B.23.3
Signaal-ruisverhouding in een spreekzaal

1.    Relatie tot overige webpagina's

In webpagina B.23 wordt elementaire informatie gegeven over het akoestisch ontwerp van een spreekzaal. De subpagina's B.23.1 t/m B.23.4 diepen die kennis verder uit, of zijn juist bedoeld om beweringen in B.23 te staven.

• In pagina B.23.1 wordt het klaslokaal behandeld zoals dat in scholen voor basisonderwijs voorkomt. Het vloeroppervlak is steeds gelijk aan 50 m².

• In de voorgaande pagina B.23.2 wordt de restrictie van het vloeroppervlak losgelaten. Iedere geometrische maat is mogelijk. Daar werd ook een "optimale" lijn voorgesteld voor de nagalmtijd als functie van het vloeroppervlak. Dat was ten dele een compromis omdat een uitstekende spraakverstaanbaarheid steeds moeilijker bereikbaar wordt als de zaal groter wordt; de nagalm is dan steeds nadrukkelijker aanwezig.

• De verhouding tussen de spraak en de ruis in de ruimte werd in de voorgaande pagina B.23.2 steeds als zeer groot verondersteld. In de huidige pagina B.23.3 vervalt die voorwaarde. Een ruisvrije ruimte is in de praktijk namelijk onvindbaar. Ook al doet iedereen in de ruimte zijn/haar best om muisstil te zijn, er is altijd een eindige signaal-ruisverhouding, die ook zal blijken af te nemen met toenemende grootte van de ruimte. Een spreker in een grote ruimte is moeilijker te verstaan dan in een kleinere ruimte. Dit is het onderwerp van de huidige pagina.

• Een onvoldoende signaal-ruisverhouding kan onder andere worden opgevangen met elektronische spraakversterking. Dat is het onderwerp van de volgende webpagina B.23.4.

 

Enkele punten uit de voorgaande pagina's B.23.1 en B.23.2 zullen hier worden herhaald, maar voor een goed begrip van de materie is het onvermijdelijk om die hoofdstukken eerst door te nemen.

 

2.    De invloed van ruis

2.1   Twee ruimten met 50 en 200 m² vloeroppervlak

Er zijn in deze site meerdere vormen gebruikt om U₅₀ te presenteren als maat voor de spraakverstaanbaarheid. De meest gebruikte is die van figuur 1. Die heeft echter één restrictie: de afstand tussen spreker en toehoorder moet vooraf worden gekozen. Een conventie (in deze site) is om daartoe aan waarnemerpositie aan te nemen achter in de ruimte. Figuur 1 geeft een voorbeeld van een ruimte ter grootte van een klaslokaal met 50 m² vloeroppervlak.

Figuur 1:  De spraakverstaanbaarheid in een ruimte van 8 × 6.25 × 3.2 m³ voor vijf verschillende waarden van de signaal-ruisverhouding SN. De curven zijn berekend op een afstand van 8.1 m van de bron, dat is 80% van de diagonaal over de vloer.

Figuur 2:  De spraakverstaanbaarheid in een ruimte van 16 × 12.5 × 4.2 m³ voor vijf verschillende waarden van de signaal-ruisverhouding SN. De curven zijn berekend op een afstand van 16.2 m van de bron, dat is 80% van de diagonaal over de vloer.

 

Figuur 1 heeft de afmetingen van een schoollokaal. Dat is afzonderlijk behandeld in B.23.1. Om te zien wat er gebeurt als de maten van de vloer worden verdubbeld wordt figuur 2 getoond. Beide keren is een waarnemerpositie achter in de zaal gekozen.

Uiteraard kent iedereen het verschijnsel dat de spraakverstaanbaarheid minder wordt als de ruimte groter wordt. Dat klopt als figuur 2 met figuur 1 wordt vergeleken: de curven dalen. Toch lijkt het mee te vallen; over de hele linie wordt de spraakverstaanbaarheid in de grotere ruimte ca. 3 dB minder. Maar de signaal-ruisverhouding geeft slechts het verschil tussen signaal en ruis en zegt dus nog weinig over de absolute niveaus. Om eens na te gaan wat er zoal gebeurt, worden in tabel 1 beide zalen nader onder de loep genomen.

 

		8 × 6.25 × 3.2		16 × 12.5 × 4.2
	signaal-ruisverhouding	"goed"	"matig"	"goed"	"matig"
	LW, vermogen bron (dB re 1pW)	70	65	70	65
	SPL van de ruis (dB re 20 mPa)	40	45	40	45
A	absorptiecoëfficiënt	0.30		0.30
B	geometrisch oppervlak	191		639
C	absorberend oppervlak	57		192
D	nagalmtijd	0.46		0.73
E	SPL op 1 m	61.5	56.5	59.9	54.5
F	SPL, achterin	55.8	50.8	49.5	44.5
G	SPL vroege energie, achterin	54.4	49.4	47.4	42.5
H	SPL late energie, achterin	48.9	43.9	45.4	40.5
I	U50 alleen door galm, achterin	5.5		2.0
J	vermogen van de ruis (dB re 1pW)	51.5	56.5	56.8	61.8
K	signaal-ruisverhouding SN	18.5	8.5	13.2	3.2
L	U50 achterin, met galm en ruis	5.0	2.0	1.1	-3.8

 

Er zijn, per ruimte, telkens twee gevallen:

 

"goed"	De spreker spreekt wat luider dan gebruikelijk; de zaal luistert vrijwel muisstil. Het bijbehorende vermogen van de spreker bedraagt 70 dB (re 1 pW); het geluidniveau van de ruis in de klas bedraagt 40 dB (re 20 μPa). We hebben hier dus verschillende dB's en de signaal-ruisverhouding is dus niet gelijk aan 30 dB. Die wordt later berekend in rij K uit de tabel.
"matig"	De spreker spreekt op conversatieniveau; de zaal is rustig zoals een "schoolklas in bedrijf". Er is geschuifel van voeten, geritsel van papier en hier en daar wordt zacht gefluisterd. De bijbehorende niveaus zijn 65 en 45 dB.

 

Het geluidvermogenniveau van de bron (dus 70, resp. 65 dB) is nodig om een geluiddrukniveau te berekenen. Probleem is dat daarbij de richtingscoëfficiënt Q een rol speelt. Die komt in de volgende webpagina aan de orde en willen we nu nog even buiten de discussie houden. Alle berekeningen zijn tot nu toe met Q = 1 uitgevoerd. Dan levert L_W = 70 dB (re 1pW) in een dode kamer een geluidniveau SPL van 59 dB (re 20 mPa) op 1 m van de bron. De waarden 61.5 en 59.9 in rij E zijn wat hoger door reflecties in de ruimte. Bij L_W = 65 dB (re 1 pW) zijn we dichter in de buurt van het vermogen dat een spreker op normale sterkte levert.

In de rijen J t/m L wordt aan de rijen E t/m I ruis toegevoegd. Daarbij worden twee gevallen onderscheiden: "stil" met 40 dB in de ruimte en anderzijds "enige bedrijvigheid" waardoor de ruis met 5 dB stijgt. Dat zijn dus beide lage niveaus; een schoolklas met pratende leerlingen heeft een heel wat hoger niveau, zoals in de desbetreffende webpagina (B.23.1) al was uitgelegd. De ruis wordt constant versteld over de gehele ruimte.

 

A	absorptiecoëfficiënt
	Deze is gedefinieerd op 30%, voor beide ruimten. Dat schept vrijwel gelijke ontwerpproblemen voor de architect.
B	Geometrisch oppervlak
	Het vloeroppervlak is rechts vier maal zo groot, maar de hoogte stijgt niet met een factor 2; de verhouding tussen de totale geometrische oppervlakten van de twee ruimten is daardoor 3.3.
C	absorberend oppervlak
	Volgt uit vermenigvuldiging van rijen A en B.
D	nagalmtijd
	De nagalmtijd speelt een rol in de berekening, maar speelt verder geen rol in de uitleg van de verschillen.
E	SPL op 1 m
	Het geluidniveau in dB (re 20 μPa) op 1 m. Deze grootheid wordt getoond voor de volledigheid en speelt verder geen rol in ons verhaal.
F	SPL, achterin, dus op 8 m (linker ruimte) en 16 m (rechter ruimte)
	Dit is het geluiddrukniveau op een afstand van 80% van de vloerdiagonaal, dus achterin de ruimte van de spreker. Het bestaat dus uit het directe geluid plus alle galm die daar door de ruimte aan wordt toegevoegd. In de rijen E t/m I wordt de situatie nog ruisvrij verondersteld.
G	SPL, vroege energie achterin de ruimte
	Het totale geluidniveau kan worden opgesplitst in vroege en late reflecties van de ruimte. De vroege energie bestaat uit het directe geluid plus alle reflecties die binnen komen voor 0.05 s. Ze worden door onze oren plus hersenen als "nuttig" ervaren.
H	SPL, late energie achterin de ruimte
	Het totale geluidniveau kan worden opgesplitst in vroege en late reflecties van de ruimte. De late energie bestaat uit het directe geluid plus alle energie die binnen komt ná 0.05 s. Die reflecties worden door onze oren plus hersenen als "storende galm" ervaren. Ruis stoort ook, maar in de rijen E t/m I wordt een ruisvrije situatie verondersteld.
I	U50 alleen door galm
	Deze grootheid is niets anders dan het verschil tussen de rijen G en H. Het is dé grootheid voor de spraakverstaanbaarheid. Omdat in de rijen G en H een ruisvrije situatie is verondersteld, wordt U50 nog uitsluitend door de galm bepaald [[1]].
J	vermogen van de ruis  [dB re 1 pW]
	Deze grootheid wordt teruggerekend vanuit het geluiddrukniveau van de ruis en de ruimtegegevens, dus de waarden 40 en 45 dB (re 20 mPa). Dan blijkt het vermogen van de ruis in de rechter zaal bijna 6 dB hoger. Dat klopt ook: er gaan vier maal zoveel mensen in en iedere verdubbeling geeft 3 dB extra vermogen [[2]].
K	signaal-ruisverhouding SN
	De signaal-ruisverhouding in de berekeningen is het verschil tussen de vermogens, dus in dit geval het verschil tussen de waarden 70/65 dB (re 1 pW) en de waarden uit rij J.
L	U50 met galm en ruis
	Hier gaat het allemaal om. U50 is in de kleine ruimte gelijk aan 5.5 dB als alleen galm een rol speelt (rij J). Indien ruis wordt meegerekend, dalen die waarden tot 5.0 en 2.2 dB voor resp. het "goede" en het "matige" geval. Vergroting van de ruimte doet de spraakverstaanbaarheid, in het ruisvrije geval, dalen van 5.5 naar 2.2 dB, dus 3.3 dB lager. Als daar ruis aan wordt toegevoegd zijn de verschillen groter. In de "matige" gevallen is het verschil bijna 6 dB.

 

Het is nu mogelijk om de figuren 1 en 2 te herhalen, maar nu met ingetekende punten uit het voorbeeld. Figuur 3-links geeft de kleine ruimte, de rechter figuur staat voor de grotere. In beide figuren geeft de groene punt geeft het geval zonder ruis. De blauwe punt vertegenwoordigt het geval "goed" uit tabel 1 en de rode punt staat voor het "matige" geval uit tabel 1.

De curven schuiven wat omlaag bij toenemende grootte, vooral omdat de nagalmtijd toeneemt bij gelijkblijvende absorptiecoëfficiënt. Maar de groene, blauwe en rode punt schuiven veel sterker omlaag. Dat komt doordat ook de SN-waarden lager worden. In de linker ruimte vallen alle punten binnen de "goede spraakverstaanbaarheid", in de rechter figuur (rode punt) ontstaat een "matige spraakverstaanbaarheid" als de signaal-ruisverhouding niet optimaal is.

 

Figuur 3:  Herhaling van de figuren 1 en 2, maar nu met de praktijkgevallen uit tabel 1. Links toont de kleinere ruimte, rechts de grotere. De groene punt geeft het geval zonder ruis; de blauwe punt vertegenwoordigt het geval "goed" uit tabel 1, de rode punt staat voor het "matige" geval uit tabel 1.

 

2.2    Wat nu?

Kunnen we toch ook in een grotere ruimte minimaal een "goede spraakverstaanbaarheid" halen?

De oplossing ligt in het opvoeren van de signaal-ruisverhouding. Beperking van de ruis ligt niet voor de hand, want de ruis was in beide gevallen laag, dan wel zeer laag. In een sporthal bijvoorbeeld is de ruis nog veel hoger, zeker als er luidruchtig publiek is.

Dus dient het vermogen van de spraak te worden opgevoerd. Dat kan door luid te spreken of te schreeuwen, maar het is stijlvoller om de spreker een mikrofoon en versterker ter beschikking te stellen.

Echter.....  We kunnen met het opvoeren van het spraakvermogen de rode punten in figuur 3 omhoog schuiven, maar boven de groene punten is niet uit te komen. Daartoe moet de nagalm verder worden beperkt door de absorptie nog verder op te voeren. Maar, zoals al meerdere malen gesteld in de voorgaande webpagina's, dat is niet simpel.

 

3.    Het vermogen van het spraaksignaal

3.1   Minimale signaal-ruisverhouding

In de figuren 1 en 2 is een minimale waarde van SN nodig om een "goede" of "uitstekende" spraakverstaanbaarheid te halen. Bij SN = 10 wordt de lijn U₅₀ = 6.5 niet gehaald. De lijn U₅₀ = 1.5 lukt wel, al is het in figuur 2 nipt. Het rekenproces kan nu ook worden omgedraaid, zodat via een iteratief de waarden van SN worden bepaald waarbij de grenzen U₅₀ = 1.5, respectievelijk 6.5 dB worden gehaald.

Een voorbeeld staat in figuur 4 voor het schoollokaal van 8.00 × 6.25 × 3.20 m³. De blauwe curven gelden bij afwezigheid van ruis; de rode curven dus bij SN = 6.9 (links) en SN = 13.2 (rechts).

 

Uit de figuren 1 en 2 was al gebleken dat in een grotere zaal (16.00 × 12.50 × 4.20 m³) een hogere signaal-ruisverhouding nodig is. Dat blijkt ook uit de figuren 4 en 5.

 

Figuur 4:  De SN-verhouding die minimaal nodig is om U₅₀ = 1.5 (linker figuur) of U₅₀ = 6.5 (rechts) te halen in een ruimte van 8.00 × 6.25 × 3.20 m³. De toehoorder bevindt zich achter in de ruimte op ongeveer maximale afstand: 8 meter.

 

Figuur 5:  De SN-verhouding die minimaal nodig is om U₅₀ = 1.5 (linker figuur) of U₅₀ = 6.5 (rechts) te halen in een ruimte van 16.00 × 12.5 × 4.20 m³. De toehoorder bevindt zich achter in de ruimte op ongeveer maximale afstand: 16 meter.

 

Indien we voor een serie ruimtes dezelfde berekeningen uitvoeren ontstaat figuur 6. Bij een vloeroppervlak van 50 m² zien we de waarden SN = 6.9 en 13.2 dB terug. Datzelfde geldt voor SN = 10.0, resp. 16.8 dB bij een vloeroppervlak van 200 m².

Figuur 6:  De  waarden van de signaal-ruisverhouding die minimaal nodig is om U₅₀ = 1.5 dB (oranje) of U₅₀ = 6.5 dB te bereiken bij oplopend vloeroppervlak.

 

3.2    Hoe luid moet men spreken?

Tot nu toe is het begrip "signaal-ruisverhouding" nogal vaag gehouden. Het ging dan steeds om een verhouding van de akoestische vermogens van spraak en ruis. In de praktijk horen onze oren slechts geluidniveaus die volgen uit de combinatie van het akoestisch vermogen en de akoestische eigenschappen van de ruimte. Zoals al uiteengezet in het theoriedeel was de keuze voor het vermogen gedaan omdat werd verondersteld dat het vermogen van de ruis (bijvoorbeeld in een schoolklas) constant is, zodat dus het geluidniveau van de ruis afneemt bij toenemende absorptie. Schuifelende voeten in een schoolklas zijn in een galmend lokaal luider dan in een goed gedempte klas.

Een bijkomend voordeel van deze keuze is dat de curven uit de voorgaande figuren eenvoudig zijn te berekenen met de formules uit de theorie. Thans wordt de omgekeerde weg bewandeld, die ook al was toegepast in tabel 1. Het geluidniveau (dus niet het vermogen) van de ruis wordt bijvoorbeeld gesteld op 40 dB, ongeacht de grootte van de ruimte. Het geluidvermogen van de ruis kan dan worden teruggerekend en, na optelling van de waarden uit figuur 6, ontstaan dan de getallen voor het spraakvermogen dat de geluidbron moet leveren. Het resultaat staat gegeven in figuur 7.

Hieruit is te zien hoe luid een spreker moet spreken om achter in de ruimte "uitstekend" (groene lijn) of "goed" (oranje lijn) te worden verstaan als in de ruimte een ruisniveau heerst van 40 dB.

Figuur 7:  De berekening van het minimale spraakvermogen in een ruimte waar een ruisniveau heerst van 40 dB (re 20 μPa).

 

Een paar punten ter verduidelijking van figuur 7:

• In dit voorbeeld wordt uitgegaan van een ruisniveau van 40 dB. Dat is een stil publiek. Indien het publiek wat rumoeriger is (bijvoorbeeld 46 dB) schuiven de curven ook 6 dB omhoog. Dat betekent impliciet dat de ruis belangrijker is dan de galm. Bij lagere ruisniveaus dan 40 dB wordt de galm relatief belangrijker en is het beeld gecompliceerder.

• De spraakvermogenniveaus kunnen worden gekoppeld aan de omschrijvingen "normal" t/m "loud" die in de norm kunnen worden teruggevonden. Daar past wel een kanttekening bij: deze geluidvermogens zijn nl. tamelijk hoog. Er zijn ook onderzoeksresultaten voorradig naar de vermogens van "conversatie" tussen personen op ca. 1 m afstand. Die spreken ca. 6 dB zachter dan "normal". Het lijkt erop alsof de normstellers juist het geluidvermogen van een leerkracht in een rustige schoolklas "normaal" noemen. Maar de gemiddelde spreker op niveau "normal" verheft zijn of haar stem wel degelijk.

• De spreiding van de spraakvermogens tussen sprekers onderling is groot. De hier gegeven waarden geven een gemiddelde, maar er zijn mensen die wel 6 dB zachter of juist 6 dB harder spreken.

• De curven stijgen sterk als functie van het vloeroppervlak. Een schoolklas is dus met wat stemverheffing te bespreken (onder voorwaarde dat de absorptie in het lokaal voldoende is); bij toename van de zaalgrootte moet al snel behoorlijk luid worden gesproken. Het is aan te raden om dan elektronische spraakversterking toe te passen.

 

In de voorgaande webpagina is het boek van Knudsen en Harris besproken waarvan de eerste editie in 1950 is gepubliceerd. Zij geven voor een acteur een spraakvermogen van 77 dB (50 μW). Bovendien adviseren zijn spraakversterking voor ruimten met een vloeroppervlak van ca. 300 m² (50 000 cubic feet om precies te zijn). Dat is te doen, maar alleen voor de luidere sprekers. En juist vanwege de grote spreiding tussen sprekers onderling zal in de huidige tijd een spreker ook in kleinere zalen (100 tot 200 m² bijvoorbeeld) spraakversterking ter beschikking worden gesteld.

 

4.    Nogmaals: de optimale curve voor de nagalmtijd, nu mét ruis

In de voorgaande figuren is steeds uitgegaan van de "ideale" nagalmtijd. Dus als in de figuren 4 en 5 het maximum wordt opgezocht betekent dat automatisch dat daar een ideale waarde van de absorptiecoëfficiënt bij hoort. In de voorgaande webpagina is aangetoond dat dat tot grote ontwerpproblemen kan leiden, hetgeen in figuur 5-rechts nog eens ten overvloede wordt geïllustreerd: de vereiste absorptiecoëfficiënt is bijna 90% 

Om het ontwerp te vergemakkelijken is in de voorgaande webpagina een compromis gezocht door een lijn af te leiden voor de "optimale" nagalmtijd als functie van het vloeroppervlak; figuur 8 geeft de lijn. Het compromis leidt er dus toe dat in een grote zaal de spraakverstaanbaarheid "slechts" goed kan worden genoemd.

Figuur 8:  De optimale nagalmtijd als functie van het vloeroppervlak. De figuur is een kopie van een figuur uit webpagina B.23.2.

 

Maar als figuur 8 wordt gebruikt bij het ontwerp, wordt dus afgeweken van de ideale absorptiecoëfficiënten in de figuren 4 en 5 en dat betekent weer dat er een hogere signaal-ruisverhouding nodig is.

Het is nu weer mogelijk om, voor iedere zaal die voldoet aan de lijn in figuur 8, de benodigde minimale signaal-ruisverhouding te becijferen, precies zoals dat is gebeurd in figuur 6. En daaruit kan dan weer het benodigde bronvermogen worden berekend bij 40 dB achtergrondruis; een herhaling van figuur 7 dus. De resultaten staan in de figuren 9 en 10. Indien het achtergrondniveau stijgt met bijvoorbeeld 6 dB, stijgen ook de curven met globaal 6 dB.

Figuur 9:  De minimale signaal-ruisverhouding die nodig is om de kwalificatie "goed"  (oranje stippellijn) en "uitstekend" (groene stippellijn) te halen in een zaal die voldoet aan de optimale curve van figuur 8. Het niveau van de ruis is gelijk aan 40 dB (re 20μPa).

Figuur 10:  Het minimale spraakvermogen in dB (re 1pW) dat nodig is om de kwalificaties "goed" (oranje stippellijn) en "uitstekend" (groene stippellijn) te halen in een zaal die voldoet aan de optimale curve van figuur 8. Het niveau van de ruisis gelijk aan 40 dB (re 20μPa).

 

In beide figuren is te zien dat een uitstekende spraakverstaanbaarheid alleen te bereiken is in ruimten waarvan het vloeroppervlak kleiner is dan 50 m². Maar dat is ook logisch, aangezien de blauwe lijn in figuur 8 daar de groene lijn snijdt. Het compromis van figuur 8 hield reeds in dat de kwalificatie "uitstekend" voor een zaal boven 50 m² nooit te halen valt, ook niet bij een ideale SN-verhouding, dus als ruis helemaal afwezig is.

Als men zich aan de optimale lijn uit figuur 7 houdt, is altijd een goede spraakverstaanbaarheid mogelijk, maar een spreker moet de stem in grote zalen wel heel erg verheffen. Het is dan gewenst om een systeem te gebruiken voor spraakversterking. Dat is specialistenwerk, maar desondanks zullen we daar in de volgende webpagina dieper op ingaan.

 

Deze webpagina is als pdf te downloaden, klik hier

 

 

---