Geluid

Les 1: Geluidsbronnen

De lesstof:

Geluid: Van bron naar oor

Geluid ontstaat door geluidsbronnen, zoals je stembanden, een gitaar, een sirene of een vliegtuigmotor. Deze bronnen trillen en brengen daardoor de lucht (of een andere stof) in beweging. Als deze trillingen je oren bereiken, hoor je geluid.

Denk bijvoorbeeld aan een trommel: als een drummer op de trommel slaat, gaat het vel trillen. Bij het naar buiten bewegen van het vel wordt de lucht ervoor samengedrukt, wat de luchtdruk verhoogt. Bij het naar binnen bewegen zet de lucht uit, waardoor de luchtdruk daalt.

Deze drukveranderingen verplaatsen zich door de lucht omdat luchtmoleculen botsen en zo de trillingen doorgeven. De moleculen zelf blijven ongeveer op hun plek. Wanneer de trillingen je oor bereiken, gaat je trommelvlies meetrillen. Een stijgende luchtdruk duwt het trommelvlies naar binnen, terwijl een dalende luchtdruk het naar buiten trekt. Via de gehoorbeentjes komen deze trillingen in het slakkenhuis, waar ze worden omgezet in elektrische signalen. Je hersenen verwerken die signalen, zodat je het geluid bewust hoort.

Hoe werkt een luidspreker?

Een luidspreker gebruikt een conus, een dun vel, om lucht in trilling te brengen. Belangrijke onderdelen van de luidspreker zijn:

• Een sterke permanente magneet

• Een spoel die aan de conus vastzit en vrij kan bewegen

De conus beweegt mee met de spoel, die in trilling wordt gebracht door een elektrisch signaal:

1. Er wordt een wisselspanning op de spoel gezet. Deze spanning verandert steeds, net zoals geluidsgolven.

2. Hierdoor gaat er een wisselstroom door de spoel lopen, waardoor de spoel een elektromagneet wordt met wisselende polen.

3. De spoel wordt afwisselend aangetrokken en afgestoten door de permanente magneet. De conus trilt mee met de spoel en brengt de lucht in beweging. Zo ontstaat geluid.

Geluidssnelheid

Geluid reist meestal door de lucht naar je oren, maar het kan ook door andere stoffen bewegen, zoals muren, water of staal. Geluid heeft altijd een tussenstof nodig om zich voort te planten. In het vacuüm van de ruimte is er geen stof, dus daar kun je geen geluid horen. Daarom is het in de ruimte en op de maan stil. Op Mars, met een dunne atmosfeer, kun je wel geluid horen.

De snelheid waarmee geluid zich door een stof verplaatst, heet de geluidssnelheid. Die snelheid verschilt per stof en is ook afhankelijk van de temperatuur. In warme lucht reist geluid bijvoorbeeld sneller dan in koude lucht.

Je kunt de afstand berekenen die geluid aflegt met de formule:
s = vgeluid × t
Hierbij is:

• s de afstand in meter (m)

• vgeluid de geluidssnelheid in meter per seconde (m/s)

• t de tijd in seconden (s)

De geluidssnelheid kun je vinden in BINAS tabel 27. Vergeet niet de temperatuur mee te nemen als je een nauwkeurige berekening wilt maken.

Echo en terugkaatsing van geluid

Geluid kan, net als licht, worden teruggekaatst. Als dit gebeurt, hoor je een geluid soms twee keer: eerst direct en daarna als een echo. De echo klinkt later omdat deze een langere weg moet afleggen.

Op schepen wordt gebruik gemaakt van een echolood om de diepte van de zee te meten. Een echolood stuurt korte geluidspulsen onder water, die weerkaatsen tegen de zeebodem. De tijd tussen het uitzenden en terugkrijgen van de puls wordt gemeten. Zo kan het apparaat berekenen hoe diep de zee is.

Les 2: Toonhoogte

De lesstof:

Trillingen

Je kunt het geluid van een stemvork onderzoeken met een microfoon en een oscilloscoop. De microfoon zet het geluid om in een elektrisch signaal (een wisselspanning), en de oscilloscoop toont dit signaal als een grafiek. Zo kun je zien hoe snel de luchtdruk verandert.

Als de tijdbasis van de oscilloscoop is ingesteld op 2 ms/div, betekent dit dat elk hokje op het scherm 2 milliseconden breed is. Stel dat je in 10 hokjes 8 trillingen ziet. De tijd voor deze 8 trillingen is dan:
10 × 2 ms = 20 ms.

Eén trilling duurt:
20 ms ÷ 8 = 2,5 ms = 0,0025 s.

De tijd voor één volledige trilling noem je de trillingstijd (T). De trillingstijd van de stemvork is dus 2,5 ms.

Frequentie

Met de trillingstijd kun je de frequentie berekenen, oftewel het aantal trillingen per seconde. Als de trillingstijd bijvoorbeeld 0,1 seconde is, zijn er 10 trillingen per seconde. Bij een trillingstijd van 0,01 seconde zijn dat 100 trillingen per seconde.

De frequentie bereken je met de formule:
frequentie = 1 ÷ trillingstijd
Of als symbolen:
f = 1 ÷ T

Hierbij is:

• f de frequentie in hertz (Hz);

• T de trillingstijd in seconden (s).

Toonhoogte

De hoogte van een toon wordt bepaald door de frequentie. Hoe hoger de frequentie, hoe hoger de toon die je hoort. Dit kun je onderzoeken met een toongenerator die je op een luidspreker aansluit.

• Frequentie omhoog → hogere toon

• Frequentie omlaag → lagere toon

Mensen met een normaal gehoor kunnen tonen horen tussen 20 Hz en 20.000 Hz (20 kHz). Dit bereik wordt kleiner naarmate je ouder wordt, vooral bij de hoge tonen (zie BINAS tabel 29).

Dieren hebben vaak een ander frequentiebereik dan mensen.

• Vleermuizen horen hoge tonen tot 100.000 Hz (100 kHz), maar lage tonen horen ze slecht.

• Honden horen zowel lagere als hogere tonen beter dan mensen, vooral de hoge tonen.

Toonhoogte bij snaarinstrumenten

Bij snaarinstrumenten zoals een gitaar of piano wordt de toonhoogte bepaald door:

• De spanning van de snaar: Hoe strakker de snaar, hoe hoger de toon. Als een snaar te laag klinkt, kun je hem strakker draaien.

• De dikte van de snaar: Dikke snaren geven een lage toon, terwijl dunne snaren een hoge toon geven. Daarom zijn de snaren van een basgitaar veel dikker dan die van een gewone gitaar.

• De lengte van de snaar: Hoe korter de snaar, hoe hoger de toon. Als je een snaar indrukt, verkort je hem en wordt de toon hoger.

Bij het spelen van akkoorden, zoals een E-akkoord, druk je meerdere snaren in. Alleen het deel van de snaar tussen je vinger en de brug kan dan trillen, waardoor de snaar korter wordt en de toonhoogte stijgt.

Les 3: Geluidssterkte

De lesstof:

Amplitude en geluidssterkte

Als je een stemvork aanslaat, hoor je een toon die langzaam zachter wordt. Dit komt doordat de benen van de stemvork steeds minder ver heen en weer bewegen. Daardoor worden de drukverschillen in de lucht rond de stemvork kleiner.

De amplitude is de grootste uitwijking van de beweging van de stemvork. Hoe groter de amplitude, hoe luider het geluid. Maar dit gaat niet precies gelijk op: een twee keer zo grote amplitude betekent niet dat het geluid ook twee keer zo luid klinkt.

De amplitude bepalen

Met een oscilloscoop kun je het elektrische signaal van een microfoon bekijken. Dit signaal is een spanning die steeds verandert. De amplitude is de maximale spanning (uitwijking) die je kunt aflezen, gemeten in millivolt (mV).

Volg deze stappen om de amplitude te bepalen:

1. Tel het aantal hokjes tussen de ‘nullijn’ en de grootste uitwijking.

2. Kijk naar de gevoeligheid waarop de oscilloscoop is ingesteld (bijvoorbeeld in mV per hokje).

3. Vermenigvuldig beide waarden om de amplitude in mV te berekenen.

Geluidssterkte meten

De eenheid van geluidssterkte is de decibel (dB). Je kunt de geluidssterkte meten met een decibelmeter. Het aantal decibel geeft aan hoe groot de drukverschillen in de lucht zijn. Hoe groter de drukverschillen, hoe meer decibel.

Toch komt de gemeten geluidssterkte niet altijd overeen met wat mensen horen. Dit komt omdat wij lage en heel hoge tonen minder goed waarnemen. Deze tonen lijken daardoor minder luid.

Om hiermee rekening te houden, heeft een decibelmeter een A-filter. Dit filter maakt de meter minder gevoelig voor lage en hoge tonen. De geluidssterkte in dB(A) geeft aan hoe luid het geluid voor mensen klinkt. Bij het meten van geluidshinder wordt daarom altijd de dB(A)-schaal gebruikt.

Rekenen met decibel

De decibelschaal werkt anders dan je misschien zou verwachten. Stel dat je in een muzieklokaal de geluidssterkte meet:

• Eén leerling zingt → geluidssterkte is 55 dB.

• 32 leerlingen zingen → geluidssterkte is 70 dB, niet 32 keer zo groot.

Als het aantal geluidsbronnen verdubbelt, neemt de geluidssterkte toe met 3 dB. Bijvoorbeeld:

• 1 leerling → 55 dB.

• 2 leerlingen → 58 dB.

• 4 leerlingen → 61 dB.

De reden hiervoor is dat de geluidssterkte afhankelijk is van de totale geluidsenergie, die niet recht evenredig groeit met het aantal bronnen.

Les 4: Hinderlijk geluid

De lesstof:

Hinderlijk geluid
Geluid kan soms erg storend zijn. Niet iedereen is er even gevoelig voor, maar verkeersgeluid, lawaai van vliegtuigen of geluidsoverlast van buren vinden veel mensen vervelend. Gelukkig zijn er manieren om geluidshinder te verminderen. De overheid onderscheidt hierbij drie aanpakken: maatregelen bij de geluidsbron, tijdens de overdracht en bij de ontvanger.

Maatregelen bij de geluidsbron

Je kunt proberen het geluid te verminderen waar het ontstaat. Bijvoorbeeld:

• Snelwegen worden vaak voorzien van stil asfalt.

• Rijsnelheden kunnen worden beperkt.

• Elektrische auto's maken minder lawaai dan traditionele auto's.

• Vliegtuigbouwers ontwikkelen motoren die stiller zijn.

Maatregelen in de overdracht

Als je het geluid bij de bron niet kunt verminderen, kun je proberen het onderweg tegen te houden:

• Geluidsschermen of geluidswallen langs snelwegen blokkeren het geluid.

• Kantoren bouwen langs een snelweg kan ook helpen om geluid verder tegen te houden.

Maatregelen bij de ontvanger

Als andere opties niet voldoende werken, kun je maatregelen nemen bij de ontvanger, zoals:

• Huizen isoleren met dikke muren, goed sluitende ramen en deuren.

• Vervang enkel glas door dubbelglas of hoogwaardig isolerend glas (hr++ of hr+++).

Geluidsisolatie

Isolatie helpt niet alleen tegen kou, maar ook tegen geluid:

• Dikke lagen isolatiemateriaal, zoals schuim of glaswol, verminderen geluid.

• Apparaten die op een harde vloer staan, kunnen trillingen veroorzaken. Plaats ze op rubberen doppen om trillingen en geluidsoverlast te verminderen.

Absorberen en terugkaatsen

Geluid kan:

• Geabsorbeerd worden door materialen zoals nopjesschuim of een aarden wal langs de snelweg. Deze materialen zijn zacht en hebben een ribbelig oppervlak.

• Teruggekaatst worden door harde, gladde materialen zoals die in geluidsschermen worden gebruikt. Geluidsschermen worden vaak schuin geplaatst, zodat het geluid omhoog of omlaag wordt weerkaatst.

Schadelijk geluid

Harde geluiden kunnen je gehoor beschadigen, vooral bij langdurige blootstelling:

• Geluid vanaf 80 dB kan gehoorschade veroorzaken. Hoe harder het geluid, hoe groter het risico. Geluid van 120 dB is bijvoorbeeld veel schadelijker dan 90 dB.

• Ook de blootstellingsduur speelt een rol. Geluid van 85 dB kan je oren 8 uur verdragen, maar bij 100 dB is dat nog maar 2 uur (zie BINAS tabel 30).

Bescherming tegen gehoorschade

• Oordoppen of oorkappen kunnen het geluid verzwakken. Festivalgangers en mensen die met lawaaierige machines werken, gebruiken deze vaak om hun gehoor te beschermen.

• Begin vroeg met gehoorbescherming. Gehoorschade gaat langzaam, en als je het merkt, is het vaak al te laat.

Bescherm je oren tijdig, want gehoorverlies is blijvend.