Geluid

Geluid ontstaat door trillingen in een geluidsbron. Bij een gitaar zijn het bijvoorbeeld de snaren die trillen, bij je stem trillen je stembanden en bij een luidspreker trilt de conus aangestuurd door elektrische signalen. De trilling wordt vervolgens doorgegeven aan de lucht: er ontstaan kleine drukverschillen in de lucht die, omdat de trilling wordt doorgegeven, zich steeds verder verspreiden.

Amplitude en frequentie

De amplitude is de maximale uitwijking van de trilling. Bij geluid staat een grotere amplitude voor een grotere geluidssterkte: als het geluid harder is zullen de trillende deeltjes een grotere uitwijking krijgen.

De frequentie van de trilling bepaalt de toonhoogte. In de muziek heeft een hogere noot een hogere frequentie: er zijn dan meer trillingen per seconde.

Snaarinstrumenten

Bij snaarinstrumenten, zoals een gitaar, viool, piano of harp, ontstaat het geluid door het trillen van de snaar. Muzikanten kunnen met deze instrumenten verschillende tonen spelen. Dit komt doordat de frequentie waarmee de snaar trilt van verschillende dingen afhangt:

• een dunnere snaar geeft een hogere toon
• een kortere snaar geeft een hogere toon
• een meer gespannen snaar geeft een hogere toon
• ook het materiaal van de snaar speelt een rol

Een gitarist of violist kan dus meerdere tonen maken doordat hij snaren van verschillende diktes en verschillende materialen heeft, maar ook door met zijn vingers een snaar vast te drukken waardoor het deel dat trilt korter wordt. Bij het stemmen van de gitaar regelt de muzikant de spanning in de snaar: door de snaar iets meer te spannen wordt de toon een beetje hoger.

Blaasinstrumenten

Bij blaasinstrumenten wordt de lucht in het instrument in trilling gebracht doordat de muzikant er lucht in blaast. De toonhoogte die ontstaat is vooral afhankelijk van de lengte van de 'buis' waar de trilling in ontstaat. Een langere buis zorgt voor een lagere toon, daarom klinkt bijvoorbeeld een tuba veel lager dan een piccolo en zorgt bij een kerkorgel de langste orgelpijp voor de laagste noot. Muzikanten kunnen meerdere noten spelen door de lengte van de buis aan te passen. Bij een trombone gebeurt dat door de buis uit te schuiven. Een trompet heeft ventielen die ervoor zorgen dat de lucht door een 'extra' buisje moet en bij een blokfluit maak je de buis langer en korter door gaatjes open en dicht te houden.

Zuivere toon en boventonen

Wanneer je van een zuivere toon de uitwijking als functie van de tijd registreert dan krijg je een mooie gladde 'sinusvorm'. Een toongenerator levert een perfecte zuivere toon, een stemvork komt ook goed in de buurt. Bij andere geluidsbronnen zitten er, soms grote en soms kleine, afwijkingen in de vorm van de grafiek. Dat komt omdat er naast de zogenaamde grondtoon ook boventonen ontstaan. Hoe groot de rol van die boventonen is is voor elke geluidsbron anders. Deze boventonen zorgen ervoor dat je, als de toonhoogte hetzelfde is, tóch kunt herkennen naar welk instrument of welke geluidsbron je luistert.

Geluidsgolven

Golven zijn trillingen van deeltjes die steeds doorgegeven worden naar het volgende deeltje en zich op die manier verplaatsen. Denk bijvoorbeeld aan golven in water: wanneer je een steentje in het water laat vallen dan gaat eerst het water bij het steentje 'trillen'. Deze trilling wordt dan doorgegeven aan de naastgelegen deeltjes, die geven het weer verder door en zo beweegt de golf naar buiten. Bij geluid zorgt de geluidsbron voor de trilling van de lucht, ook in de lucht wordt die trilling doorgegeven en beweegt de golf in alle richtingen.

Geluidssnelheid

De geluidssnelheid is de afstand die de golf elke seconde aflegt. Om dan de totale afstand te berekenen die het geluid aflegt vermenigvuldig je de geluidssnelheid met de tijd in seconden, zie de onderstaande formule. Met deze formule kun je bijvoorbeeld berekenen hoe ver een onweer bij je vandaan is. Je meet de tijd tussen de flits en de donder, je zoekt de geluidssnelheid in lucht op en berekent dan de afstand die het geluid van de donder afgelegd heeft.

Medium

Geluidsgolven planten zich dus voort door een stof, we noemen die stof het medium of de tussenstof. De geluidssnelheid hangt af van het medium waar de golven doorheen gaan, in elke stof is de geluidssnelheid anders. De geluidssnelheid is dan ook een stofeigenschap, je kunt deze opzoeken in een tabel. Over het algemeen is de geluidssnelheid in metalen heel hoog en in gassen lager. Ook de temperatuur van het medium speelt een rol bij de geluidssnelheid.

In een vacuüm kan geluid zich niet voortplanten. Dit komt doordat er dan geen medium is. Er zijn in een vacuüm geen deeltjes die de trilling aan elkaar door kunnen geven, dus er kan geen geluidsgolf door het vacuüm heen.

Geluidssterkte

De amplitude (de maximale uitwijking) van de geluidsgolven zegt iets over de geluidssterkte: hoe groter de amplitude, hoe harder het geluid. De geluidssterkte wordt vaak aangegeven met de grootheid geluidsdrukniveau in de zogenaamde decibelschaal. Hieronder zie je het geluidsdrukniveau van verschillende geluidsbronnen in decibel.

Geluidssterkte meten

Het geluidsdrukniveau kan gemeten worden met een decibelmeter. Dit wordt bijvoorbeeld gebruikt om te controleren of een machine, auto of scooter niet teveel lawaai produceert. Hiervoor moet het geluidsdrukniveau op een bepaalde vaste afstand gemeten worden en vergeleken worden met de wettelijke normen. Decibelmeters gebruiken meestal de 'dBA'-schaal: een filter zorgt er dan voor dat de meter minder gevoelig is voor lage en hoge frequenties waardoor het meer lijkt op wat we met onze oren waarnemen.

Horen

Hoe sterk het geluid moet zijn om het te kunnen horen is afhankelijk van de toonhoogte, dus van de frequentie van het geluid. Een gezond mens kan alleen tonen horen tussen 20 Hz en 20 kHz. Gedurende de tijd neemt dit gehoorbereik af. Het minimale geluidsdrukniveau om het geluid te kunnen waarnemen wordt de gehoordrempel genoemd. Wanneer het geluid te sterk is kan het je gehoor beschadigen. De pijngrens ligt op ongeveer 120 dB, maar al vanaf 80 dB kan geluid schadelijk zijn als je er lange tijd aan blootgesteld wordt.

De gehoordrempel van jonge, gezonde mensen.

Geluidsdrukniveau en hoeveelheid geluid

De decibelschaal werkt anders dan je gewend bent. Wanneer je bijvoorbeeld op twee meter afstand het geluidsdrukniveau van een toeterende auto meet is dat ongeveer 120 dB. Laat je twee auto's tegelijkertijd toeteren dan meet je géén 240 dB, maar slechts 123 dB. Bij elke verdubbeling van het aantal komt er 3 dB bij. 16 Autotoeters leveren dus een geluidsdrukniveau van 120 + 3 + 3 + 3 + 3 = 132 dB. Je moet 1 toeter namelijk 4 keer verdubbelen om op 16 toeters te komen, dus er komt 4 keer 3 dB bij. Er geldt:

• Als de hoeveelheid geluid (of het aantal dezelfde geluidsbronnen) verdubbelt dan neemt het geluidsdrukniveau toe met 3 dB.
• Als de hoeveelheid geluid (of het aantal dezelfde geluidsbronnen) halveert dan neemt het geluidsdrukniveau af met 3 dB.

Geluidsdrukniveau en afstand

Als de afstand van de decibelmeter of waarnemer tot de geluidsbron groter wordt dan neemt het geluidsdrukniveau af. Dat komt omdat de 'energie' over een steeds groter wordend gebied rond de geluidsbron verdeeld wordt. Een halvering van de afstand zorgt al voor een toename van 6 dB. Het is dan, voor de bescherming van je gehoor, ook érg verstandig om bijvoorbeeld bij popconcerten niet te dicht bij de speakers te gaan staan. Er geldt, wanneer je geen last hebt van muren die het geluid terugkaatsen:

• Als de afstand tot de geluidsbron verdubbelt dan neemt het geluidsdrukniveau af met 6 dB.
• Als de afstand tot de geluidsbron halveert dan neemt het geluidsdrukniveau toe met 6 dB.

Bronvermelding afbeeldingen

Harp: Monkai Chen, Flickr - https://www.flickr.com/photos/monkaichen/ - licentie: CC BY-NC-ND 2.0
Gitaar: Abhijit Tembhekar, Flickr - https://www.flickr.com/photos/abhijittembhekar/ - licentie CC BY 2.0
Speaker: Trougnouf, Wikipedia - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:JBL_Flip_3_bluetooth_speaker_(DSCF2653).jpg - licentie CC BY 4.0
Fagot: Indiana Public Media, Flickr - https://www.flickr.com/photos/wfiupublicradio/ - licentie CC BY-NC 2.0
Ukelele: Uke Chords, Flickr - https://www.flickr.com/photos/ukulele_chords/ - licentie CC BY-NC-ND 2.0
Binnenkant piano,: Wikipedia - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Piano_Inside.jpg#/media/File:Piano_Inside.jpg - licentie CC BY-SA 3.0
Kerkorgel: Hardscarf, Wikipedia - https://nl.m.wikipedia.org/wiki/Bestand:Spijk_-_kerk_-_orgel.jpg - licentie CC BY-SA 3.0
Golven in water: Orion Lowler, YouTube - https://www.youtube.com/watch?v=dsrUxhaaWks
Decibelschaal: https://quantizzando.it/2014/02/23/cosa-sono-decibel/ - licentie CC BY-NC-ND 4.0
Decibelmeter: PCE Instruments -  https://www.pce-instruments.com/dutch/meettechniek/meetapparatuur-voor-alle-parameters/decibelmeter-pce-instruments-decibelmeter-pce-353n-ica-inclusief-iso-kalibratiecertificaat-det_5931973.htm
Meting bij auto: Noordernieuws - https://noordernieuws.nl/nieuws/13-wok-meldingen-en-17-x-proces-verbaal-tijdens-controle-in-drachten-13903/
Gehoordrempel: Ellywa, Wikipedia - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gehoordrempel.png#/media/Bestand:Gehoordrempel.png - licentie CC BY-SA 3.0

Wat vind je van deze uitleg?

Reageer of stel een vraag