Geluid

Wat is geluid?
Geluid zijn trillingen in de lucht, deze trillingen kunnen door gezonde oren waargenomen worden.
Wanneer een voorwerp geluid produceert worden de luchtdeeltjes in de omgeving samengeperst, waardoor de luchtdruk ter plaatse toeneemt. De samengeperste luchtdeeltjes botsen met omliggende deeltjes in de lucht en geven hun energie zo door.

Wanneer bijvoorbeeld een gitaarsnaar in beweging wordt gebracht zorgt de trilling van de snaar ervoor dat de omliggende lucht in trilling wordt gebracht. Wanneer we naar de lucht rechts van de gitaar kijken, veroorzaakt de heen en weer trillende snaar bij het naar rechts gaan voor verdikkingen en bij het naar links gaan voor verdunningen in de lucht.

Dit doet zich ook voor wanneer een speaker in trilling gebracht wordt. De donkere gedeeltes zijn de luchtdelen met een hoge geluidsdruk en de lichte gedeeltes met een lagere geluidsdruk.


De cirkels om de geluidsbron heen zullen steeds groter worden. Steeds meer luchtdeeltjes (moleculen) moeten de energie van de voorgaande cirkel delen

Geluidsintensiteit.
We hebben gezien dat luchtdeeltjes door een geluidsbron in trilling worden gebracht. Uit ervaring weten we dat dicht bij de bron (bijvoorbeeld een luidspreker) het geluid harder klinkt dan verder van de bron vandaan. Dit komt doordat de cirkel steeds groter wordt naarmate we verder van een geluidsbron afkomen. Hierdoor raken steeds meer luchtdeeltjes bij het botsingsproces betrokken. De energie moet zo telkens met meer luchtmoleculen gedeeld worden.

Geluidsintensiteit is een maat voor de hoeveelheid energie die door de geluidsdruk, per seconde op een oppervlakte van 1 m2 opgevangen kan worden.
Geluidsintensiteit heeft betrekking op de amplitude van het geluid en wordt uitgedrukt in dB SPL (Sound Pressure Level).

Geluidsintensiteit is evenredig met het kwadraat van de geluidsdruk. De verhouding tussen de geluidsdruk die net waargenomen kan worden en die als pijnlijk hard wordt ervaren ligt in de orde van de 1.000.000. Dit betekent dat de verhouding tussen de geluidsintensiteit die net waargenomen kan worden en die als pijnlijk hard wordt ervaren 1.000.000.000.000 (1012) is.
Een voor de praktijk vrij lastig hanteerbare schaal. Hierom is de (deci) Bel als eenheid ingevoerd.

Decibel.
Omdat de schaal waar het net al over ging moeilijk waar te nemen is, is de decibel schaal ingevoerd. De Bel- schaal is een logaritmische schaal, waarmee de hoorspan van een goed werkend oor wordt verdeeld in 12 stappen. Als grondgetal voor het logaritme is het getal 10 genomen.
Wanneer het geluidsniveau met 1 Bel verhoogt wordt, betekend dat de intensiteit 10 maal zo groot is gemaakt. Het menselijke oor is echter in staat veel kleinere verschillen waar te nemen (tussen de 0.2 en 0.3 Bel). Daarom is de decibel ingevoerd. Met de decibel wordt de schaal verdeeld in 120 stappen.
In onderstaande figuur zijn een aantal geluidsniveaus van een aantal dagelijkse geluiden weergegeven.


De decibel is een verhoudingsmaat. Hierdoor kunnen we niet zondermeer praten over het absolute geluidsniveau in dB. Als we de dB maat absoluut willen gebruiken dan moet de referentie worden vermeld. In de natuurkunde wordt voor alle frequenties een zelfde referentie gebruikt: 2.10-5 Pascal. Wanneer bij het gebruik van de dB deze referentie wordt gebruikt spreken van dB SPL. Wanneer als referentie de toondrempel wordt gebruikt van goedhorende jongeren, dan spreekt men dB-Hearing Level (dB HL).

Geluidssterkte.
Om dit begrip beter te leren kennen kijken we even naar een luidspreker.
De luidspreker beweegt zich rond een evenwichtstoestand. De uitwijking van de luidspreker is de afstand die de luidspreker op een bepaald moment heeft ten opzichte van deze evenwichtstoestand.
Hoe groter nu de uitwijking hoe groter de luchtverdikkingen en -verdunningen zijn.
De maximale uitwijking (ook wel de amplitude genoemd) is bij de rode toon groter dan bij de blauwe toon. De frequentie is echter hetzelfde. De omliggende luchtdeeltjes krijgen door de rode toon meer energie dan door de blauwe toon. De rode toon zal als luider waargenomen worden dan de blauwe toon. Hard, zacht, luid, zwak zijn allen subjectieve benamingen van het natuurkundige begrip, geluidssterkte.
Ons oor is het meest gevoelig voor geluiden die in het frequentiebereik tussen de 500 en 8000 Hz liggen. Tonen die daaronder en daarboven liggen hebben een grotere amplitude nodig om even luid waargenomen te worden.

Frequentie.
Wanneer er gesproken wordt over geluid komt meestal ook het begrip frequentie om de hoek kijken. Onder frequentie wordt het aantal trillingen per seconde verstaan. Frequentie is een natuurkundige objectieve term. Wat wij uiteindelijke subjectief waarnemen wanneer wij een geluid met een bepaalde frequentie horen, wordt aangeduid met het woord "toonhoogte".
Wanneer gekeken wordt naar een luidspreker die (via een oscillator) een regelmatig signaal aangeboden krijgt, zal de luidspreker vanuit de rust stand naar voren bewegen, weer terug komen in de rust stand en vervolgens naar achter bewegen. In onderstaande afbeelding is dit afgebeeld.

Deze totale beweging wordt één trilling genoemd. Duurt het nu precies 1 seconde voordat de trilling voorbij is, dan zeggen we dat de toon een frequentie heeft van 1 Hertz (afgekord: Hz).


De trilling die de luidspreker in bovenstaande afbeelding maakt, is een zogehete periodieke of regelmatige trilling. Een periodieke trilling is een beweging die zich op vaste tijdstippen herhaalt. Er zijn ook niet-periodieke trillingen. Bij dergelijke trillingen is er geen sprake van een zich herhalend patroon.
Om een periodieke trilling weer te geven in een afbeelding kijken we naar onderstaande stopwatch. Wanneer we op de knop van de stopwatch drukken gaat deze lopen. Hij begint bovenaan. Na 15 seconden staat de wijzer horizontaal, bij 30 seconden staat de wijzer helemaal beneden, bij 45 seconden weer horizontaal en bij 60 seconden weer helemaal boven.

We zien dat het de wijzer van deze stopwatch een beweging maakt, die we als we deze weergeven in de tijd, een mooie golfbeweging maakt. Een dergelijke golfbeweging noemen we een harmonische trilling. De weergave van een dergelijke periodieke, regelmatige trilling, wordt ook wel een sinus genoemd.
De stopwatch heeft dus een frequentie van F=1/t =>
F=1/60s=0.0166 Hz.

Of we een toon of geluid hoog of laag vinden klinken is natuurlijk subjectief. Echter de volgende relatie is zeker: naarmate de frequentie toeneemt, klinkt een geluid hoger. Een hoge toon heeft meer golven per seconde dan een lage toon.
Zo heeft een hoog klinkende piccolo ook een heel hoge frequentie met duizenden trillingen per seconde. Het geluid van een tuba echter klinkt heel laag (subjectief) en heeft ook een heel lage frequentie (objectief).
Een gezond oor neemt tonen waar tussen de ongeveer de 20 en 20.000 Hz. Dat wil niet zeggen dat geluiden die boven de 20.000 Hz niet belangrijk kunnen zijn bij het waarnemen van complexe signalen zoals muziek en mede bepalend zijn voor bepaalde facetten van het geluidsbeeld.

Het oor.
De voornaamste functies van het oor zijn: horen en het bewaren van het evenwicht. Geluidsgolven worden via het uitwendige oor naar het middenoor geleid, waar ze het trommelvlies in trilling brengen. Deze trillingen worden door de gehoorbeentjes (hamer, aambeeld, stijgbeugel) doorgegeven aan het binnenoor. Daar worden zij over het slakkenhuis verspreid en in het slakkenhuis worden zo de haarcellen in beweging gezet. Door de zintuigcellen in de haarcellen worden de trillingen omgezet in elektrische signalen. Deze elektrische signalen worden door de gehoorzenuw naar de hersenen geleid. Het labyrint in het binnenoor (een systeem van buisjes die met elkaar verbonden zijn) is grotendeels verantwoordelijk voor ons evenwicht. Vandaar dat gehoorproblemen vaak gepaard gaan met duizeligheid. Doordat we in ons leven bloot staan aan schadelijke geluidssterkten worden veel mensen ouderdomsslechthorend. Dit is dan ook het meest voorkomende gehoorprobleem. Het is een natuurlijk proces waar iedereen vanaf dertig jaar mee te maken krijgt.

Tijdsduur.
Een gewoon gesprek wordt gevoerd met een geluidssterkte van ongeveer 60 decibel (dB). Deskundigen vinden dat langdurige blootstelling aan geluid van 80 dB, (langer als 8 uur) al beschadiging kan veroorzaken aan het menselijke gehoor. Bij elke verhoging van 3 dB moet je de maximaal aanvaardbare duur halveren. Dat betekent dat je bijvoorbeeld 4 uur naar 83 dB mag luisteren (en 2 uur naar 86db).

Een voorbeeld uit het dagelijkse leven: een diskman levert al gauw 90 tot 100 dB, een discotheek 110 dB met uitschieters naar 140 dB en een autoradio op volle sterkte 140 dB.
De pijngrens ligt bij ongeveer 120 dB, de grens waar gehoorbeschadiging optreedt licht echter veel lager. Een enkele blootstelling aan meer dan 140 dB kan al onherstelbare schade geven. Een kwartier lang luisteren naar muziek van meer dan 105 dB kan al beschadiging geven. In de industrie mag de geluidsbelasting niet meer dan 85 dB zijn.

Gehoorbeschadiging.
Oorzaken van gehoorbeschadiging zijn bv. hersenvliesontsteking, middenoorontsteking, een aangeboren erfelijk gehoorverlies. Maar er is een nog andere belangrijke oorzaak en dat is: te hard geluid. Bij hard geluid raken de haarcellen (vooral die van de hogere tonen) beschadigd door het lawaai. Vooral de tonen tussen 2000 en 3000 Hertz (redelijk hoge tonen) zijn het meest beschadigend. Het opvangen van hard geluid vergt namelijk veel van de veerkracht van de haarcellen. Na een rustperiode kunnen ze zich herstellen, tenzij het geluid te lang heeft geduurd of te intensief is geweest. De zintuigcellen trillen kapot door het harde geluid. Doordat deze zintuigcellen kapot zijn geven ze geen impulsen door aan de hersenen. Omdat de hersenen geen pulsen meer ontvangen herkennen we geen geluid en zijn we doof.

Gehoorbeschadiging kenmerkt zich door een aantal symptomen: Men kan last krijgen van oorsuizen (tuiten, piepen, brommen) met een toonhoogte overeenkomend met het getroffen frequentiegebied. Oorsuizen kan variëren van een lichte vorm, die alleen in een stille omgeving hoorbaar is en nog kan verdwijnen. Tot een sterk, constant hoorbaar oorsuizen dat kan lijden tot uitputting en concentratieproblemen.
Een tweede symptoom kan zijn dan men geluid in het getroffen frequentiegebied al snel als te hard ervaart. Dus te zacht is vaak te zacht en harder maken helpt niet: het wordt al gauw te hard.
Een derde kenmerk kan zijn dat men moeite heeft met stemmen of intoneren. De frequentieanalyse is verstoord omdat bepaalde haarcellen geen prikkels meer kunnen doorgeven. Er kan al veel ellende aan vooraf zijn gegaan voor men begrijpt, dat intonatieproblemen niet aan de muzikaliteit van een persoon liggen, maar aan een overmacht in de vorm van een verstoorde frequentieanalyse in het gehoororgaan. Dit kan in beide oren in verschillende mate voorkomen, zodat een belangrijk voordeel van identiek twee-orig waarnemen (stereo-informatie) ook nog eens vervalt.
Vermindering van het incasseringsvermogen van het gehoor is een vierde kenmerk. Wanneer het oor lange tijd wordt blootgesteld aan lawaai treedt een verschuiving van de hoordrempel op. Het oor past zich aan op het harde geluidsniveau door ongevoeliger te worden. Zachte geluiden zullen dan niet meer waargenomen worden. Een gezond oor herstelt zich na lawaai en de drempel bereikt (na korte tijd rust) weer de oude gevoeligheid. Bij een lawaaibeschadigd oor past het gehoor zich tot in het oneindige aan; de volumeknop draait men steeds harder omdat de vermoeide haarcellen steeds meer prikkeling nodig hebben om te kunnen reageren. Het oor geeft geen pijnprikkels meer door en de beschadiginggrens wordt voortdurend overschreden. Het duurt steeds langer om de oude gevoeligheid van het oor in rust terug te krijgen en op den duur is dat zelfs niet meer mogelijk.
Aan deze symptomen is weinig te verbeteren. Men moet goed beseffen dat gehoorbeschadiging door lawaai blijvend is en niet te herstellen. Een hoortoestel kan alleen geluid versterken, maar is niet in staat met de vier variabelen om te gaan zoals een gezond gehoororgaan dit kan.


Gehoorbescherming.
Gehoorbescherming is belangrijk als je oren je lief zijn. Aangezien mensen veel bloot staan aan te veel geluid is bescherming nootzakelijk. Voldoende rust is een belangrijke en makkelijke methode van bescherming. De oren kunnen herstellen tijdens de rustperiode en kunnen daarna weer meer hebben.
Alleen rust is niet voldoende om je gehoor te behouden. Het meeste geluidsoverlast wordt veroorzaakt op de werkvloer. Vaak worden er met machines en gereedschappen gebruikt die te veel lawaai maken. Ook tijdens dagelijks gebruik (motor rijden, evenementen, enz) wordt vaak de grens overschreden. Een makkelijke manier van je oren beschermen zijn de oordopjes. Deze dopjes breng je in het oor in en zij houden de meeste schadelijk geluiden buiten. Er zijn vel verschillende soorten dopjes die verschillende geluidsterkten tegen houden. Dit is niet alleen bij oordopjes maar bv. ook bij oorkappen.

Hieronder een voorbeeld van drie verschillende soorten oordopjes.

Ook kunnen er binnen de werkplaats aanpassingen gedaan worden om gehoorbeschadiging tegen te gaan. Er kunnen duidelijke regels opgesteld worden voor bv. hoe lang er iemand in hoeveel lawaai mag staan. Met welke bescherming moet dit? Ook kunnen er geluiddempende materialen gebruikt worden. Door meubels en muurhangsels kan het geluid gedempt worden. Deze objecten absorberen het geluid waardoor er minder schadelijk geluid in de ruimte blijft.