VAAK GESTELDE VRAGEN OVER GELUID - Hoofdstuk 6 - Diversen
redactie: Elly Waterman

Voor Inhoudsopgave klik hier.

6. Diversen

6.1 Wat is anti-geluid?

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 één enkele locatie, bijvoorbeeld bij het oor van een passagier in een vliegtuig. Veel onderzoeksinstituten zijn bezig om de technieken voor antie-geluid te verbeteren. Een gelauwerde engelstaglige "Active Noise Control FAQ" vind u hier: http://www.erols.com/ruckman/

 

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.

 

6.3 Kan je geluid focusseren?

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).

 

6.4 Wat is sonoluminescentie?

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.

 


6.7 Wat zijn muziek intervallen?

Toonhoogte is in objectieve zin de frequentie van een muzieknoot. Bijvoorbeeld de A heeft een frequentie van 440 Hz.momenteel. Momenteel, want vroeger was de toonhoogte van de A lager, bijvoorbeeld bij een oude piano kan de A een frequentie van 435 Hz hebben.

Door deze standaard toonhoogte van de A, wordt ook de toonhoogte van elke andere muzieknoot bepaald. Bijvoorbeeld op een piano verschilt elke halve noot met een factor "wortel 2" of 2^(1/2). Een octaaf komt overeen met een frequentie verhouding van 2:1. Bijvoorbeeld de A-snaar van een viool is 440 Hz. De A een octaaf hoger is 880 Hz.

Veel geluiden die geen echt toonkarakter hebben worden door musici beschouwd als niet-tonaal. Bijvoorbeeld een trommel, cymbalen, castagnetten, tambourein. Dit geldt ook voor het gesproken woord.

Een interval is de frequentie verhouding tussen 2 muzieknoten. 

De frequentie verhouding staat hieronder voor de C-majeur toonladder. Maar dezelfde verhoudingen gelden voor alle andere majeur-toonschalen.

C
(9:8)
D
(10:9)
E
(16:15)
F
(9:8)
G
(10:9)
A
(9:8)
B
(16:15)
C <- Octave

Het inteval tussen E & F en tussen B & C is een halve toon. Alle andere intervallen in deze toonladder zijn hele tonen. 

Intervallen krijgen vaak andere namen. Bijvoorbeeld in de C-majeur toonladder: C D E F G A B C, is de noot E de derde noot, en staat met het interval terts af van de C. De toonladder voor D-majeur, D major: D E F# G A B C# D, is de terts het interval tussen D en F#. De term interval kan ook worden gebruikt om aan te duiden dat noten tegelijk worden gespeeld. Dan kunnen er consonante (mooi klinkende) en dissonante (vals klikkende) klanken ontstaan.

De tonen van een mineur-toonladder verschillen van de majeur-toonladder. Een belangrijk verschil is de kleine terts. Bijvoorbeeld voor de toonladder C-mineur is de derde toon, Emol een kleine terst hoger dan de grondtoon C.

 

6.8 Wat veroorzaakt "helium stem"?

Als je de stem hoort van iemand die helium heeft ingeademd, lijkt het of de toonhoogte van de stem verhoogd is. Een basstem veranderd bijna in het stemmetje van Donald Duck.

WAARSCHUWING - Het inademen van helium kan gevaarlijk zijn.

Een holte, zoals ook de keelholte, heeft een aantal resonantie frequenties. Deze frequenties hangen af van de vorm en de afmetingen van deze holte, maar ook van de snelheid van het geluid binnen de holte. De stembanden van een mens trillen in het spraakkanaal. Daarbij genereren de stembanden een brede frequentieband boven de grondtoon van de stembanden. De spraakholte versterken diverse frequenties waardoor het typische stemgeluid ontstaat.

De geluidssnelheid in helium gas is meer dan twee keer zo hoog als de geluidsnelheid in lucht. Daardoor zullen, als iemand helium inademt, de resonantie frequenties omhoog gaan volgens deze verhouding. De mechanische resonantie frequenties van de vaste of flexibele delen van de spraakholte worden niet veranderd door het heliumgas, maar het resultaat van de hogere resonantie frequenties van de diverse stemholtes, resulteert erin dat de verschillende componenten in het spraakspectrum op een andere manier worden versterkt dan als er alleen lucht is ingedademd. Dit leidt tot een totaal ander timbre van de stem, en ook tot de verandering in de toonhoogte die je hoort.

 

6.9 What is structural acoustics?

Structural acoustics is concerned with the coupled dynamic response of elastic structures in contact with non-flowing fluids into which vibrations or sound is consequentially emitted. Conversely, sound in the fluid can excite vibrations in the structure.

The fluid, although non-flowing, undergoes small-amplitude vibration relative to some equilibrium position.) For heavy fluids like water, the coupling is two-way, since the structural response is influenced by the fluid response, and vice versa. For lighter fluids like air, the coupling may be either one-way (where the structural vibration affects the fluid response, but not vice versa) or two-way (as occurs, for example, in the violin.

Structural acoustics problems of interest involving water include the vibration of submerged structures, acoustic radiation from mechanically excited, submerged, elastic structures; acoustic scattering from submerged, elastic structures (e.g., sonar echoes); acoustic cavity analysis; and dynamics of fluid-filled elastic piping systems. These problems are of interest for both time-harmonic (sinusoidal) and general time-dependent (transient) excitations. Water hammer in pipes can be thought of as a transient structural acoustics problem.

Structural acoustics problems of interest involving the air medium include determining and reducing noise levels in automobile and airplane cabins.

Reference (for simple geometry problems): "Sound, Structures, and Their Interaction," Second Edition, by M.C. Junger and D. Feit, MIT Press, Cambridge, Mass (1986).

 

6.10 What is the doppler effect?

When a sound source is moving, a stationary observer will hear a frequency that differs from that which is produced by the source. The doppler effect will be noticed as a marked drop in pitch when a vehicle passes at high speed. An interesting fact is that doppler for any straight line movement always sweeps down in pitch!

If one approaches a sound source by moving toward it with a velocity, v, the frequency of the sound heard is F=Fo(c+v)/c, where Fo is the emitted sound frequency, c is the speed of sound in still air and v is the speed of the observer or the moving source. if one moves away from a sound source, the sign of v is reversed.

But for an approaching sound source, the frequency of the sound heard is F=Fo*c/(c-v). For a receding source the sign of the velocity, v, term is reversed.

The speed of sound in air is approximately 340 m/s (see 2.11).

Example 1: A sound source, S, emits 1000 waves per second (1 kHz) and is moving directly towards an observer, O, at a speed of 100 metres per second (equivalent to approximately 225 miles per hour).

After 1 second the wave front, which is travelling at the speed of sound, will have travelled 340 metres from the original source position. Also after that second the sound source will have moved 100 metres towards the observer.

  0 m                                            340 m
S |     |     |     |     |     |     |     |     |          O
  <--------------  1000 waves   ------------------>

                 100 m                           340 m
                S |   |   |   |   |   |   |   |   |          O
                  <-------  1000 waves   --------->

Therefore the same number of waves will occupy a space of 340-100 = 240 metres and the wavelength will be 240/1000 = 0.24 metres. To the observer the frequency heard will be the speed of sound divided by its wavelength = 340/0.24 = 1416.7 Hz.

Example 2: An observer moving at 100 metres per second directly approaches a stationary sound source, S, which is emitting 1000 waves per second (1 kHz). In this example there is no change in wavelength. In one second, the observer will hear the number of waves emitted per second plus the number of waves which s/he has passed in the time (1000+100/0.34) = 1294.1 Hz.

Note the interesting result - a stationary observer with moving source will not hear the same frequency as a would a moving observer with a stationary source.

Interesting corollaries are that if one is confined to movement velocities equal to or less than the speed of sound, on approaching a sound source, one will observe frequencies up to only twice the radiating frequency, but if one is stationary and approached by a sound source, there is no upper frequency limit.

Thought teaser: Apply these principles to light, aether, red shift and quasars. What would cause a "blue shift"?

 

6.11 What is white noise, pink noise?

The power spectral density of white noise is independent of frequency. There is the same amount of energy within any two different but identically sized frequency intervals. E.g. 84-86Hz and 543-545Hz. A narrow band FFT analysis of white noise will show as flat. However octave band analysis will show the level to rise by 3dB per octave because each band has twice the frequency range of the preceding octave.

Pink noise is produced by filtering white noise to have the same power within each octave. Narrow band analysis will show a fall in level with increasing frequency, but third-octave band or octave band analysis results will be "flat".

see Joseph S. Wisniewski's Colors of noise FAQ at:-
http://capella.dur.ac.uk/doug/noisecols13.txt

6.12 Hoe werkt een luidspreker?

Een luidspreker is een apparaat waarmee elektrische signalen worden omgezet in geluid. Er zijn vier verschillende types luidspreker:

  • elektrodynamisch
  • magnetostatisch
  • elektromagnetisch
  • elektrostatisch

De meeste luidsprekers werken doordat de in de tijd variërende elektrische stroom? door een spoel? loopt die in een constant magnetisch veld is opgehangen. De windingen van de spoel ondervinden hierdoor een kracht?. De spoel is bevestigd aan de luidsprekerconus. Dat is een kegelvormig membraan, licht van gewicht en vaak van papier of kunststof gemaakt.

Het vermogen van een luidspreker worden in watt gemeten. Dit is echter het elektrisch vermogen, dat niet in direct verband staat met het afgestraalde geluidsvermogen.

Een luidspreker zit meestal in een box. De conus zelf is meestal verborgen achter een dunne doek. De box heeft tot doel om het geluid dat door de achterzijde van de conus wordt uitgestraald tegen te houden. Anders zou dit geluid destructief interfereren met het geluid dat aan de voorzijde afgestraald wordt, en zou er vrij weinig te horen zijn.

Vaak zitten in één luidsprekerbox meerdere luidsprekers. Bijvoorbeeld een tweeter en een woofer. De woofer is bestemd voor de lage tonen en heeft de grootste oppervlakte. Deze grote oppervlakte is nodig om geluid van een lage frequentie effectief te kunnen produceren.Tweeters zijn ontworpen voor het maken van de hoge tonen. Om hoge tonen uit te sturen is het beter om een klein oppervlak te gebruiken, omdat een groot oppervlak bij de hoge frequenties ongewenste resonanties vertoont. Een ideale luidsprekerconus is zo stijf dat er geen resonanties optreden in het frequentiegebied waar hij voor bedoeld is. Zowel tweeters als woofers werken ook wel in het middengebied. De duurdere luidsprekersystemen hebben vaak nog meer onderdelen, bijvoorbeeld ook nog een Sub-Woofer voor de allerlaagste tonen. In de luidsprekerbox zit vaak een elektrisch filter? dat het juiste deel van het elektrische signaal naar de juiste luidspreker stuurt.

Om met een kleine luidsprekerbox toch nog lage tonen te kunnen leveren, wordt veel gebruik gemaakt van een basreflex systeem. Deze luidsprekers zijn meestal te herkennen aan een opening onderin de voorkant.

 

6.13 Wat is audiologie?

Audiologie is het vakgebied dat zich bezig houdt met het meten en door hulpmiddelen corrigeren van het gehoor. Tot de audiologie behoort het voorkomen, opsporen, onderzoeken en behandelen van allerlei stoornissen van het gehoor.

standaard onderzoek

Audiologie wordt vooral gebruikt om de aard en omvang van een gehoorverlies te bepalen, over het algemeen gebeurt dat met een toonaudiogram, waarbij de gehoordrempel wordt vastgesteld. Een audiogram is een grafiek waarin de gehoordrempel wordt zichtbaar gemaakt Het audiogram geeft aan hoeveel je gehoor afwijkt van de normale waarde.

Het onderzoek wordt uitgevoerd voor elk oor afzonderlijk. De persoon waarvan het gehoor wordt getest krijgt via een hoofdtelefoon geluiden te horen van een zuivere toon, meestal in stappen van telkens een octaaf. Telkens als hij of zij iets gehoord heeft moet er op een knop gedrukt worden. Hierbij zijn een stille omgeving, bewuste medewerking en concentratie van de te testen persoon noodzakelijk. Vooral het horen van zeer zachte tonen vergt inspanning. Bij alle verschillende toonhoogten wordt de ondergrens van het gehoor bepaald, d.w.z. de minimale sterkte om het geluid te horen.

Dit onderzoek wordt meestal uitgevoerd in een speciale cabine, die er voor zorgt dat geluiden van buitenaf volledig gedempt worden. Anders is het voor de proefpersoon niet mogelijk de zachtste geluiden goed te onderscheiden. De cabine ziet er ongeveer uit als een telefooncel, met daarin een stoel, en een koptelefoon. In de leuning van de stoel zit dan een knopje om op te drukken. Buiten de cabine zit de audiologisch assistent, die de tonen aan- en uitzet.

afwijkend audiogram

Een normaal audiogram geeft het gehoor weer als een rechte lijn. De gehoordrempel is dan over het gehele spectrum normaal. Bij een afwijkend gehoor vertoont het audiogram afwijkingen. Er zitten dan “dips” in de gehoordrempel.

Er zijn verschillende oorzaken voor een afwijkend audiogram:

  • Ouderdomsdoofheid of presbyacusis. Bij oudere mensen treedt meestal spontaan ouderdomsdoofheid op. Deze doofheid manifesteert zich vooral bij de hogere frequenties, waarbij de gehoordrempel dan aanzienlijk verhoogd kan zijn.
  • Gehoorschade. Dit kan ontstaan door langdurig werken in een lawaaiige omgeving (meer dan 80 dB(A)). Gehoorschade manifesteert zich meestal door een “dip” in het gehoorspectrum, bijvoorbeeld rond 4000-8000 Hz. ('discodip')
  • Aangeboren slechthorendheid

het belang van audiologie

Het gehoor is van belang voor de taalverwerving bij peuters en kleuters, daarom is het ook voor deze leeftijdsgroep belangrijk om audiologisch onderzoek uit te voeren als er verdenkingen van gehoorstoornissen zijn. Een moeilijkheid kan zijn dat kleine kinderen nog niet voldoende kunnen meewerken om een goed audiogram te maken. Verder is audiologie van belang om het gehoor van volwassen te onderzoeken om te bepalen of er een gehoorapparaat nodig is.

6.14 Wat is de hoogste geluidsdruk?

De maximale geluidsdruk die kan worden bereikt met "normaal" geluid is 190 dB.

De reden hiervan is dat 190 dB overeenkomt met de atmosferische druk. Een sinusvormige geluidsgolf bestaat uit een oscillatie boven en onder de evenwichtstoestand, de atmosferische druk. De amplitudes naar boven en beneden zijn daarbij aan elkaar gelijk. Vanaf het moment dat een geluidsniveau van 190 dB wordt bereikt, nadert de oscillatie naar beneden het vacuüm, met druk gelijk aan nul. Een lagere druk is niet mogelijk. Zodra dit moment wordt bereikt treden er hierdoor enorme vervormingen op, en is de geluidsgolf niet meer sinusvormig.

Een ander effect dat een rol gaat spelen bij zulke hoge geluidsdrukken, zijn lokale temperatuur effecten. De geluidssnelheid is een functie van de temperatuur, die op haar beurt weer een functie van de druk is. Als de druk erg laag wordt, dan wordt de temperatuur ook momentaan erg laag. Ditzelfde geldt omgekeerd ook in de toppen van de geluidsdruk, de temperatuur wordt dan heel hoog. Daardoor gaat er temperatuur uitwisseling plaatsvinden met nabijgelegen lucht. In plaats van een mooie sinusvormige trilling, zoals die bij lage drukken mogelijk zijn, treden hierdoor niet lineariteiten en schokken op.

Bij een explosie kan natuurlijk wel - instantaan - een hogere geluidsdruk optreden dan 190 dB.

Voor Inhoudsopgave klik hier.

Laatst gewijzigd: 3 april 2003