Kerkzaal in Haarlem – eigen foto
Wat is ruimte-akoestiek? Leer hoe geluid zich gedraagt in een afgesloten ruimte en verschillende manieren om dit te beheersen.
Wet behoud van energie
Laten we beginnen met een wet (‘natuurlijke gang van zaken in de natuur’ – VanDale.nl). Een natuurkundige wet om precies te zijn. Het is de ‘Wet van behoud van energie’. De naam legt zichzelf best goed uit. Energie kan niet verdwijnen of opgeheven worden. Wat het wel kan, is omgezet worden in een andere energievorm. Wat dit inhoudt, is dat geluidenergie niet zomaar kan verdwijnen, maar hoe werkt het absorberen van geluid dan? Laten we eens kijken wat er gebeurt als een geluidgolf op een constructie botst.
Een bron creëert geluid in een ruimte, de geluidgolven bewegen zich voort door de lucht totdat ze een materiaal tegenkomen. Nu gebeuren er drie dingen:
Een eerste deel van de energie ketst af van de voorzijde van het materiaal en wordt terug de ruimte ingestuurd (1. reflectie). De overige energie dringt door de voorzijde van het materiaal binnen en vervolgt z’n weg. Deze energie verliest gaandeweg een deel van zijn energie doordat de vezels van het materiaal in trilling worden gebracht en de energie omzetten in warmte (2. absorptie). De energie die de reis naar het einde van het materiaal heeft overleefd verlaat de materie aan de achterzijde en vervolgt z’n weg door de lucht (3. transmissie). De som van deze drie verschijnselen is gelijk aan de invallende geluidgolf. Per stuk zijn ze dus altijd kleiner dan de invallende geluidgolf (de bron). In onderstaande afbeelding is dit principe afgebeeld.
Reflectie van geluid | weerkaatsing
Het eerste fenomeen is vrij eenvoudig te begrijpen. Net als een bal die je tegen een muur schopt kan een deel van de energie niet het materiaal binnendringen. Het materiaal biedt genoeg weerstand om een deel van de energie te reflecteren de ruimte in. Zowel de bal als het geluid stuiteren terug de ruimte in en vervolgen hun weg. Materialen die goed geluid reflecteren zijn hard/dicht van structuur, zwaar/groot soortelijk gewicht. De reflectiecoëfficiënt (ρ) geeft aan hoeveel procent van de energie teruggekaatst wordt de ruimte in. Deze waarde loopt van 0 tot 1 waarbij 1 = 100%. Voorbeelden van reflecterende materialen zijn dik glas, metalen, steenachtige materialen etc.
Absorptie van geluid | demping
Het tweede fenomeen is een veel lastiger principe. Absorptie kennen we allemaal wel van een materiaal dat iets in zich opneemt, het houd iets vast. In dit geval wordt de energie van het geluid opgevangen, ofwel opgezogen, door de cellen van de materie. Hoe je geluid vangt? Door trillingen in de lucht worden de cellen van de materie in beweging gebracht, door de frictie/wrijving die dit veroorzaakt verliezen de trillingen aan kracht. De warmte die hierbij vrijkomt wordt opgeslagen in het materiaal. Dus het materiaal houdt eigenlijk geen geluidenergie vast, maar warmte afkomstig van geluidenergie. Voordat je een koekenpan pakt en een eitje denkt te gaan bakken; dit zijn minuscule temperatuurverschillen die een mens niet kan waarnemen. Materialen die goed geluid absorberen hebben cellen met een poreuze/open structuur, relatief licht/laag soortelijk gewicht. Bijvoorbeeld alle soorten wol (glas-, steen-, polyester-, vlas-, hennepwol enz. enz.). De absorptiecoëfficiënt (α) geeft aan hoeveel energie een materiaal absorbeert en wordt uitgedrukt van 0 tot 1, waarbij 1 weer 100%. Deze absorptiewaarde staat vaker genoemd dan een reflectiewaarde, een lage absorptiewaarde duid in dat geval op een reflectief materiaal.
Transmissie van geluid | doorlaten
En dan nog de resterende energie, de laatste strijders die zich dapper door het materiaal hebben weten te vechten, ofwel de transmissie. De transmissie is uiteindelijk wat maakt dat de buren last hebben van jouw geluid.
Isolatie van geluid | tegenhouden
Maar nu missen we een parameter waar in de akoestiek veel om te doen is. Hoe komen we nu aan de isolatie van geluid? Al het geluid dat niet door een materiaal heen komt is de isolatie. Als isolatie de som is van al het geluid dat niet door een materiaal komt kun je stellen dat:
1. Reflectie + absorptie = geluidisolatie
2. Invallend geluidniveau – transmissie = geluidsisolatie (ΔL)
De eerste manier gebruik je als je de isolatiewaarde van een materiaal berekent. Hiervoor heb je de natuurkundige materiaaleigenschappen nodig die iets zeggen over het gewicht, de dichtheid, de stijfheid etc. Als je de geluidsisolatie wil meten gebruik je vaak de tweede (omgekeerde) techniek. Je meet eerst het invallend geluidniveau en daarna wat er achter het materiaal van overblijft (de transmissie). Die trek je van elkaar af. Dan krijg je het verschil(Δ = delta) in geluidniveau (L).
Ruimteakoestiek | nagalmbeheersing
Meting Stadsgehoorzaal Leiden met Jan Bril
Nu we deze basiskennis tot ons hebben genomen zijn we aangekomen bij het laatste onderdeel van deze eerste serie blogs over ‘hoe geluid werkt’: De Ruimteakoestiek. Ik schrijf dit met hoofdletters omdat dit toch wel de meest bekende en geromantiseerde vorm is van akoestiek. Eigenlijk is het niets meer dan het beheersen van reflecties. Stel je voor, je hebt net een mooie nieuwe zaal gebouwd die fantastisch geïsoleerd is. Niemand die langs het gebouw loopt zal weten dat er binnen een heel orkest staan te hengsten op hun instrumenten. We hebben net geleerd dat de energie niet kan verdwijnen (wet van behoud van energie). Dus als die energie niet naar buiten gaat? Juist, dan blijft hij allemaal binnen. En daar worden al die reflecties die door elkaar vliegen toch al snel irritant. Dit noemen we hinderlijke reflecties. Ze vliegen allemaal door elkaar heen en blijven maar door elkaar schieten. De energie bouwt op doordat het orkest, maar energie blijft toevoegen en de geluiden vervormen doordat reflecties tegen elkaar opbotsen. Wat nu???
Door reflecties weg te halen (absorberen) of in juiste banen te leiden (reflecteren of diffuseren) kan je de akoestiek van de ruimte beïnvloeden. De hinderlijke reflecties worden weggehaald en de goede reflecties (ze zijn niet allemaal hinderlijk) blijven behouden. Bijvoorbeeld voor een mooie nagalm. Nagalm wordt gevormd door heel snel opeenvolgende reflecties die uitdoven naarmate de tijd vordert. Doordat ze zo snel achter elkaar volgen verwerkt je hersenen het tot één geluid, de galm. Dit kan je vergelijken met foto’s die erg snel achter elkaar getoond worden en zo een film creëren. In een woonkamer heb je een nagalm van ongeveer 0,5 seconde die vaak niet echt opvalt, in een concertzaal is een nagalm van 2 seconden normaal en in kerken kom je nagalmtijden van 4 seconden of nog wel langer tegen. De nagalmtijd druk je uit als RT60 in seconden. Ofwel de tijd (s) die het duurt voor het brongeluid om 60 dB af te nemen in een gegeven ruimte. Een verschil van 60 dB wordt namelijk gezien als het uitdoven van geluid. Maar huh? Bij een brongeluid van 100 dB(A) betekent het echter dat er na het verstrijken van de nagalmtijd nog 40 dB(A) dB(A) over is aan nagalm. Dan is het nog helemaal niet stil! En zo moeten we wederom concluderen dat ook hier de akoestiek relatief is aan de situatie. En met die onbevredigende conclusie weten we eindelijk ‘Hoe geluid werkt’. Namelijk verdomd lastig.
0 Comments