Olemassa olevan tilan huoneakustiikan mallintaminen: Esimerkkinä Sastamalan Pyhän Marian kirkko
Sadeaho, Pyry-Herkko (2022)
Sadeaho, Pyry-Herkko
2022
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-05-12
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205114743
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205114743
Tiivistelmä
Olemassa olevan tilan huoneakustiikkaa on tyypillisesti mallinnettu tilasta olevien rakennepiirustusten tai tietomallien perusteella. Joissakin tapauksissa mallinnettavasta tilasta ei välttämättä ole olemassa riittäviä lähtötietoja geometrian ja huoneakustiikan mallintamiseksi. Tällaisissa tapauksissa mallinnettavan tilan geometria voidaan selvittää rakennusmittausten keinoin. Tilasta voidaan kuvata erilaisilla menetelmillä sen geometriaa kuvaava pistepilvi, jonka perusteella geometrian mallintaminen voidaan tehdä.
Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli mallintaa olemassa olevan tilan huoneakustiikka hyödyntäen mallinnuksessa itse tuotettuja lähtötietoja. Huoneakustiikan mallintamiseksi olemassa olevasta tilasta kuvattiin pistepilvi sekä kolmiulotteinen malli, ja huoneakustisen mallin validoimiseksi tilassa mitattiin standardien ISO 3382-1 ja IEC 60268-16 mukaisia huoneakustiikan mittalukuja. Tilan geometria mallinnettiin kuvatun pistepilven pohjalta manuaalisesti ja huoneakustisen mallin pintojen ominaisuudet arvioitiin kolmiulotteisen mallin ja tutkimuskirjallisuuden avulla. Huoneakustinen malli sovitettiin paikan päällä tehtyjen huoneakustisten mittausten tuloksiin, jonka jälkeen mallilla voitiin tarkastella tilan huoneakustiikkaa mittaustilanteesta poikkeavissa tilanteissa.
Tutkimuksessa mallinnettu olemassa oleva tila oli myöhäiskeskiaikainen Sastamalan Pyhän Marian kirkko. Akustiikaltaan ylistetty kirkko toimii nykyisin jokavuotisen vanhan musiikin festivaalin Sastamala Gregorianan päänäyttämönä ja sen on kehuttu sopivan erinomaisesti nimenomaan vanhalle musiikille. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli myös tutkia, miksi Sastamalan Pyhän Marian kirkon huoneakustiikkaa pidetään niin hyvänä ja kuinka tällainen huoneakustiikka on ajan saatossa muodostunut. Nykyisen huoneakustiikan muodostumisen tutkimiseksi kirkon huoneakustiikka mallinnettiin sen kahdessa aiemmassa rakennusvaiheessa, joina huoneakustiikan arveltiin olleen nykytilanteesta poikkeava. Aiemmiksi rakennusvaiheiksi valittiin vuosien 1777 ja 1870 mukaiset tilanteet. Aiempien rakennusvaiheiden mallintamiseen tarvittavat lähtötiedot selvitettiin kirjallisuus- ja arkistotutkimuksella sekä haastatteluin.
Mallinnustulosten perusteella Sastamalan Pyhän Marian kirkko on vuonna 1777 ollut huomattavasti kaiuntaisempi kuin nykyisin. Tilavuudeltaan nykyistä suuremmassa ja pinnoiltaan heijastavammassa tilassa ääniolosuhteet eivät ole olleet kirkon silloiselle käyttötarkoitukselle suotuisat ja puheenerotettavuus on kirkkosalissa istuneiden kuuntelijoiden kokemana voinut olla vaatimaton. Tilavuudeltaan aiempaa pienempi ja sisustukseltaan erilainen vuoden 1870 mukainen tilanne sopi huoneakustiikaltaan paremmin sekä musiikille että puheelle. Tällöin vielä kirkossa olleen lautalattian vuoksi kirkko oli tyhjänä edelleen kaikuisa. Täydessä kirkkosalissa huoneakustiikka oli kuitenkin mallinnettujen mittalukujen perusteella lähes nykytilanteen mukainen ja puheenerotettavuus vaihteli huonon ja kohtalaisen välillä kirkkosalin penkkien alueella.
Kirkon nykyinen huoneakustiikka on muodostunut useiden kirkon olemassaolon aikana tehtyjen korjaus- ja muutostöiden myötä ja ainakin osittain sattumalta. Huoneakustisten mittalukujen mallinnustulosten perusteella kirkon huoneakustiikka soveltuu hyvin vanhalle musiikille ja vokaalimusiikille. Ääniolosuhteet ovat otolliset sekä tilassa esiintyville että tilassa oleville kuuntelijoille, eikä kuunteluolosuhteet riipu merkittävästi kuuntelijan sijainnista kirkkosalissa. Vuonna 1978 kirkkosaliin tehdyn maalattian ansiosta kirkon huoneakustiikka on riippumattomampi tilassa olevasta kuuntelijamäärästä kuin aiemmin sen olemassaolon aikana. The room acoustics of an existing space have typically been modelled using available plans and building instruction models (BIMs). In some cases, there is not enough information for modelling the geometry and room acoustics of the space. In such cases, the geometry of the space can be attained through different measurement techniques. The geometry of an existing space can be modelled using a point cloud, which can be obtained with various methods.
The purpose of this master’s thesis is to model the room acoustics of an existing space using self-produced geometrical information of the space. To model the room acoustics, a point cloud and a 3D model of the space were created. Various room acoustics parameters presented in standards ISO 3382-1 and IEC 60268-16 were measured to validate the room acoustic model. The geometry of the space was modelled manually using the point cloud and the material properties of the surfaces in the room acoustic model were estimated from the 3D model and research literature. The room acoustic model was then calibrated using the in-situ measurements. With the calibrated model, the room acoustics of the space could be investigated in situations, which differ from the measured situation.
The existing space modelled in this master’s thesis was a late medieval St. Mary’s Church of Sastamala. Nowadays the church, which is praised for its acoustics, is used as a main stage of an early music festival Sastamala Gregoriana. The acoustics of the church have been described as especially suitable for early music. The purpose of this study was also to research, why the acoustics of the St. Mary’s Church of Sastamala are so well-liked and how the current acoustic conditions have been shaped. To study how the current acoustic conditions have been achieved, the room acoustics of the church were reconstructed in two historical states, in 1870 and 1777, in which the room acoustic conditions were estimated to differ from the current situation. Information necessary for modelling the historical states of the church was acquired from literature, archives, and interviews.
According to the simulations, the church in 1777 was more reverberant than currently. Since the volume of the church was greater and the surfaces were mainly reflective, the room acoustic conditions were not suitable for its purpose. In 1777, the speech intelligibility was modest in the church hall. The room acoustic conditions were better and more appropriate for both speech and music in 1870. The volume of the church was smaller, and the interior design was a little different than in 1777. Because of the wooden floor, the church was still reverberant when empty. When the church was full, the room acoustic conditions were in accord with the current conditions and the speech intelligibility varied between fair and poor.
The current acoustic conditions of the church have been shaped through several renovations made in its history and partly by accident. According to the simulations, the current room acoustic conditions of the church are especially suitable for early music and vocal music. Both the listening and the performing conditions are favourable. Additionally, the listening conditions don’t depend on the location of the listener in the church hall. The earth floor, which was made to the church in 1978, is one of the main reasons why the room acoustics is nowadays more independent from the number of listeners in the church.
Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli mallintaa olemassa olevan tilan huoneakustiikka hyödyntäen mallinnuksessa itse tuotettuja lähtötietoja. Huoneakustiikan mallintamiseksi olemassa olevasta tilasta kuvattiin pistepilvi sekä kolmiulotteinen malli, ja huoneakustisen mallin validoimiseksi tilassa mitattiin standardien ISO 3382-1 ja IEC 60268-16 mukaisia huoneakustiikan mittalukuja. Tilan geometria mallinnettiin kuvatun pistepilven pohjalta manuaalisesti ja huoneakustisen mallin pintojen ominaisuudet arvioitiin kolmiulotteisen mallin ja tutkimuskirjallisuuden avulla. Huoneakustinen malli sovitettiin paikan päällä tehtyjen huoneakustisten mittausten tuloksiin, jonka jälkeen mallilla voitiin tarkastella tilan huoneakustiikkaa mittaustilanteesta poikkeavissa tilanteissa.
Tutkimuksessa mallinnettu olemassa oleva tila oli myöhäiskeskiaikainen Sastamalan Pyhän Marian kirkko. Akustiikaltaan ylistetty kirkko toimii nykyisin jokavuotisen vanhan musiikin festivaalin Sastamala Gregorianan päänäyttämönä ja sen on kehuttu sopivan erinomaisesti nimenomaan vanhalle musiikille. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli myös tutkia, miksi Sastamalan Pyhän Marian kirkon huoneakustiikkaa pidetään niin hyvänä ja kuinka tällainen huoneakustiikka on ajan saatossa muodostunut. Nykyisen huoneakustiikan muodostumisen tutkimiseksi kirkon huoneakustiikka mallinnettiin sen kahdessa aiemmassa rakennusvaiheessa, joina huoneakustiikan arveltiin olleen nykytilanteesta poikkeava. Aiemmiksi rakennusvaiheiksi valittiin vuosien 1777 ja 1870 mukaiset tilanteet. Aiempien rakennusvaiheiden mallintamiseen tarvittavat lähtötiedot selvitettiin kirjallisuus- ja arkistotutkimuksella sekä haastatteluin.
Mallinnustulosten perusteella Sastamalan Pyhän Marian kirkko on vuonna 1777 ollut huomattavasti kaiuntaisempi kuin nykyisin. Tilavuudeltaan nykyistä suuremmassa ja pinnoiltaan heijastavammassa tilassa ääniolosuhteet eivät ole olleet kirkon silloiselle käyttötarkoitukselle suotuisat ja puheenerotettavuus on kirkkosalissa istuneiden kuuntelijoiden kokemana voinut olla vaatimaton. Tilavuudeltaan aiempaa pienempi ja sisustukseltaan erilainen vuoden 1870 mukainen tilanne sopi huoneakustiikaltaan paremmin sekä musiikille että puheelle. Tällöin vielä kirkossa olleen lautalattian vuoksi kirkko oli tyhjänä edelleen kaikuisa. Täydessä kirkkosalissa huoneakustiikka oli kuitenkin mallinnettujen mittalukujen perusteella lähes nykytilanteen mukainen ja puheenerotettavuus vaihteli huonon ja kohtalaisen välillä kirkkosalin penkkien alueella.
Kirkon nykyinen huoneakustiikka on muodostunut useiden kirkon olemassaolon aikana tehtyjen korjaus- ja muutostöiden myötä ja ainakin osittain sattumalta. Huoneakustisten mittalukujen mallinnustulosten perusteella kirkon huoneakustiikka soveltuu hyvin vanhalle musiikille ja vokaalimusiikille. Ääniolosuhteet ovat otolliset sekä tilassa esiintyville että tilassa oleville kuuntelijoille, eikä kuunteluolosuhteet riipu merkittävästi kuuntelijan sijainnista kirkkosalissa. Vuonna 1978 kirkkosaliin tehdyn maalattian ansiosta kirkon huoneakustiikka on riippumattomampi tilassa olevasta kuuntelijamäärästä kuin aiemmin sen olemassaolon aikana.
The purpose of this master’s thesis is to model the room acoustics of an existing space using self-produced geometrical information of the space. To model the room acoustics, a point cloud and a 3D model of the space were created. Various room acoustics parameters presented in standards ISO 3382-1 and IEC 60268-16 were measured to validate the room acoustic model. The geometry of the space was modelled manually using the point cloud and the material properties of the surfaces in the room acoustic model were estimated from the 3D model and research literature. The room acoustic model was then calibrated using the in-situ measurements. With the calibrated model, the room acoustics of the space could be investigated in situations, which differ from the measured situation.
The existing space modelled in this master’s thesis was a late medieval St. Mary’s Church of Sastamala. Nowadays the church, which is praised for its acoustics, is used as a main stage of an early music festival Sastamala Gregoriana. The acoustics of the church have been described as especially suitable for early music. The purpose of this study was also to research, why the acoustics of the St. Mary’s Church of Sastamala are so well-liked and how the current acoustic conditions have been shaped. To study how the current acoustic conditions have been achieved, the room acoustics of the church were reconstructed in two historical states, in 1870 and 1777, in which the room acoustic conditions were estimated to differ from the current situation. Information necessary for modelling the historical states of the church was acquired from literature, archives, and interviews.
According to the simulations, the church in 1777 was more reverberant than currently. Since the volume of the church was greater and the surfaces were mainly reflective, the room acoustic conditions were not suitable for its purpose. In 1777, the speech intelligibility was modest in the church hall. The room acoustic conditions were better and more appropriate for both speech and music in 1870. The volume of the church was smaller, and the interior design was a little different than in 1777. Because of the wooden floor, the church was still reverberant when empty. When the church was full, the room acoustic conditions were in accord with the current conditions and the speech intelligibility varied between fair and poor.
The current acoustic conditions of the church have been shaped through several renovations made in its history and partly by accident. According to the simulations, the current room acoustic conditions of the church are especially suitable for early music and vocal music. Both the listening and the performing conditions are favourable. Additionally, the listening conditions don’t depend on the location of the listener in the church hall. The earth floor, which was made to the church in 1978, is one of the main reasons why the room acoustics is nowadays more independent from the number of listeners in the church.