Galm versus absorptie

Het verschil tussen een galmende ruimte en een geluiddode ruimte wordt gedemonstreerd aan de hand van twee extreme voorbeelden in een "nagalmkamer" en een "dode kamer", zoals die zich bevinden in het laboratorium voor Technische Natuurkunde in Delft. Dit soort situaties zullen in de praktijk niet zo vaak voorkomen, maar ze illustreren wel waarom in de praktijk klachten ontstaan. De voorbeelden gaan uit van kleine stukjes gesproken tekst. De verschillen zullen elders in de site nog pregnanter blijken als ook ruis wordt toegevoegd.

De ijking van de geluidsterkte van de fragmenten

De fragmenten zijn het best te beoordelen indien een koptelefoon wordt gebruikt, maar de demonstratie slaagt alleen als de koptelefoon op de juiste luidheid staat. Dat is geijkt met proefpersonen voor één bepaalde Beyer-hoofdtelefoon. Voor andere hoofdtelefoons is de gevoeligheid anders en dus de luidheid verschillend. Daarom moet het geluidvolume eerst worden afgeregeld. Een redelijk werkende methode gaat als volgt:

Zet een koptelefoon op
Veronderstel een spreker die op 1 m staat in een "gewoon kantoor".
Klik een paar maal op het IJK-signaal in onderstaande tabel. Regel de volumeregeling van de computer zodat een niveau ontstaat dat "aannemelijk lijkt"
Blijf vervolgens zorgvuldig af van de volumeregelaars; alle niveaus worden met dit niveau vergeleken. Een spreker op 5 m in een dode kamer hoort nu eenmaal veel zachter te klinken dan een spreker op 1 m.

IJK-signaal

"Nederland is één van de meest dichtbevolkte landen van de wereld"

Dit is een stukje tekst dat is opgenomen met de mikrofoon op 1 m van de spreker in een vrij sterk gedempt kantoor. De ruimte is hoorbaar maar storende nagalm ontbreekt.

Geluidfragmenten en geluidplots

De eigenlijke geluidfragmenten worden vergezeld door plots zoals te zien in figuur 1. Dat wordt gedaan om wat eigenschappen van de fragmenten te laten zien en vooral ook om ze later onderling te kunnen vergelijken.

Het tekstje " Mensen met een verstandelijke handicap, normale burgers, bijzondere patiënten" is geregistreerd met een mikrofoon. Dat wordt in een hoorbaar formaat worden gegoten (links) maar de geluiddruk kan ook worden getekend als functie van de tijd. Het resultaat staat rechtsonder.

In dit geval duurt de zin 5.2 s. De omhullende van de amplitude (de "modulatie") is goed te zien. Wij spreken uiteraard in lettergrepen, maar anderzijds valt het vaak nog tegen om de klanken zoals die in de modulatie te zien zijn te koppelen aan de tekst. De luidste pieken komen vooral overeen met de klemtonen in de spraak.

Demonstr_01

"Mensen met een verstandelijke handicap, normale burgers, bijzondere patiënten." [[1]]

Figuur 1: Een stukje tekst. Het is te horen (links), mee te lezen (rechts boven) en te bekijken op het computerscherm (rechts onder).

In figuur 1 zijn alleen de modulaties zichtbaar. Bij inzoomen komen er details tevoorschijn in de vorm van tonen die veroorzaakt worden door onze stembanden. Dat wordt gedemonstreerd in figuur 2 waar het eerste woord "mensen" is opgerekt. Het tonale karakter van de spraak is te zien voor de letters m, e, n. Bij de letter s (op ongeveer tweederde van het woord) worden de stembanden niet ingeschakeld en wordt een ruisachtig patroon zichtbaar.

Overigens zijn er in dit woord geen twee afzonderlijke lettergrepen men-sen te zien; ze lopen naadloos in elkaar over. Er is wel wat nadruk op het begin waar de amplitude wat hoger is [[2]].

Figuur 2: Het eerste woord uit het tekstje van figuur 1 is "mensen". Indien 5.2 s wordt getoond (bovenste figuur) gaat detail verloren. Bij inzoomen op het woord "mensen" (onder) wordt het tonale karakter duidelijk van sommige letters.

Spraak in een dode kamer

Een (geluid)dode kamer wordt gebruikt om akoestisch onderzoek te doen waarbij geluidreflecties door de wanden uit den boze zijn. Daartoe zijn alle wanden (ook de vloer onder een loopnet) bekleed met geluidabsorberend materiaal. Dat is bijvoorbeeld speciaal schuimplastic of minerale wol. Omdat vlakke absorberende platen altijd nog wat geluid reflecteren worden de prestaties nog verbeterd door de absorptie wigvormig te maken. Een voorbeeld staat in de foto van figuur 3.

Figuur 3: Een foto van het interieur van de dode kamer van het Laboratorium voor Technische Natuurkunde van de TUDelft. De wand is bekleed met wiggen teneinde een maximale geluidabsorptie te bereiken. Eén wig staat op de voorgrond; het mannetje in de foto dient voor de schaal. Daaraan is te zien dat de wiggen 1 m lang zijn, want voor goede absorptie, ook in de lage frekwenties, zijn dikke lagen absorptiemateriaal vereist.

Ook de vloer is bedekt met wiggen. Om de ruimte toch te kunnen betreden is een net aangebracht.

DDK_1m

"Ik sta hier in de dode kamer op 1 m afstand van de mikrofoon. Het valt U waarschijnlijk wel op dat ik uitstekend te verstaan ben."

DDK_5m

LET OP:

ZET HET GELUID NIET HARDER. HET NIVEAU VORMT EEN ONDERDEEL VAN DE DEMONSTRATIE.

"Ik sta nu in de dode kamer op 5 m afstand van de mikrofoon. Kunt U mij eigenlijk nog wel verstaan?

Het grote probleem is dat het geluidniveau sterk is gedaald; met veertien decibel om precies te zijn. Als de versterker flink harder zou worden gezet zou het echter weer prima te verstaan zijn, want storende galm ontbreekt in deze opname."

Spraak in een nagalmkamer

In een nagalmkamer wordt juist het tegenovergestelde effect bereikt. Er wordt zorgvuldig gepoogd om alle absorptie uit te bannen, al lukt dat nooit honderd procent. [[3]]

Figuur 4: Een foto van het interieur van de nagalmkamer in het Laboratorium voor Technische Natuurkunde van de TUDelft. De wanden bestaan uit beton dat zorgvuldig is geverfd. Daardoor is de absorptiecoëfficiënt in de orde van 0.02 (2%).

Tijdens metingen in de nagalmkamer wordt vaak een "diffuus veld" vereist waarbij het geluid uit alle richtingen even sterk is. Dat gaat vrij goed in een galmende ruimte, maar het effect kan nog worden verbeterd door het ophangen van "diffusoren" en het scheef zetten van de wanden. Van het scheve plafond is nog juist een hoekje te zien.

NGLM_1m

"Ik sta hier in de nagalmkamer op 1 m afstand van de mikrofoon. Met wat moeite ben ik nog net te verstaan, maar echt comfortabel luisteren naar de tekst is er niet bij."

NGLM_5m

"Ik ben nu gearriveerd op 5 m. Dit soort spraak wordt één grote brij van geluid en de informatieoverdacht is vrijwel nihil."

Vier fragmenten, een vergelijking

Aan de hand van de geluidplots van de vier fragmenten kunnen wat karakteristieke eigenschappen worden uitgelegd:

A dode kamer op 1m
B dode kamer op 5 m
C Nagalmkamer op 1m
D Nagalmkamer op 5 m

De invloed van galm is te zien door vergelijking van de fragmenten A/B enerzijds en C/D anderzijds. In de galmplots C en D is iedere keer het langzaam wegsterven van het geluid te zien. De dode-kamerplots vertonen telkens stille stukken tussen zinsdelen.
Plot A is opgenomen op 1 m, plot B op 5 m. Daardoor is de amplitude in plot B veel kleiner. Echter, in de nagalmkamer valt het verschil tussen C en D vrijwel weg. Het directe geluid levert een te verwaarlozen bijdrage en de amplitude wordt bepaald door de bijdrage van alle reflecties. In het begin van de plots C en D is te zien dat het geluid steeds sterker wordt. Het direct is bij inzoomen wel terug te vinden, maar belangrijker is dat steeds meer reflecties binnenkomen bij de mikrofoon waardoor de amplitude steeds meer stijgt [[4]].
De amplitude-schalen zijn voor de vier plots zorgvuldig gelijk gekozen. Ook de "vocale inspanning" is door de spreker zo goed mogelijk constant gehouden. Dan is te zien dat de amplitudes in de nagalmkamer (fragmenten C en D) hoger zijn dan in de dode kamer (A en B). Dat leidt tot één van de belangrijkste conclusies voor het bouwproces: het toevoegen van absorptie bestrijdt een hoog geluidniveau. In een restaurant, een kantoor of een sporthal is de eigenlijke nagalm van ondergeschikt belang; het draait daar veel meer om de absolute geluidniveaus en bij eventuele hinder wordt het akoestisch klimaat verbeterd door het toevoegen van absorptie.

[1] De zin is ontleend aan de titel van de oratie van Prof. Heleen Evenhuis aan de Erasmus Universiteit Rotterdam in 2001.

[2] Eigenlijk hoort er aan het eind van het woord mensen weer een "stemhebbende" n te komen met tonaal karakter. Er zij weinig Nederlanders die die n ook daadwerkelijk uitspreken.

[3] Gelukkig maar. Indien alle absorptie zou ontbreken, zou het geluidniveau van een continue bron steeds hoger oplopen. Er ontstaat dus altijd een evenwicht tussen het geproduceerde vermogen van de bron en het via wandabsorptie opgenomen vermogen.

[4] Overigens horen we het uitklinken aan het eind veel beter dan het inklinken aan het begin. Dat is te verklaren als een logaritmische schaal wordt gebruikt. Die representeert ons gehoororgaan nl. beter.