1 och ett avloppsrör är väldigt nära noll.

Brandskyddsmyndigheterna har sina minimikrav. De anser att STI 0,50 är ett minimum för att högtalarmeddelanden ska nå fram i nödsituationer. Bose har valt en STI-färgskala i sina simulationer som har gult vid 0,50 och allt som är sämre uttrycks i olika toner av brunt. Det förstår en människa intuitivt som ”sämre”.

Stora hallar

Bild: Jorchr, CC BY-SA 3.0

När Malmö Arena skulle byggas, modellerade Bose först akustiken så som den skulle ha blivit om arkitekternas och akustikernas visioner fått råda, med hjälp av deras ritningar och högtalarplaceringar, och spelade upp det. Byggherren sägs ha svurit som en skånsk borstbindare över det dåliga ljudet. Felet var att ingen hade ”samkört” rumsakustiken med elektroakustiken (högtalarplaceringen). Ett exempel var att väggarna till VIP-loungerna var lodräta, så de kastade tillbaka ljudet från högtalarna bakifrån ned mot läktarpubliken, eftersom fronterna mestadels var gjorda av glas och därmed gav hårda reflektorer.

Boses förslag var att vinkla om det mesta i lokalen, luta fronterna på VIP-lounger, staket mm bakåt så att ljudet studsade upp mot absorbenterna i taket. Det kostade byggherren ett antal sköna kronor att ändra ritningarna, men beslutet togs efter Boses demonstrationer i Auditioner. Det är inte sannolikt att byggherren skulle ha ändrat sig utan att ha fått lyssna i Auditioner. Eftersom Bose inte har fått betala tillbaka pengarna bör Auditioners resultat ha varit nöjaktiga. Våra blinda A/B-lyssningstester av arenan för denna artikel visar att skillnaderna mellan ett simulerat ljudexempel i Modeler och verkligt uppmätt ljud i arenan med binauralmikrofon är subtila, även om simuleringen ger något mera diskant. Med pålagt binauralt publikljud är skillnaderna ointressant små.

Här är STI-värdena för Malmö Arena med hänsyn taget till publikljudet och alla stolar beklädda med 100 procent människor. STI är bra till utmärkt på de flesta ställen (0,7 – 0,56), men det finns platser, främst runt kanterna på rinken och uppe under taket, där STI blir för lågt (<0,4), där ekon och publikens vrål kommer att dränka högtalarljudet (förstärkt brun färg). Alla högtalares centrumlinjer är utmärkta med rött. Malmö Arena är något större än Globen, men med Auditioner kunde undertecknad sitta på valfri plats och höra högtalarutrop och musik. Denna visualisering blir Boses garanti mot kunden, där alla kvarvarande fel och brister visas. Det kommer alltid att finnas ställen där ekon inte går att eliminera och det redovisas utan krus.

Publikljudet kontra hörbarheten

Att bygga upp tillräckligt ljudtryck med tillräcklig hörbarhet handlar inte bara om att skruva upp ljudet. Den största fienden i en sporthall är publikljudet, när människor stampar, skriker och spelar trummor. Det dränker ljudanläggningen och orsakar lågt STI på vissa ställen. Att vinkla om väggar m.m. ändrar inte på efterklangstider och dylikt, fenomenen blir bara mycket mindre störande. Ibland kan publikljudet också vara en vän, eftersom det maskerar svagare ekon, som man då inte behöver eliminera.

Ljudtrycksmaskering är en annan fiende. STI är ljudtrycksberoende. Det hjälper inte att bara vrida upp ljudet, om det hörs dåligt. Vårt hörande fungerar sämre och sämre över 80 dBA. Är publikljudet tillräckligt högt är det meningslöst att vrida upp ljudanläggningen för hörseln klarar inte att uppfatta talet ändå. Det kan du enkelt verifiera själv. Är du på en konsert där man spelar allt för högt går det inte att uppfatta sången, men genom att stoppa fingrarna i öronen blir talet åter uppfattbart. STI är också beroende på frekvensgången, så med ett dåligt ekvaliserat högtalarljud försämras också hörbarheten. Numera finns det siffror och standarder kring detta. Se referenserna.

Kyrkor är särskilt svåra eftersom de redan är färdigbyggda och har hårda, kala väggar som inte kan modifieras, och tak med konstig form. Dessutom är budgeten begränsad. Lösningen blir alltid pelarhögtalare som sprider ljudet rakt fram och inte upp i taket. För kyrkor finns några tumregler. Håll spridningen borta från golv och tak och bestråla bara områden där det sitter människor. Det låter löjligt enkelt, men det är inte lika lätt i verkligheten.

Pelarhögtalaren (linjekällan) bygger på principen att man har flera högtalarelement i vertikalled som svänger i fas. Resultatet blir utsläckning i vertikalled och förstärkning i horisontalled, alltså att ljudet breder ut sig som en horisontell skiva. Minimalt ljud går uppåt, studsar i taket och bidrar till störande ekon. En typisk pelarhögtalare har 12 högtalarelement och Modeler analyserar närfält och fjärrfält från varje enskilt element i fem eller 10 graders intervaller i tre dimensioner. Modeler gör 26 mätningar i varje vinkel vilket resulterar i att det går åt 134.784 mätvärden för att beskriva ett enda högtalarelement.

Dessa Inox-högtalare på Barcelonas flygplats illustrerar principen perfekt. Högtalarutropen är väldigt njutbara trots att hallen på airside är mycket stor och har hårda ytor. Pelarna står med 25 meters avstånd och pratar inte in i varandras område.

Bygga själv

Som demonstration har Bose byggt ett exempel på en konsertsal med parkett och första rad (balkong) i Modeler, som är 13 meter hög och cirka 39 meter lång, satt in en högtalare mitt fram (se skärmbilder) över scenen och jag provlyssnar i Auditioner. Det låter hemskt. Efterklangen är flera sekunder. Det beror på att alla väggar är klädda med gipsplattor och golvet är parkett, som reflekterar ljudet hårt. Allt eftersom man byter material i väggar och golv uppdaterar Modeler bilden av efterklangen. Efter att vi talat om för simulatorn att taket ska kläs med akustikplattor av typen Ecophon Master A och att åhörarna fungerar som diffusa reflektorer blir resultatet betydligt bättre, men det finns fortfarande ställen i salen där mänskligt tal inte kommer att bli begripligt. Det är nu finliret börjar. Ingen använder till exempel bara en högtalare och väggarna kan utformas bättre, med smartare placering av absorbenter.

Här är några skärmbilder ur Modeler. En ensam högtalare står för ljudet. Bilden visar direktfältet från högtalaren och att maximalt ljudtryck ligger på ungefär 95 dBA i publiken och 75 dBA på scenen inom området 1–4 kHz. Men lägger man på lokalens efterklang blir resultatet inte fullt så roligt. I Modeler kan man experimentera med olika väggmaterial för att optimera efterklangen.

Bilden visar taluppfattbarheten, alltså hur en åhörare i vår tänkta teater träffas av direktljud och reflexer vid 2 kHz. Direktljudet kommer fram efter cirka 10 ms och STI ligger på bekväma 0,77. Reflexerna från väggarna kommer efter 35-80 ms. Nere på scenen är det så många reflexer att taluppfattbarheten är dålig (STI 0,48). Den infällda gula kurvan är efterklangens medelamplitud vid olika tidpunkter från en impuls och den lyssnare vi har modellerat nås av en stor impuls vid 37,5 ms. Den är eventuellt inte hörbar, men de blå, senare reflektionerna från bakväggarna, kommer att bli störande. Mera dämpmaterial behövs. Luftfuktigheten och temperaturen måste också matas in i Modeler, eftersom dessa påverkar ljudets hastighet och dämpning och därmed ekonas beskaffenhet.

Givetvis sitter ingen och matar in en lokal för hand i Modeler, som för denna artikel, utan programmet kan importera AutoCAD- och Sketchup-ritningar och bygga upp en 3D-modell automatiskt.

Högtalare

Du kanske trodde att Bose först och främst ägnade sig åt stereoanläggningar och bullerdämpande hörlurar? Man kan ju förledas att tro det när man läser hifi-tidningar. Men det är inte hela sanningen. Den stora verksamheten är inriktad på akustik, professionella ljudkällor och installation av dessa i större anläggningar, hallar, kyrkor och konferenscentra. Högtalare för konsertsalar är helt olika de du ställer i vardagsrummet.

Konsertarenor utmärker sig för att vara väldigt stora och ljudet måste spridas olika beroende på hur långt bort från scenen och högtalarna som publiken befinner sig. Bilden visar en ”banan”, en sk progressiv array eller böjd linjekälla med hornhögtalare med allt smalare spridningsvinkel ju högre upp man kommer, för att fjärrljudet (long throw) ska spridas mindre än närljudet som går rakt ned.

Typisk hallkonfiguration, sk hornkluster med sex diskantlådor som vardera kan tåla uppåt 4500 watt i toppeffekt.

En typisk Bose-array för arenabruk med sex riktade mellanregisterlådor och åtta baslådor i oval konfiguration, avsedd att rikta även basen ända ned till 40 Hz med hjälp av fasning med delayer (fördröjningsenheter), som om det vore en diskanthögtalare.

Datorn kan inte placera högtalarna

Man skulle kunna tro att datorn kunde ”räkna baklänges”, mata in en önskad ljudspridning och sedan låta datorn ställa ut högtalarna där det är optimalt, men det går inte. Så bra är inte programmen ännu, för hörseln är allt för komplex för enkel baklänges-modellering. Högtalarplaceringen sker alltid erfarenhetsmässigt, varefter man verifierar resultatet i Auditioner. Inte heller vet programmet var man rent tekniskt kan hänga en högtalare och var det blir snyggt att hänga den. Det finns dessutom flera parametrar än vad Modeler kan hantera, som definierar ”välljud”. Det mest effektiva sättet med dagens teknik har visat sig vara att sätta sig ned och lyssna sig till var de bästa positionerna är, understödd av fältteknikerns stora erfarenhet.

Elektroakustik är ingen magi. Ljudkvaliteten i stora rum kommer av en optimal balans mellan antalet högtalarkluster (högtalare som sitter samman, fast med olika riktningar). För få högtalare kan ge ekon (för man får vrida på högre) och för många kan ge för liten skillnad mellan direktljud och efterklang. Återgivningen blir allt bättre ju närmare åhöraren kommer högtalaren eftersom efterklangen i rummet spelar allt mindre roll. Detta kräver att man använder många högtalare. Kan man inte dämpa efterklangen med mjuka material får man ta till ännu flera högtalare, ännu närmare åhörarna, med så lite läckage mellan högtalarna att ljudet från nästa högtalare blir insignifikant.

Det är inte dig det är fel på

Nästa gång du är ute i verkligheten och hör en usel klangbild, så vet du att det inte är dig det är fel på. Se dig omkring i lokalen och fundera på hur du skulle ha modifierat den för att få bättre ljud. Akustik kan fixas!

Läs mer

Bose Modeler som du kan tanka ned och använda själv (efter kontakt med Bose). Längre ned på sidan finns Boses egna praktikfall, exempelvis Löfbergs Lila arena och katedralen i Roskilde: https://pro.bose.com/en_us/products/software/acoustical_design/modeler_software.html

Bose Auditioner: http://www.av-iq.com/avcat/ctl1642/index.cfm?manufacturer=bose&product=auditioner-playback-system

Taluppfattbarheten STI: www.embeddedacoustics.com/index.php/speech-transmission-index

Här kan du läsa ett praktikfall i detalj, Enakyrkan i Enköping: PDF