snelheid van geluidsgolven
Hoe verandert de snelheid van geluidsgolven in de lucht in functie van de temperatuur?
Voor dit antwoord en nog veel meer weetjes en watjes over geluid,
Lees meer………………………………………………………………………….
Een makkelijke benaderingsformule om de geluidsnelheid in lucht uit te rekenen is:
c = 20*sqrt(273 + T), T is de temperatuur in Celsius, c is de geluidsnelheid in meters/sec.
De geluidsnelheid in lucht bij een temperatuur van 0oC en 50% relatieve vochtigheid is 331.6 m/s. Dat is gelijk aan 1194 km/uur. Omdat de snelheid toeneemt als de temperatuur hoger wordt is de geluidsnelheid ongeveer 12 m/s groter bij 20oC. De geluidsnelheid is vrijwel onafhankelijk van de frequentie van het geluid, en ook van de luchtdruk, maar de geluidsnelheid ten opzichte van de grond kan wel be?nvloed worden door de snelheid van de wind.
Een goede benadering voor de geluidsnelheid in andere gassen dan lucht, maar wel bij standaard temperatuur en druk, kan berekend worden uit:
c = sqrt (gamma x P / rho)
gamma is the verhouding van de soortelijke warmte, P is 1.013*105 Pascal. Rho is de dichtheid van het gas.
WATER
De geluidsnelheid in water is ongeveer 1500 m/s, veel hoger dan in lucht dus. Het is mogelijk om veranderingen van de temperatuur van de oceaan te meten door te kijken hoe de geluidsnelheid over grote afstanden veranderd. De geluidsnelheid in een oceaan is bij benadering:
c = 1449.2 + 4.6T – 0.055T2 + 0.00029T3 + (1.34-0.01T)(S-35) + 0.016z
T is de temperatuur in oCelsius, S is de zoutconcentratie in deeltjes per duizend, z is de diepte in meters.
2.12 Wat wordt bedoeld met luidheid?
Luidheid (Loudness) is de menselijke ervaring van de sterkte van een geluid. De luidheid van een geluid heeft niet altijd een simpel verband met het geluidniveau. De Luidheid van een geluid wordt uitgedrukt in phons. Het is het decibel niveau van een toon van 1000 Hz die als even hard wordt gehoord als het geluid. Dat wordt getest door een persoon met een normaal gehoor te laten luisteren naar het geluid, en dit te vergelijken met een toon van 1000 Hz, met verschillende geluidniveau’s, totdat het precies klopt. Luidheid is dus een subjectieve maat, gemeten door een mens, en niet door een apparaat.
Het begrip Luidheid wordt in Nederland weining gebruikt. De dB(A) waarde geeft namelijk ook een redelijk goede indruk van de luidheid. Historisch gezien werd de ??n-getalswaarde van de A-weging niet direkt door de gevestigde akoestici geaccepteerd. Het gehoor werkt namelijk anders dan een geluidsmeter, die al het geluid met verschillende frequenties optelt. Zo kan er een discrepantie ontstaan tussen de subjectieve luidheid van bepaalde, zich herhalende, geluiden en het fysische geluidsniveau van die geluiden.
Een toename van het geluidsniveau met 10dB wordt meestal door een mens ervaren als “twee maal zo hard”. De sone is ook eenheid van luidheid die deze subjectief waargenomen verdubbeling bij 10 dB in rekening brengt, waarbij geldt:
0.5 sone = 30 phons (dat betekent: een geluid met 0,5 sone is even hard als een 1000 Hz toon van 30 dB),
1 sone = 40 phons,
2 sones = 50 phons,
4 sones = 60 phons etc.
De sone kan niet goed gebruikt worden bij zeer lage en zeer hoge geluidsniveau’s, hier geldt namelijk de 10 dB regel niet.
Berekeningen van de Luidheid hebben als voordeel dat ook het verschijnsel “maskering” kan worden meegenomen. Maskering is het verschijnsel dat de hoorbaarheid van een bepaald geluid kan worden verminderd door de aanwezigheid van een ander geluid, dat in frequentie dichtbij ligt. Het principe van maskering wordt gebruikt bij digitale audio. Door dit verschijnsel kan een behoorlijke reductie van de bandbreedte bereikt worden (met andere woorden, het aantal bits dat nodig is), zonder dat men een kwaliteitsvermindering kan waarnemen. Aan de andere kant kan maskering tot gevolg hebben dat bijvoorbeeld een alarmsignaal niet gehoord wordt, omdat er een ander geluid dit alarmsignaal maskeert.
2.13 Waardoor varieert de sterkte van geluid in de buitenlucht?
Vooral op grote afstand van een geluidbron, een weg bijvoorbeeld, kan de sterkte van het geluid flink vari?ren, afhankelijk van de weersomstandigheden.
De wind
Het belangrijkste effect wordt veroorzaakt door de wind. Vooral het verschil tussen meewind en tegenwind is erg groot. Hoe hard de wind precies waait heeft een minder groot effect dan de windrichting. Soms is een geluidbron, die met meewind heel goed hoorbaar is, met tegenwind helemaal niet meer hoorbaar. Als het heel hard waait, zijn er nog andere effecten, het geluid wordt dan gemaskeerd door het geluid dat de wind zelf maakt.
De temperatuurverdeling in de lucht
Op grotere hoogte is het in het algemeen kouder dan bij de grond. Geluidsgolven die vanaf de bron naar boven gaan breken tegen zo’n koude luchtlaag nog verder naar boven. Daardoor wordt het geluid op grote afstand zachter. ’s Avonds en ’s nachts treedt er soms een “inversie” op. Vlak boven de grond is het dan kouder dan hoog in lucht. Het geluid vanaf de bron kaatst dan tegen een warmere luchtlaag aan, en wordt hierdoor naar beneden gebogen. Hierdoor komt het dat ’s avonds een geluidsbron op grote afstand soms beter hoorbaar is dan overdag. In Nederland komen inversies vaak voor, vooral bij helder en windstil weer.
De bodem
Over een harde bodem (water, bestrating, asfalt) draagt geluid verder dan over een zachte bodem (zoals een akker of weiland).
Het seizoen
Er kan ook een verschil zijn tussen zomer en winter. Een dicht struikgewas of bos houdt het geluid iets tegen. Als ’s winters de bladeren zijn afgevallen wordt dat iets minder, maar dat effect is niet groot. Het is alleen goed meetbaar als die strook bos flink diep is. Wel is de subjectieve ervaring van mensen anders als er groen is tussen hun huis en de geluidbron. Als het vriest wordt de bodem hard, daardoor draagt het geluid verder. Als er een dik pak sneeuw ligt, dan wordt het geluid juist geabsorbeerd en is het stiller dan normaal.
Als iets regelmatig heen een weer beweegt om een middenpositie, dan is dat een trilling. Voorbeeld van ongewenste trillingen zijn de bewegingen van een gebouw naast een spoorlijn als een trein passeert. Een ander voorbeeld zijn de trillingen van de vloer die soms worden veroorzaakt door een wasmachine of een centrifuge. Trillingen van een vloer kunnen worden teruggebracht door trillingsisolatoren te gebruiken, bijvoorbeeld onder de voetjes van de machine. Soms gaat dat echter gepaard met een toename van de trillingen van de machine, waardoor eerder slijtage kan optreden. De keus van de juiste trillingsisolatoren hoort te gebeuren op basis van onder andere berekeningen van de eigenfrequenties van het de machine inclusief de isolatoren. Deze eigenfrequenties moeten flink lager zijn dan de frequentie waarmee de machine staat te trillen.
3.2 Hoe worden trillingen gemeten?
Trillingen worden meestal gemeten met een versnellingsopnemer. Deze wordt goed vastgemaakt op het trillende oppervlak dat gemeten moet worden. De versnellingsopnemer produceert een elektrische lading die evenredig is met de versnelling van het oppervlak. Deze lading wordt versterkt met een ladingsversterker en opgenomen met een recorder of direkt afgelezen met een wijzer. De frequenties waarbij trillingen worden gemeten liggen tussen 1 Hz en ongeveer 1 kHz. De hogere frequenties, die voor geluid wel vaak van belang zijn, worden meestal niet gemeten met trillingen.
Het is soms zinvol om de trillingssnelheid te kennen, of de verplaatsing. Meestal worden opnemers met een bewegende spoel gebruikt om direkt de trillingssnelheid te bepalen. Integratie van het signaal geeft dan een maat voor de verplaatsing. Als er echter alleen een versnellingsopnemer beschikbaar is, is het noodzakelijk om het versnellingssignaal te integreren om de snelheid te verkrijgen. Nogmaals integreren levert dan de verplaatsing. Als de trillingen sinusvormig zijn bij een bepaalde frequentie f, dan wordt de integraal van de versnelling berekend door het originele signaal te delen door 2 x pi x f . Let hierbij op dat er hierdoor ook een faseverschil optreedt!
Voorbeeld:
Een machine trilt sinusvormig bij 79.6 Hz, met een rms versnelling gelijk aan de versnelling van kracht van 10 m/s2
De trillingssnelheid is dan 10/(2 x pi x 79.6) = 20 mm/s rms
De verplaatsing is 10/(4 x pi2 x 79.62) = 0.04 mm rms
Hier blijkt wel uit hoe klein de verplaatsing is bij toch wel een grote versnelling.
Het gemeten resultaat kan ook worden uitgedrukt in een amplitude van “nul tot top” in plaats van “root-mean-square”. Deze waarde wordt berekend als de wortel van 2 {sqrt(2)} maal de rms waarde. De waarde van top-naar-top is dan nog 2x zo groot.
Er zijn dus drie grootheden van trillingen (versnelling, snelheid, verplaatsing) en drie schalen (rms, nul-tot-top, top-top) totaal dus negen mogelijke manieren om dezelfde trilling uit te drukken. Bovendien zijn er ook nog 3 mogelijke richtingen waarin een voorwerp kan trillen (links-rechts, voor-achter, op-neer), dat zijn dus 27 mogelijkheden voor verwarring….. en dan zijn er ook nog inches, mils, microns and millimeters… Men moet dus eeuwig waakzaam zijn en precies zijn bij trillingsmetingen. Bij elk getal hoort de volledige uitleg hoe het bepaald is.
3.3 Hoe kunnen trillingen beperkt worden?
Trillingsproblemen worden bestudeerd door het trillende systeem te bekijken alsof het bestaat uit een aantal massa’s die met elkaar verbonden zijn door veren. Er moet ook rekening gehouden worden met de demping. De trillingsbron kan van dit systeem deel uitmaken (bijvoorbeeld de motor van een auto). De trillingsbron kan zich ook buiten het systeem bevinden (bijvoorbeeld een gevoelige electronen microscoop die last heeft van trillingen van buitenaf).
Als de trillingen binnen het systeem gemaakt worden, dan is het nodig dat de resonantie frequenties van de ophanging van de machine flink lager zijn dan de frequentie van de trillingsbron (de motor van de auto bijvoorbeeld). Dit kan worden gedaan door of de massa of de stijfheid van het systeem te veranderen.
Deze methode om trillingen te isoleren kan worden gedemonstreerd met een gewicht (een pan bijvoorbeeld) dat aan een dik elastiek hangt. Als het elastiek zeer langzaam op en neer wordt bewogen dan beweegt het gewicht precies even hard mee. Als er steeds sneller wordt bewogen ontstaat bij een bepaalde bewegingsfrequentie resonantie. Het gewicht gaat dan veel sterker bewegen, en zelfs in de tegengestelde richting. Wordt de bewegingsfrequentie nog veel sneller, dan zal het gewichtje vrijwel stil komen te hangen. Dit voorbeeld met een elastiek is een voorbeeld van een veer onder rek. Vaker worden veren belast op druk (Zoals de banden van een auto).
Belangrijk:
Pogingen om “op gevoel” de trillingen van een machine te verminderen leiden er soms toe dat het probleem juist erger wordt. Dat kan vooral gebeuren als de fabrikant oorspronkelijk al de nodige aandacht had besteed aan een goed ontwerp.
Een andere methode om trillingen te bestrijden is om de trillingskrachten te neutraliseren door een dynamische trillingsdemper (Dynamic Vibration Absorber). Dit is een extra massa-veer combinatie die wordt bevestigd aan de machine. De massa-veer wordt als een stemvork afgestemd op de frequentie die bestreden moet worden. Deze demper gaat resoneren en zal dan een kracht uitoefenen die tegengesteld is aan de ongewenste trilling. Trillingsdempers zijn alleen toepasbaar als het gaat om een trilling met een vaste frequentie.
Anti-trillingen, “Active Vibration Control”, is een techniek die zich heeft ontwikkeld uit anti-geluid. Een anti-trillingen systeem meet de ongewenste trilling en produceert een in fase tegengesteld signaal. Zo kunnen bijvoorbeeld de trillingen van de draaiende wielen van een auto worden geneutraliseerd, zodat deze niet door het chassis heen komen naar de stoel van de bestuurder.
Als je een kort geluid maakt in een kamer of zaal (bijvoorbeeld een klap in je handen) dan hoor je het nagalmen. De nagalmtijd is de tijd dat het duurt tot het moment dat het geluid met 60 dB is afgenomen. In de praktijk hoor je de nagalm dan niet meer. Pionier op het gebied van zaalakoestiek was Wallace Clement Sabine 1868-1919 (zie zijn Collected Papers on Acoustics, 1922). De galmtijd, T, is gedefinieerd als de tijd die nodig is voor een geluidafname met een faktor 1 miljoen (60 dB). Deze tijd hangt af van het volume van de zaal (of kamer).
Waarom is galmtijd belangrijk?
- Voor de verstaanbaarheid van spraak. In een goede zaal die voor lezingen of voor lessen gebruikt wordt, is de galmtijd vrij kort. Als de galmtijd erg lang is (zoals in een kerk) dan wordt de verstaanbaarheid veel slechter. Daarom komt een preek in een grote kerk alleen goed over als er langzaam gesproken wordt.
- Voor de kwaliteit vvan een concertzaal. Daar moet de galmtijd wat langer zijn. Dan wordt een luisteraar omhuld door het geluid, dat hem of haar van alle kanten bereikt. De galmtijd in een grote kerk is nog langer dan in een concertzaal. Statige orgelmuziek en zang komt dan juist heel mooi over.
- Voor verlaging van het geluidsniveau. In een grote hal (bijvoorbeeld een zwembad, sporthal of een stationshal) heeft een een lange galmtijd tot gevolg dat het geluidsniveau erg hoog wordt. Het geschreeuw van enthousiaste kinderen in een zwembad galmt bijvoorbeeld erg lang na. Daarom is het in een zwembad vaak zo’n lawaai.
De galmtijd kan verkort worden door de absorptie van de wanden van de zaal te verhogen.
4.2 Wat is de geluidsabsorptie?
Geluidsabsorptie is het verschijnsel dat geluidenergie in warmte wordt omgezet. Het geluid verdwijnt dan eigenlijk in het materiaal. De hoeveelheid absorptie is een eigenschap van een materiaal en wordt uitgedrukt in de absorptie co?fficient. De absorptie co?fficient van een materiaal is de fractie van het invallende geluidvermogen dat wordt geabsorbeerd. De rest van het geluid wordt gereflecteerd. De absorptie co?fficient is afhankelijk van de frequentie van het geluid, en wordt meestal gemeten bij elke octaafband tussen 125 Hz en 4000 Hz. De absorptie co?fficient heeft een waarde tussen nul (geen absorptie, al het geluid wordt gereflecteerd) en 1 (volledige absorptie, er wordt geen geluid gereflecteerd).
Een meting van de absorptie kan op twee manieren gebeuren:
- In een “staande golf buis” of “impedantie buis”. Dit is een goedkope methode,waarvoor een klein stukje materiaal nodig is.
- In een “galmkamer”. Hiervoor is een groter stuk materiaal nodig. De metingen vinden plaats in een groter laboratorium.
De methode in een buis meet alleen de absorptie voor loodrechte inval van het geluid. De methode in een galmkamer meet de absorptie voor alle invalshoeken tegelijk. In de buismethode worden lagere getallen gemeten dan in een galmkamer.
Voor gebruik van de gegevens in de bouwakoestiek kunnen beter de meetresultaten van een galmkamer gebruikt worden. Maar de methode in een buis is eenvoudiger, en als er niets anders beschikbaar is kunnen deze gegevens wel gebruikt worden. Sommige materialen hebben gemeten in een galmkamer een absorptie co?fficient groter dan 1. Dat komt door buigingseffecten, en door de randen van het materiaal dat in de galmkamer wordt neergelegd. Het is dan beter de waarde af te ronden op 1.0 in plaats van een waarde groter dan 1 te gebruiken.
4.3 Wat is het verschil tussen isolatie en absorptie?
De termen “geluidsisolatie” en “geluidsabsorptie” werken vaak verwarrend.
Geluidsisolatie zorgt ervoor dat geluid niet van de ene plek naar de andere plek kan komen. Bijvoorbeeld er is geluidsisolatie tussen twee appartementen in een flatgebouw. Ook is er geluidsisolatie tussen buiten en binnen een woning. Zware materialen zoals beton of metselwerk zijn het meest effectief om geluid te isoleren. Een verdubbeling van de oppervlaktemassa zal de geluidsisolatie met ongeveer 6 dB verbeteren. Een nog betere geluidsisolatie kan men bereiken met een dubbele wand constructie. Deze twee wanden moeten dan wel los van elkaar staan en mogen geen contact met elkaar maken. Door een goede geluidsisolatie wordt het geluid teruggestuurd naar waar het vandaan kwam. Geluidsisolerende materialen zijn dus zwaar, en zijn helemaal luchtdicht.
Geluidsabsorptie treedt op als geluid een materiaal tegenkomt dat de beweging van de luchtdeeltjes omzet in warmte. Hierdoor verdwijnt het geluid gedeeltelijk. Geluidsabsorberende materialen zijn over het algemeen licht van gewicht en hebben een open constructie (je kan er doorheen blazen). Een geluidsabsorberend materiaal kan op twee manieren gebruikt worden:
- Om het geluid in een ruimte te verminderen. Bijvoorbeeld gordijnen en tapijt in een kamer verlagen de galm en het holle geluid
- Om de isolatie van een dubbele wand constructie te verbeteren. Bijvoorbeeld steenwol tussen twee aanpandige woningen.
Voorbeelden van geluidsisolerende materialen:
beton, dubbel glas (enkel glas is minder effectief), metselwerk, hout (zonder kieren)
Voorbeelden van geluidsabsorberende materialen:
gordijnen, tapijt, steenwol, stoffen stoelzittingen (leer niet!), gaatjesplafonds.
4.4 Hoe meet men geluidsisolatie?
De meetmethode hangt af van de situatie. Er zijn verschillende internationaal gestandaardiseerde methoden.
De wand die moet worden getest bevindt zich tussen twee ruimtes. Volgens de test procedures wordt hard, breedbandig en constant geluid gemaakt aan de ene kant van de wand (het raam, of de muur) die getest wordt. Vervolgens wordt de hoeveelheid geluid dat door het materiaal heen komt gemeten. De verhouding tussen het invallende geluid en het doorgelaten geluid is de “geluidsreductie”, die meestal wordt uitgedrukt in decibel. Als de geluidsreductie bovendien nog wordt gecorrigeerd voor de hoeveelheid geluidsabsorptie in de ontvangstruimte, dan wordt het resultaat het “transmissieverlies” genoemd. Deze metingen worden uitgevoerd voor het gehele frequentiegebied, en bestaan dus maximaal uit 24 getallen, voor elke 1/3 octaafband.
4.5 Hoe verbeter ik de geluidsiolatie van mijn woning?
Deze schijnbaar eenvoudige vraag wordt vaak gesteld. Eerst moet je je avragen of het inderdaad de geluidisolatie of de geluidabsorptie is die verbetering nodig heeft. Wil je ongewenst geluid buiten je kamer houden, of is het de bedoeling om minder overlast te bezorgen aan anderen?
De methode van geluidisolatie die het best gebruikt kan worden hangt sterk af van de precieze situatie, het is lastig om algemene tips te geven. Elke situatie is uniek, omdat die afhangt van de aard van het gebouw. Vaak is het nodig specialistisch advies in te winnen. De volgende idee?n zijn een beginpunt.
Voor geluid van buiten, is meestal het raam het zwakste punt. Dubbel glas zal de situatie hoorbaar verbeteren ten opzichte van enkel glas. De dikte van de luchtspouw, de ruimte tussen de twee glaspanelen is hierbij van belang. Dubbel glas met een grote luchtspouw van 25 mm tot 100 mm, is alleen nodig in extreme situaties. Het “standaard” dubbel glas, dat goed werkt voor warmteisolatie is soms onvoldoende voor geluidisolatie. Aandachtspunt is de ventilatie. Het openzetten van een raam laat ook het geluid weer naar binnen. Door een “suskast” te gebruiken kan toch geventileerd worden, zonder dat het geluid naar binnen komt.
Geluid van de buren kan worden tegengehouden door een extra voorzetwand te gebruiken. Dat is een laag geluidsisolerend materiaal, bijvoorbeeld gipsblokken, op enige afstand van de bestaande wand. De tussenruimte wordt gevuld met absorptiematieraal (zoals steenwol). De extra wand mag niet aan de muur bevestigd worden, dat zou de geluidsisolatie sterk verslechteren. De exacte uitvoering van de constructie is erg belangrijk, en omdat het een ingrijpende maatregel is, is het verstandig om eerst een onafhankelijke geluidsadviseur in te schakelen voordat met het werk wordt begonnen. Deze adviseur dient ook te beoordelen of het geluid niet langs andere paden binnenkomt, bijvoorbeeld via het plafond of de vloer.
5.1 Wat te doen als ik last van mijn buren heb?
“De buren” zijn de grootste bron van geluidshinder in Nederland. Het probleem is zonder ingrijpende bouwkundige maatregelen moeilijk op te lossen. Wel kunnen buren natuurlijk proberen om beter rekening met elkaar houden. Overleg hierover met elkaar is nodig. Enige wijze adviezen als alle normale pogingen niet hebben geholpen om het gedrag van de buren te verbeteren.
- Blijf correct. Je mag best laten merken dat je baalt als een stekker, maar blijf correct. Wees duidelijk in wat je precies niet acceptabel vindt. Accepteer alleen structurele maatregelen (bijvoorbeeld een zachte vloer), geen “we zullen zoveel mogelijk rekening met je houden..”.
- Reageer ELKE KEER dat je overlast ervaart. Stap er naar toe. Sla geen keer over. Als zij menen het recht te hebben om tig keer voor overlast te zorgen, dan mag jij daar tig keer wat van zeggen.
- Dit werkt, in die zin dat het bezorgen van overlast hen niet meer vanzelf afgaat. Da’s belangrijk. Je bent nu langzamerhand beland op het punt dat er wat verbetert, of dat je buurtjes je niet meer te woord willen staan (o, ja, wanneer ze ook maar iets insinueren over dat er iets met jou mis is, maak daar dan een punt van. Eis excuses. Doen ze dat niet, dan mag jij degene zijn die de gesprekken voor gezien houdt. Per slot bel je daar niet aan om beledigd te worden).
- Bij beeindiging van het ‘goed overleg’, door wie dan ook, kun je, bijvoorbeeld per aangetekende brief, aangeven waarom je genoodzaakt bent tot het schrijven ervan. Je geeft aan dat jij helaas naar andere oplossingen moet zoeken, nu goed overleg niet langer mogelijk is. Die oplossingen noem je niet, want daar zoek je immers nog naar.
- Afhankelijk van welke juridische poten je hebt om op te staan, ga je over tot : naar de verhuurder, een advocaat stappen, de politie bellen, en/of op de muur bonken o.i.d. (blijf ook hierin ‘correct’: doe het alleen op het moment van overlast en niet langer dan noodzakelijk).
- Dit zijn natuurlijk grote lijnen. Het belangrijkste is: volhouden. Niet om te winnen, maar omdat je mag en zult protesteren. Ze zullen het weten, elke keer weer. Meer niet. Mijn ervaring is: zij houden het niet vol.
- Als je nu al weet, dat je deze ‘koninklijke’ weg niet wilt bewandelen tot het einde toe, verhuis dan nu.
Anti-geluid is een populaire term voor “Active noise control”, actieve geluidbestrijding. ANC is een manier om met een electronisch systeem ongewenst geluid te verminderen, of zelfs geheel te verwijderen. Het werkt door een geluidsgolf met gelijke amplitudo maar met tegengestelde druk op het geluid af te sturen. Als de omgekeerde geluidsgolf wordt opgeteld bij het originele geluid, dan wordt het volledige stil op die locatie.
Deze methode van geluidbestrijding wordt soms gezien als een “wondermiddel” voor alle geluidsproblemen. Maar dit is niet het geval. Geluid in tegenfase maken in een 3-dimensionale ruimte, zoals een woonkamer, is bijzonder moeilijk tot onmogelijk. Het is wel mogelijk op ??n enkele locatie, bijvoorbeeld bij het oor van een passagier in een vliegtuig. Veel onderzoeksinstituten zijn bezig om de technieken voor antie-geluid te verbeteren.
6.2 Wat is de geluidsbarriere?
Als een vliegtuig sneller gaat dan het geluid, dan kunnen de drukgolven die het vliegtuig veroorzaakt, niet meer van het vliegtuig vandaan lopen. De drukgolven zijn dan namelijk langzamer dan het vliegtuig. “Langzamer” betekent hier ongeveer 1200 km/uur op zeeniveau. Op vlieghoogte is de snelheid van het geluid ongeveer 10% lager. Omdat de geluidsgolven niet weg kunnen, worden de drukverstoringen bij elkaar opgeteld, en blijven deze achter het vliegtuig aanlopen. Het vliegtuig vliegt dan aan de top van een kegelvormige schokgolf. De belangrijkste schokgolf wordt gemaakt door de neus van het vliegtuig. Kleindere schokgolven komen door andere discontinuiteiten van de vliegtuigromp.
Nog op een andere manier uitgelegd: Een lichaam dat door de lucht beweegt, drukt de lucht opzij. Kleine verstoringen van de lucht bewegen met de geluidsnelheid. Verstoringen vanaf een langzaam bewegend lichaam verspreiden zich in cirkels, net zoals de golfjes die onstaan als er een steen in het water gegooid is. Als het lichaam snel beweegt, liggen deze cirkels dichter bij elkaar in de richting van de beweging. Als het lichaam supersonisch snel beweegt, harder dan het geluid, dan gaan de cirkels elkaar overlappen. De omhullende van al die cirkels vormt dan een kegel. De tophoek van die kegel wordt bepaald door de snelheid, hoe sneller het lichaam, hoe smaller de tophoek. Ook dit is te zien in water: een snel zwemmende eend, of een boot, laat ook een zog achter zich met een scherpe tophoek. Het bestaan van deze kegel is ontdekt door Ernst Mach in de negentiende eeuw. Als een vliegtuig harder vliegt dan het geluid, wordt dat uitgedrukt in het Mach-getal. Mach 2 is bijvoorbeeld 2x zo hard als de geluidsnelheid.
Geluid kan gefocusseerd worden, net zoals licht. Bij licht kan je een lens gebruiken om alle lichtstralen in een brandpunt samen te laten komen. Met geluid kan dat dus ook, maar de “lenzen” moeten dan veel groter zijn, omdat de golflengten van het geluid veel groter zijn dan de golflengten van het licht. Het effect van gefocusseerd geluid is te horen in sommige gebouwen met een koepel, zoals het Capitol in Washington, en St. Paul’s Cathedral in London. Maar er moet dan niet teveel achtergrondlawaai zijn.
Grote parabolische spiegels met een diameter van 0,5 meter of meer kunnen worden gebruikt om geluid te zenden of te ontvangen over flinke afstanden. In New Metropolis in Amsterdam is een opstelling hiervan gemaakt. Het is ook mogelijk om geluid te buigen en in een “brandpunt” te doen samenkomen met een “akoestische lens”. Zo’n lens is een grote ballon, bijvoorbeeld 2 meter in diameter, gevuld met het onschadelijke CO2 gas (koolzuurgas, of kooldioxide).
Geluid uit luidsprekers kan ook gefocusseerd worden, maar dan wel met behulp van de nodige electronica. Er wordt dan een array van luidsprekers gebruikt, waardoor het geluid in een bepaalde richting sterker wordt uitgezonden, in andere richtingen minder sterk. Voorbeelden hiervan zijn in Hoog Catharijne in Utrecht, en ook in de stations Den Bosch en Amersfoort (in de centrale hallen).
In de 30er jaren ontdekten Frenzel and Schultes dat fotografische platen “mistig” werden als ze ondergedompeld werden in water waarin hoogfrequent geluid aanwezig was. Bij recentere proeven is het gelukt om een lichtgevende pulserende luchtbel te genereren door een staande geluidsgolf. Sonoluminescentie is het verschijnsel dat kleine luchtbellen in water licht blijken uit te zenden, als er hoogfrequent geluid aanwezig is, met een hoge geluidintensiteit. Het verschijnsel kan ook optreden bij andere gassen, of in andere vloeistoffen. Het ontstaansmechanisme wordt nog niet geheel begrepen. Men denkt dat zeer hoge drukken en temperaturen in het centrum van de imploderende luchtbel optreden.
6.5 Waarom hoor je een toon als je over een fles blaast?
Een toon ontstaat door resonantie. Resonantie treedt op als aan een systeem dat bestaat uit massa en een veer energie wordt toegevoegd. Veel muziekinstrumenten zijn gebaseerd op resonantie. Pianosnaren geven een toon af bij hun resonantie als er met een hamer op wordt geslagen. Vioolsnaren gaan resoneren als er over gestreken wordt. Als de vioolsnaar met een vinger korter wordt gemaakt, dan veranderd de toon. De resonantie frequentie van de snaar wordt dan hoger. Ook in een fles kan resonantie optreden. De fles is ook een massa-veer systeem, waaraan door het blazen energie wordt toegevoegd. Het luchtvolume in de fles gedraagt zich als de veer, terwijl de lucht in de hals van de fles zich gedraagt als de massa. Dit systeem wordt een Helmholtz resonator genoemd. De resonantiefrequentie is ongeveer gelijk aan:
f = { c sqrt (S/LV) } / 2pi
c is de geluidsnelheid
S is het oppervlak van de opening van de hals
V is het volume van de fles
L is de effectieve lengte van de hals, dat wil zeggen de echte lengte plus een eindcorrectie. De eindcorrectie is ~ 1.5 maal de straal van de opening van de hals.
Het is lastig om deze formule voor een fles toe te passen, je weet immers niet precies hoe lang de hals is, en op welk punt de hals overgaat in het volume. Wat je kan proberen is om een laag water in de fles te doen en dan weer te blazen. Hoor je dan een verschil? Wordt de toon hoger of lager? Kan je dat met de formule begrijpen (tip: door het water maak je het volume V kleinder).
De formule klopt wel goed voor een klassieke Helmholtz resonator, die de vorm heeft van een bol met een pijpje erop. Vroeger werden veel proeven gedaan met Helmholtz resonatoren. Het Teylers museum in Haarlem heeft een mooie verzameling.
Helmholtz resonatoren worden soms gebruikt om geluid te absorberen in de buizen van air conditioning. Ze worden ook wel gebruikt als absorberende elementen in plafonds of muren van zalen of kantoren, meestal worden ze onzichtbaar weggewerkt.
6.6 Waarom hoor je de zee ruisen in een schelp?
Omdat de schelp heimwee heeft naar de zee? Het is romantisch om dat te denken, maar het is niet waar. Ook is het niet waar dat je het geluid van je eigen bloed hoort dat door de aderen in je oren stroomt. Heb je niet zo gauw een schelp bij de hand? Een limonadeglas of een koffiemok om je oor houden werkt ook heel goed. Maar niet helemaal vastdrukken tegen je hoofd, laat een gedeelte open.
Dit is wat er echt gebeurd: Het is net zoiets als wat er gebeurd als je door een roze bril zou kijken. Alles wordt dan roze. De andere kleuren worden weggefilterd. Als je een groot slakkenhuis bij je oor houdt, dan wordt er een akoestisch filter gemaakt. Dit filter “kleurt” het geluid dat om je heen aanwezig is. En dat gefilterde geluid klinkt ongeveer net als de branding van de zee.
Het geluid dat je hoort is dus niet echt de zee, maar een gedeelte van het normale achtergrondgeluid om je heen. Twee belangrijke verschillen treden op, omdat het oor voor een groot deel wordt afgeschermd door de schelp:
1- Geluiden met frequenties die niet in de buurt van de resonantie frequenties van de schelp liggen komen niet in je oor terecht.
2- Het geluid bij de resonantiefrequenties van de schelp wordt versterkt.
Met metingen kan worden aangetoond dat bij bepaalde frequenties de geluidsdruk met 15 dB wordt versterkt. Daardoor heb je de illusie dat er in de schelp geluid wordt gemaakt, dat zonder die schelp niet aanwezig is.
