Geluid

Les 1: Geluidsbronnen

De lesstof:

Van de geluidsbron naar je oren  

Geluid ontstaat door trillende geluidsbronnen, zoals je stembanden, een gitaarsnaar of de motor van een vliegtuig. Als de bron trilt, brengt die de lucht eromheen ook in beweging. Deze trillingen gaan door de lucht en komen bij je oren, waardoor je het geluid hoort.

Bijvoorbeeld een trommel: als een drummer slaat, begint het trommelvel te trillen. Wanneer het vel naar buiten beweegt, wordt de lucht ervoor een beetje samengeperst en stijgt de druk. Als het vel teruggaat, zet de lucht weer uit en daalt de druk. Deze drukveranderingen verplaatsen zich doordat luchtmoleculen elkaar aantikken en de beweging doorgeven.

Als de trillingen je oor bereiken, begint je trommelvlies ook te trillen. Dit trommelvlies beweegt naar binnen bij hogere druk en naar buiten bij lagere druk. Via gehoorbeentjes komen de trillingen bij het slakkenhuis, dat de trillingen omzet in elektrische signalen voor je hersenen. Zo hoor je het geluid.

De luidspreker  

Een luidspreker gebruikt een dun vel, de conus, om lucht te laten trillen. De conus zit vast aan een spoel, die vrij kan bewegen en een magneet. Door een wisselstroom in de spoel ontstaat een elektromagneet die steeds van polariteit wisselt. Daardoor wordt de spoel afwisselend aangetrokken en afgestoten door de permanente magneet. De conus beweegt mee en brengt de lucht in beweging, waardoor geluid ontstaat.

Geluidssnelheid

Geluid reist meestal door lucht, maar kan ook door andere stoffen zoals water of muren gaan. Alle vaste stoffen, vloeistoffen en gassen kunnen geluid doorgeven, maar de snelheid verschilt per stof. Geluid gaat bijvoorbeeld langzamer door lucht dan door staal. In een vacuüm (lege ruimte), zoals in de ruimte, kan geluid niet reizen omdat er geen moleculen zijn om de trillingen door te geven. Op de maan is het daarom stil.

De snelheid waarmee geluid zich verplaatst, noemen we de geluidssnelheid. Dit hangt af van de stof en de temperatuur. Geluid gaat sneller in warme lucht dan in koude lucht. De afstand die geluid aflegt, kun je berekenen met de formule:

Afstand = geluidssnelheid × tijd

In symbolen:  

s = vgeluid × t

Waarbij:  

• s de afstand is die geluid aflegt, in meter (m);  

• vgeluid de geluidssnelheid in de stof is, in meter per seconde (m/s);  

• t de tijd is die het geluid nodig heeft, in seconden (s).

Terugkaatsing van geluid

Geluid kan worden teruggekaatst, net als licht. Hierdoor hoor je een geluid soms twee keer: direct en na terugkaatsing. Dit teruggekaatste geluid heet een echo. Omdat de echo een langere weg aflegt, hoor je hem later dan het directe geluid.

Op schepen wordt een echolood gebruikt om de diepte van de zee te meten. Het echolood stuurt onder water geluidspulsen uit, die terugkaatsen vanaf de zeebodem. Het apparaat meet de tijd tussen het uitzenden en opvangen van de puls en berekent zo automatisch de diepte van de zee.

Les 2: Toonhoogte

De lesstof:

Trillingstijd 

Met een opstelling zoals in afbeelding 1a kun je het geluid van een stemvork meten. Een microfoon zet het geluid om in een elektrisch signaal, dat op het scherm van een oscilloscoop zichtbaar wordt als een golvende lijn. Zo kun je zien hoe snel de luchtdruk verandert.

De oscilloscoop is ingesteld op 2 ms per hokje. Dat betekent dat elk hokje 2 milliseconden (ms) is. In afbeelding 1b zie je dat er 8 trillingen passen in 10 hokjes. Voor deze 8 trillingen is dus 10 * 2 ms = 20 ms nodig.

De tijd die één trilling nodig heeft, is dan  

20 ms / 8 = 2,5 ms (= 0,0025 s).  

Deze tijd per trilling heet de *trillingstijd*. De trillingstijd van de stemvork in afbeelding 1 is dus 2,5 ms.

Frequentie

Als je de trillingstijd weet, kun je het aantal trillingen per seconde berekenen. Dit heet de *frequentie*. Als de trillingstijd bijvoorbeeld 0,1 s is, passen er 10 trillingen in één seconde. Is de trillingstijd 0,01 s, dan passen er 100 trillingen in één seconde.

De frequentie van het geluid bereken je met de formule:  

f = 1 / T

waarbij:

• f de frequentie is, in hertz (Hz);

• T de trillingstijd is, in seconden (s).

Toonhoogte  

De hoogte van een toon hangt af van de frequentie (en de trillingstijd). Dit kun je testen met een *toongenerator* en een luidspreker. De frequentie is instelbaar, waardoor je de toonhoogte kunt aanpassen: hoe groter de frequentie, hoe hoger de toon.  

Met een toongenerator kun je ook testen welke frequenties mensen kunnen horen. Jonge mensen met een goed gehoor horen tonen van 20 Hz tot ongeveer 20.000 Hz (20 kHz). Tonen lager dan 20 Hz of hoger dan 20.000 Hz horen mensen niet. Met de leeftijd neemt het gehoor voor hoge tonen vaak af. Zie BINAS tabel 29.

Veel dieren horen andere frequenties dan mensen. Vleermuizen horen bijvoorbeeld zeer hoge tonen, tot boven 100.000 Hz (100 kHz), maar lage tonen horen ze juist slecht. Honden horen zowel lagere als hogere tonen beter dan mensen.

Toonhoogte bij snaarinstrumenten  

Bij muziekinstrumenten zoals de gitaar of piano wordt de toonhoogte gemaakt door snaren. De toonhoogte van een snaar wordt bepaald door:

• de spanning van de snaar;

• de dikte van de snaar;

• de lengte van de snaar.

Als je een gitaar stemt, pas je de spanning van de snaren aan. Als de toon te laag is, draai je de snaar strakker aan om de spanning te verhogen. Hoe hoger de spanning, hoe hoger de toon.

Op een gitaar zijn er snaren met verschillende diktes. Zonder de snaar in te drukken, geeft een dikke snaar een lage toon en een dunne snaar een hoge toon. Daarom zijn de snaren van een basgitaar veel dikker dan die van een gewone gitaar.

Les 3: Geluidssterkte

De lesstof:

Amplitude en geluidssterkte  

Wanneer 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, waardoor de drukverschillen in de lucht kleiner worden. De amplitude neemt dan af. Minder intensieve drukveranderingen zorgt voor een lager geluid.

De amplitude bepalen  

Met een oscilloscoop kun je het elektrische signaal van een microfoon zichtbaar maken. Dit signaal is een spanningsgolf die in millivolt (mV) wordt gemeten. De *amplitude* is de grootste waarde die de spanning bereikt. 

Om de amplitude te bepalen, volg je deze stappen:

1. Tel het aantal hokjes tussen de ‘nullijn’ en de hoogste piek van de golf.

2. Kijk op welke gevoeligheid de oscilloscoop is ingesteld (in mV).

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

De geluidssterkte meten

De geluidssterkte wordt gemeten in decibel (dB) met een decibelmeter. Het aantal decibel geeft aan hoe groot de drukverschillen in de lucht zijn. Hoe groter de drukverschillen, hoe luider het geluid. 

De geluidssterkte in dB komt niet altijd overeen met wat mensen voelen. Mensen horen lage en hoge tonen minder goed, waardoor deze tonen minder luid lijken. Daarom heeft een decibelmeter een A-filter dat minder gevoelig is voor deze tonen. Met dit filter krijg je de geluidssterkte in dB(A), die aangeeft hoe luid het geluid voor mensen lijkt. Bij metingen van geluidshinder wordt altijd de dB(A)-schaal gebruikt.

Gehoordrempel en pijngrens

Bij een toon van 1000 Hz is de dB(A)-schaal bijna gelijk aan de dB-schaal. Een toon van 1000 Hz en 0 dB heeft ook 0 dB(A). Bij lage en hoge tonen is de dB(A)-waarde lager. Een toon van 50 Hz met 38 dB is bijvoorbeeld maar 0 dB(A).

De lijn voor 0 dB(A) heet de gehoordrempel. Geluiden boven deze grens hoor je, onder deze grens niet. De lijn voor 140 dB(A) is de pijngrens. Geluid boven deze grens doet pijn aan je oren. Zie BINAS tabel 28 voor meer informatie over gehoorgevoeligheid.

Rekenen met decibel  

De decibelschaal werkt op een bijzondere manier. Bijvoorbeeld, als één leerling zingt, is de geluidssterkte ongeveer 55 dB. Maar als 32 leerlingen zingen, is de geluidssterkte niet 32 keer zo hoog; je meet slechts 70 dB.

Als het aantal geluidsbronnen verdubbelt, neemt de geluidssterkte toe met 3 dB. Dit betekent dat meer geluidsbronnen niet lineair samenvoegen; je hebt meer energie, maar de sterkte neemt minder snel toe.

Les 4: Hinderlijk geluid

De lesstof:

Hinderlijk geluid

Geluid kan storend zijn, vooral voor mensen die daar gevoelig voor zijn. Veel mensen vinden geluid van verkeer, vliegtuigen en buren hinderlijk.

Geluidsoverlast aanpakken kan op verschillende manieren. De Nederlandse regering onderscheidt drie manieren: bij de bron, tijdens de overdracht en bij de ontvanger.

Bij de bron

De eerste stap is om het lawaai bij de bron te verminderen. Bijvoorbeeld, snelwegen krijgen stil asfalt om het verkeersgeluid te dempen. Verkeerssnelheden verlagen of auto's met stille elektrische motoren inzetten helpt ook. Voor vliegtuigen geldt dat motoren zo stil mogelijk worden ontworpen.

In de overdracht

Als het geluid bij de bron niet genoeg verminderd kan worden, kun je het onderweg proberen tegen te houden. Langs snelwegen worden bijvoorbeeld geluidsschermen of geluidswallen geplaatst. Soms bouwen we ook kantoorgebouwen langs de weg die het geluid tegenhouden.

Bij de ontvanger 

Als andere maatregelen niet genoeg helpen, kun je maatregelen bij de ontvanger nemen, zoals de huizen beter isoleren. Woningen dicht bij vliegvelden of drukke wegen krijgen vaak extra isolatie, zodat bewoners minder geluid binnen horen zolang de ramen en deuren gesloten zijn. 

Geluidsisolatie

Geluidshinder kan met geluidsisolatie worden bestreden. Isolatiemateriaal werkt zowel tegen warmteverlies als geluid. Ook helpt het om dubbelglas te vervangen door superisolerend hr++-glas. 

Machines op harde vloeren kunnen veel trilling en daarmee geluid veroorzaken. Dit kun je verminderen door de machine op rubberen doppen te zetten; het rubber dempt de trillingen.

Absorberen en terugkaatsen

Geluid kan geabsorbeerd worden door zacht materiaal met een ribbelig oppervlak, zoals nopjesschuim. Ook een aarden wal langs een snelweg werkt geluiddempend. 

Soms is er niet genoeg ruimte voor een geluidswal, dan zijn geluidsschermen een optie. Zo'n scherm kaatst het geluid terug, net als een spiegel licht weerkaatst. Geluidsschermen zijn meestal schuin geplaatst, zodat het geluid schuin weerkaatst wordt. Dit soort materiaal is hard en heeft een glad oppervlak.

Schadelijk geluid

Harde geluiden kunnen je gehoor beschadigen. Vanaf 80 decibel (dB) bestaat er risico op gehoorschade. Hoe harder het geluid, hoe groter het risico. Geluid van 120 dB is bijvoorbeeld veel schadelijker dan 90 dB.

De kans op gehoorschade hangt af van de geluidssterkte én de tijdsduur. Daarom is er voor elke geluidssterkte een maximale veilige luistertijd. Bijvoorbeeld, geluid van 85 dB is 8 uur veilig, maar bij 100 dB slechts 2 uur (zie BINAS tabel 30).

Je kunt zelf het volume van je oortjes regelen, maar mensen die met lawaaierige machines werken kunnen het geluid niet zomaar dempen. Daarom dragen zij oorkappen of oordopjes om het geluid te verminderen. Festivalbezoekers doen dit ook om hun gehoor te beschermen.

Gehoorschade ontstaat langzaam en valt vaak pas op als het al te laat is. Wil je je gehoor beschermen, dan is het verstandig om daar vroeg mee te beginnen, voordat er schade is.