Samenvatting mogelijke technische maatregelen gym- en sportzalen

In een sporthal zijn altijd akoestische maatregelen noodzakelijk om galm en lawaai te voorkomen.
Indien akoestisch materiaal wordt gekozen moet het totaal absorberend oppervlak minimaal 25% van het geometrische oppervlak bedragen. Het verdient aanbeveling om op iets meer (bijvoorbeeld 28%) te mikken.
Volgens de akoestische theorie mag alle absorptie op het plafond. Nader onderzoek leert dat die stelling alleen juist is voor de bestrijding van het lawaai in de zaal.
Theorie en praktijk zijn nl. niet in overeenstemming wat betreft de nagalmtijd. Indien alle absorptie zich tegen het plafond bevindt wordt de nagalmtijd verlengd t.o.v. de theoretische waarde door reflecties tegen de wanden en dan vooral de kopse kanten.
Aangezien de norm voor sportzalen uitgaat van een maximale nagalmtijd (vooral door gebrek aan een betere grootheid) zijn aanvullende maatregelen noodzakelijk. Daarvoor komen de volgende maatregelen in aanmerking, al of niet gecombineerd:

Het aanbrengen van geluidabsorberend materiaal op minimaal één kopse wand bestrijdt een lange nagalmtijd. Het materiaal dient dan wel te reiken tot de vloer.
Reflecties tegen de kopse wanden kunnen het geluid omhoog sturen waardoor de effectiviteit van de plafondabsorptie wordt verhoogd. De wand hoeft dan niet met absorberend materiaal te worden bekleed.
Een wand kan schuin omhoog worden geplaatst.
De wand zelf kan sterk verstrooiend worden uitgevoerd. Dat betekent dus toepassing van een niet-vlakke wand die in een sporthal wellicht minder in aanmerking komt.

Inleiding

De grootte van een sportzaal kan variëren van een gymzaaltje tot een overdekt voetbalveld. Ze hebben ieder hun specifieke eigenschappen maar om een aangenaam akoestisch klimaat te scheppen zijn de problemen niet wezenlijk verschillend. Dit deel van de site gaat over de eigenschappen binnen één ruimte. In de praktijk worden grotere zalen nog wel eens verdeeld in kleinere met behulp van vouwwanden waardoor onderlinge geluidhinder kan ontstaan. Dergelijk problemen blijven hier buiten beschouwing. Ze zijn meestal oplosbaar, maar vereisen veel aandacht bij het ontwerp.

De berekening van het geluidabsorberend oppervlak en de gemiddelde absorptiecoëfficiënt

Indien een sportvoorziening zich nog in de tekentafelfase bevindt wordt allereerst een schatting gemaakt van de totale absorptie. Dat kan het best worden geïllustreerd met een voorbeeld, waarbij een grote ruimte wordt verondersteld.

Gegeven is een rechthoekige ruimte van:	70×25×12 m³
Het volume is dus:	21000 m³
Het totale oppervlak van alle wanden is:	5780 m²

Er is verondersteld dat tegen het plafond absorptiemateriaal is aangebracht met een absorptiecoëfficiënt van 60%. De wanden zijn niet-absorberend (hout, baksteen, enz.), maar aan een van de lange wanden bevindt zich een tribune. Als die volledig bezet is met publiek kan dat een substantiële bijdrage leveren aan de absorptie [[1]], maar we gaan ervan uit dat die vrijwel leeg is. In tabel 1 wordt de werkwijze geschetst.

Tabel 1: Een voorbeeld van de geluidabsorptie in een ruimte van 70×25×12 m³.

	oppervlak	absorptie-coëfficiënt		absorberend oppervlak
	[m²]	[-]		[m²]
sportvloer	1750	0.04		70
absorberend plafond	1750	0.60		1050
wand 1: hard	840	0.05		42
wand 2: beetje absorptie	840	0.15		126
wand3: hard	300	0.05		15
wand 4: hard	300	0.05		15
totaal oppervlak	5780			1318
gemiddelde absorptiecoëfficiënt [-]			0.23
nagalmtijd berekend volgens Sabine [s]			2.55

De eerste kolom in tabel 1 geeft een omschrijving van het oppervlak, de tweede geeft het geometrisch oppervlak dat met de duimstok wordt bepaald. De derde kolom geeft de absorptiecoëfficiënt. De vierde kolom geeft steeds het product van de getallen in de kolommen twee en drie. Dat resulteert dus in het "absorberend oppervlak" [[2]]. Voor akoestisch materiaal is de opgave van de absorptiecoëfficiënt door de fabrikant meestal nauwkeurig genoeg; voor vloer en wand moet men vaak zelf een schatting doen. Echter, in de rechter kolom is te zien dat een hoge nauwkeurigheid voor bijvoorbeeld de vloer er eigenlijk niet toe doet. Als de sportvloer 0.06 is in plaats van 0.04 heeft dat vrijwel geen invloed op het totaal absorberend oppervlak van 1318 m². Het spreekt voor zich dat minder absorptie aan het plafond kan worden gecompenseerd met absorptie aan de wanden. Het plafond is in de praktijk populair omdat het minder kwetsbaar is en het grootste oppervlak vertegenwoordigt.

Door deling van het absorberend oppervlak (1318 m2) door het geometrische oppervlak (5780 m² ) wordt de gemiddelde absorptiecoëfficiënt gevonden. Die bedraagt hier dus 0.23 (=23%). De nagalmtijd, berekend met de Sabine-formule bedraagt 2.55 s.

Aangetoond kan worden dat de gemiddelde absorptiecoëfficiënt in sportzalen een cruciale rol speelt en die is daarom de basis van de huidige normstelling. We komen daarop terug.

Nagalmtijd, geluidniveau, signaal-ruisverhouding in gym- en sportzalen

De tabel wordt gebruikt in het ontwerpstadium. Maar als de zaal gebouwd is, wordt die nagemeten om te controleren of architect, akoestisch adviseur en materiaalleverancier hun werk goed hebben gedaan. Daartoe wordt altijd de nagalmtijd gebruikt, omdat alternatieve meetmethoden knap ingewikkeld zijn. Uit de nagalmtijd wordt vervolgens het absorberend oppervlak bepaald voor de totale ruimte. Een uitsplitsing over de verschillende oppervlakken is alleen in bijzondere gevallen uitvoerbaar.

Echter, in sportzalen is het heersende geluidniveau veel belangrijker dan de nagalm. Een ophoging van het totaal absorberend oppervlak leidt tot een verlaging van het geluidniveau en de nagalmtijd wordt dus eigenlijk gebruikt als een instrument om dit absorberend oppervlak te bepalen.

De signaal-ruisverhouding geeft de mate waarin we een spreker kunnen verstaan in het rumoer van andere "ongewenste" geluidbronnen in de zaal. Dit is in een sportzaal eigenlijk de belangrijkste grootheid. Een ophoging van het totaal absorberend oppervlak heeft in een sportzaal veel meer effect op het geluidniveau van de stoorbronnen dan op het gewenste geluid, zodat de signaal-ruisverhouding in gunstige zijn wordt beïnvloed.

Toetsing aan de akoestische norm

De nagalmtijd is afhankelijk van het volume van een sportzaal. Indien een gymzaal van 1000 m³ wordt opgeschaald naar een zaal van 21000 m³ en de verdeling van absorberende materialen precies wordt meegeschaald, stijgt het volume met een factor 21 en het absorberend oppervlak met een factor 7.6. De nagalmtijd stijgt met een factor 2.8. De gemiddelde absorptiecoëfficiënt blijft constant.

Indien in een norm een maximale nagalmtijd wordt gesteld, lijkt de grotere zaal dus slechter dan de kleine. Echter, de hoeveelheid absorberend oppervlak is gestegen en het geluidniveau daalt indien de bronsterkte gelijk wordt gehouden, waardoor de signaal-ruisverhouding in een grote zaal beter wordt. Echter, in de praktijk zal bij schaalvergroting meestal ook het aantal ruisbronnen stijgen De signaal-ruisverhouding blijft dan min of meer constant bij schaalvergroting. Daarom is de gemiddelde absorptiecoëfficiënt een veel betere grootheid om de akoestische kwaliteit vast te leggen.

De officiële ISA-norm voor sportzalen [[3]] is gesteld in maximale nagalmtijden maar houdt wel degelijk rekening met het volume door uit te gaan van een aantal standaardmaten. Voor erg grote zalen (zoals uit tabel 1) wordt niet expliciet een maximale waarde van de nagalmtijd gesteld. Er wordt uitgegaan van een gemiddelde absorptiecoëfficiënt die minimaal 0.25 moet zijn. In het voorbeeld van tabel 1 wordt aan die norm net niet voldaan. Door het toevoegen van 127 m² absorptie gaat het gemiddelde naar 0.25, maar het is uiteraard verstandig om wat marge in te bouwen, bijvoorbeeld door uit te gaan van 28%.

Het voorbeeld toont aan dat de norm met wat denkwerk altijd wel haalbaar is door gebruik van absorptiemateriaal. Een onbehandelde sportzaal is onbruikbaar, want een oplossing, waarbij de eigenlijke constructie alle akoestische absorptie verzorgt, bestaat niet.

Waarom klopt het rekenschema (vaak) niet?

Ook als architect en/of akoestisch adviseur hun huiswerk goed hebben gedaan blijkt de gemeten nagalmtijd na voltooiing van de zaal soms flink wat langer dan de voorspeld. De belangrijkste reden is dat de Sabine-rekenmethode voor de nagalmtijd eigenlijk niet voldoet. Sabine heeft zijn theorie ontwikkeld voor een "diffuse" situatie waarin alle geluidstralen min of meer gelijk verdeeld zijn, maar in een sportzaal vinden we de volgende afwijkingen:

Een sportzaal is alles behalve een kubusachtige constructie waarvan Sabines theorie uitgaat. In het voorbeeld is de lengte-hoogte-verhouding gelijk aan zes.
Sabines theorie gaat uit van een homogene verdeling van absorptiematerialen. In de meeste sportzalen zal het leeuwendeel van de absorptie zich tegen het plafond bevinden.
De meeste sportzalen zijn vrijwel leeg. In andere ruimten verstrooien meubilair e.d. het geluid, waardoor een diffuser geluidveld ontstaat.

Een voorbeeld waarbij het mis gaat staat in figuur 1, waar een verticale doorsnede van de hal wordt gegeven. Alle absorptie bevindt zich tegen het plafond.

Figuur 1: In een sportzaal ontbindt het galmveld zich in componenten langs de drie dimensies.

Het galmveld blijkt in dit geval te ontbinden in drie componenten, waarvan er twee zijn getekend. Er spelen de volgende processen:

Het verticale veld is luider dan het horizontale.
Het aantal reflecties per tijdseenheid is groot door de korte verticale afstand, waardoor het verticale veld weliswaar luider is maar veel sneller dempt. Zie webpagina B.13 plus subpagina's voor een theoretische uitleg.
De demping per reflectie is bovendien groot omdat de absorptie op het plafond zit.
Het verticale veld bepaalt de nagalm in het eerste deel (bijv. tot 0.4 s) van de nagalmcurve. Het horizontale galmveld dempt veel langzamer uit en bepaalt het tweede deel van de nagalmcurve.
De nagalmtijd wordt per definitie gemeten langs het tweede deel van de curve en wordt daarom grotendeels bepaald door het horizontale veld.
Het geluidniveau in een ruimte wordt juist bepaald door het allereerste deel van een galmcurve.

Als gevolg van alle effecten is de getekende situatie slecht voor de nagalm en juist goed voor het geluidniveau. Probleem is dat de norm uitgaat van de nagalmtijd. Gezien de doelstellingen in een sportzaal (weinig kabaal) is dat dus eigenlijk ten onrechte, maar er is geen simpel alternatief.

Oplossingen ter verlaging van de nagalmtijd in sportaccommodaties

Er zijn twee oplossingen om de horizontale galm te verkleinen. Figuur 2 geeft de eerste oplossing waarbij absorptie op de kopse wanden wordt aangebracht.

Figuur 2: De horizontale galm wordt bestreden door de kopse kanten met absorberend materiaal te bekleden.

Doordat op de kopse wanden absorptie wordt aangebracht, kan de hoeveelheid absorptie op het plafond navenant worden verlaagd. Echter, er is een vervelende complicatie. Doordat de horizontale maat zo groot is, is het aantal reflecties per tijdseenheid klein. Daarom moet de absorptiecoëfficiënt van de kopse wanden hoog worden gekozen; het heeft weinig zin om de kopse wanden "een beetje" te behandelen.

In figuur 2-onder staat een oplossing die in de praktijk heel aardig werkt: de horizontale galm wordt bestreden met absorptie op één kopse wand. Het werkt inderdaad heel goed om de nagalmtijd te verlagen, anderzijds kan er één sterke reflectie optreden die te horen valt als een echo. Die reflectie is ook te horen in de situatie van figuur 1, maar gaat daar verloren in de luide galm. Wellicht is verstrooiing door de niet-behandelde wand gewenst.

Figuur 3: Indien alleen absorptie wordt aangebracht op grotere hoogte blijft de nagalmtijd op vloerhoogte lang.

Bij een sporthal ligt het voor de hand om absorptie alleen aan te brengen op grotere hoogte, zie figuur 3. Helaas helpt dat niet om de nagalmtijd naar beneden te brengen. Die zal veelal op 1.5 m boven de vloer worden gemeten en daar vinden we weer (een deel van) het horizontale galmveld terug. Het effect van de nagalmtijd die daalt bij een toenemende mikrofoonhoogte is daadwerkelijk gemeten en kan in rekenmodellen worden gereproduceerd.

De tweede oplossing staat in figuur 4. Daar wordt het horizontale geluid naar het absorberende plafond gestuurd. Dat spiegelend element hoeft zelf niet te absorberen. Uiteraard kan zelfs de totale wand scheef worden gezet. In rekenmodellen kan worden aangetoond dat dit middel zeer effectief is; er zijn ook voorbeelden van sportzalen (en zwembaden) waarbij het met succes is toegepast. Figuur 5 toont een combinatie van de figuren 3 en 4. In figuur 6 is een sterk verstrooiende wand getekend.

Figuur 4: Het horizontale galmveld wordt bestreden met schuine elementen.

Figuur 5: Spiegeling kan ook alleen in het onderste deel van de kopse wanden.

Figuur 6: Verstrooiing kan ook met verstrooiende elementen.

Kopse wanden versus lange wanden

De hal uit het voorbeeld heeft behalve kopse wanden ook lange wanden. Daarvoor geldt het hele verhaal uiteraard ook, maar omdat de maat van 70 m dan krimpt tot 25 m is de invloed op de verlenging van de nagalmtijd wat minder. Bovendien hadden we in ons voorbeeld een lange wand aangehouden waarin een tribune was opgenomen. Dan treden automatisch effecten op zoals in de figuren 2 en/of 4. Als de tribune open is, geldt figuur 2, waarbij dan achter de tribune wat absorptie moet worden aangebracht. Bij een dichte tribune ontstaat figuur 4.

Een aangename verrassing ten aanzien van het geluidniveau en de spraakverstaanbaarheid in sportaccommodaties

Het is wel degelijk mogelijk om de invloed van absorptie op het geluidniveau te meten, al is die methode een stuk lastiger dan de meting van de nagalmtijd. Dan blijkt dat de plaats van de absorptie er weinig toe doet. De figuren 2 t/m 6 verlagen allemaal de nagalmtijd, maar voor het geluidniveau (en derhalve de signaal-ruisverhouding en de spraakverstaanbaarheid) is figuur 1 niet of nauwelijks inferieur. Rekenexercities met rekenmodellen en luisterproeven met gesimuleerde signalen bevestigen het beeld. De nagalm is in de situatie van figuur 1 duidelijk "lelijker" omdat een fikse echo hoorbaar is. Daarom worden de maatregelen uit de figuren 2 t/m 6 ook altijd toegepast in concertzalen. Echter, zodra ruis wordt geïntroduceerd en er wordt gelet op de resulterende spraakverstaanbaarheid is figuur 1 niet slechter dan de andere vijf. Webpagina D.42.1 geeft meer theorie en een aantal geluidvoorbeelden om de beweringen te staven. Maar omdat de nagalmtijd als meetinstrument wordt gebruikt zullen toch oplossingen in de stijl van de figuren 2 t/m 6 moeten worden gekozen, ook al zijn ze dus eigenlijk grotendeels cosmetisch.

[1] Trouwens ook aan het geproduceerde geluid. Eigenlijk zou iedere pratende of roepende supporter 5 à 10 m² absorptie mee moeten brengen om een evenwicht te verkrijgen. De gemiddelde toeschouwer representeert echter slechts 0.5 m².

[2] In het jargon wordt vaak gesproeken over m² o.r., hetgeen open raam betekent. Alle energie die op een open raam valt verdwijnt immers.

[3] ISA-Sport (Instituut voor Sportaccommodaties van NOC*NSF), "Handboek sportaccommodaties", 2002.