Achtergrondinfo over akoestiek vind je in deze kennisbank

Op deze pagina vind je een een beetje achtergrondinformatie en een beknopt overzicht van de meest gebruikt akoestische termen.

Geluidsisolatie

• geluidslekken
  
• grensfrequentie/coïncidentie

Algemeen

• geluidsgolf
• geluidsveld
• frequentie / toonhoogte
• golflengte
  
• kenmerken van een geluidsbron
  
• geluidssnelheid
• spectrale analyse
• tertsband
  

Geluidslekken

Waar lucht door kan komt er geluid door. Voorbeelden zijn:

• De kier onder de voordeur/deuren slaapkamers
• Opengaande delen van ramen waar de voegdichting onvoldoende wordt aangedrukt
• Schuifraam met borstelsysteem
• ….

Luchtlekken hebben een serieuze impact op de geluidsisolatie. Van zodra je meer dan 40 dB aan directe luchtgeluidsisolatie moet behalen  is een goede lekdichtheid een absolute vereiste.

% oppervlakte luchtlekken in de totale oppervlakte van het bouwelement  en de maximaal bereikbare luchtgeluidsisolatie

Uitgangspunt: zonder luchtlekken is de R_w van het bouwelement 60 dB (dit is een goede geluidsverzwakkingsindex) dan wordt dit met lekken:

• maximaal  40 dB indien 0,01% van de oppervlakte een luchtlek vormt
• maximaal 30 dB indien 0,1% van de oppervlakte een luchtlek vormt
• maximaal 20 dB indien 1% van de oppervlakte een luchtlek vormt

Elk luchtlek is een geluidslek maar niet elk geluidslek is een luchtlek. Ook zwakke plekken (met minder massa) in het bouwelement zijn akoestische lekken.

Voorbeelden van onzichtbare akoestische lekken:

• Buizen die in een wand ingeslepen werden en lokaal voor een lagere oppervlaktemassa zorgen
• Het PU-schuim waarmee bijvoorbeeld de ruimte tussen een raamkader en het metselwerk wordt opgevuld

Deze geluidslekken niet aanpakken gaat ervoor zorgen dat het bestaande glas vervangen door akoestisch beter presterend glas weinig geluidsisolatiewinst gaat opleveren.

Grensfrequentie & coïncidentie

Hoe zwaarder een materiaal hoe moeilijker het in trillingen gebracht kan worden.

Een ander belangrijk aspect dat een grote impact heeft op de geluidsisolatie is hoe goed een trillend materiaal zijn trillingen kan opleggen aan de omliggende luchtmoleculen, m.a.w. hoe goed het trillend materiaal geluid afstraalt.

Er wordt een onderscheid gemaakt tussen vrije en gedwongen buiggolven (veroorzaakt door de aan de zendzijde invallende geluidsgolven) in de wand.

Het is vooral de snelheid van de vrije buiggolven die bepaalt hoe de wand geluid gaat afstralen.

De snelheid waarmee de vrije buiggolven zich voortplanten hangt af van:

• De frequentie, hoe hoger de frequentie hoe sneller de vrije buiggolven zich voortplanten
• De buigstijfheid van het materiaal waaruit de wand is samengesteld

Grensfrequentie

De grensfrequentie is de frequentie waarbij de snelheid van de vrije buiggolven in het materiaal  gelijk is aan de snelheid van de geluidsgolven in de lucht.

Afstraling van geluid met frequenties onder de grensfrequentie

Onder de grensfrequentie van het materiaal waaruit de wand is samengesteld straalt de wand niet zo goed geluid af omdat de geluidsafstraling bepaald wordt door die van de gedwongen buiggolven.

In de zone onder de grensfrequentie stijgt de geluidsisolatiecurve theoretisch met 6 dB per frequentieverdubbeling en per oppervlaktemassaverdubbeling.

Afstraling van geluid met frequenties rond de grensfrequentie

Rond de grensfrequentie van het materiaal kent de geluidsisolatiecurve  van de wand een dip, de coïncidientiedip genoemd, omdat de wand goed geluid afstraalt.

De geluidsafstraling in dit deel van het spectum wordt bepaald door zowel de vrije als de gedwongen buiggolven.

Afstraling van geluid met frequenties boven de grensfrequentie

Boven de grensfrequentie is er altijd wel een hoek van inval waarmee de geluidsgolf invalt op de wand waarbij er coïncidentie mogelijk is en daarom blijft de geluidsafstraling effiënt.

Ondanks de efficiënte geluidsafstraling stijgt de geluidsisolatiecurve theoretisch met 9 dB per frequentieverdubbeling.

De grensfrequentie wordt bepaald door oppervlaktemassa (kg/m²) en buigstijfheid (Nm²) van het materiaal waaruit de wand/vloer/plafond is afgestemd.

• Zware, buigstijve materialen zoals betonblokken, beton en kalkzandsteen
  
  • Lage grensfrequentie (onder de 100 Hz)  en goede geluidsisolatie
    

• Lichte, buigstijve materialen zoals gipsblokken, cellenbeton
  
  • Grensfrequentie die in het verkeerde deel van het spectrum valt (vaak rond de 400 Hz) met een zwakke geluidsisolatie tot gevolg
    

• Zwaar buigslap plaatmateriaal zoals gipsvezelplaten van 12,5 mm en gipskartonplaten van 12,5 mm
  • Grensfrequentie die zeer hoog in het spectrum (boven de 3000 Hz) ligt en daarom een goede geluidsisolatie

• Buigstijf plaatmateriaal zoals houtderivaatplaten 
  • Grensfrequentie in het goed hoorbare deel van het spectrum en zijn daarom te vermijden

Coïncidientie

We spreken van coïncidentie wanneer de snelheid waarmee de vrije buiggolven in het materiaal zich voortplanten even hoog is als de golfsnelheid van de geluidsgolven in de lucht.

De grensfrequentie is de laagste frequentie waarbij coïncidentie bij een scherende geluidsinval mogelijk is. Boven de grensfrequentie is er altijd coïncidentie mogelijk.

Geluidsgolf

Geluidsgolven ontstaan door het trillen van objecten, bv een luidsprekermembraan, die door hun beweging de omliggende luchtmoleculen aan het trillen brengen en zo drukgolven veroorzaken.

Geen geluidsverstoring → luchtmoleculen bewegen niet →  geen drukvariatie t.o.v. de atmosferische luchtdruk 

De luchtmoleculen blijven ter plaatse maar bewegen wel rond hun evenwichtspunt. Het is dus niet de materie de "reist". De ene luchtmolecule tikt zijn buur aan die vervolgens weer zijn buur aanstoot terwijl zijn eigen beweging uitsterft en de evenwichtstoestand opnieuw bereikt wordt. 

Dus kunnen we een geluidsgolf beschouwen als het verstoringspatroon dat wordt veroorzaakt door het reizen van geluidsenergie door een medium (zoals lucht, water of een andere vloeibare of vaste stof) terwijl de energie zich voortplant weg van de geluidsbron naar de ontvanger.

De golf draagt de geluidsenergie doorheen het medium, meestal in alle richtingen  en steeds minder intens naarmate de golf zich steeds verder weg van de geluidsbron voortplant.

Geluidsgolven zijn longitunale mechanische golven. Dit wil zeggen dat de kortstondige verplaatsing van luchtmoleculen rondom hun evenwichtspunt in dezelfde richting van de geluidsgolf gebeurt.

Wanneer longitudinale golven door een bepaald medium reizen creëren ze zones waar de luchtmoleculen tegen elkaar gedrukt worden, met een verhoging van de luchtdruk t.o.v. de atmosferische druk tot gevolg. Daarnaast zijn er ook zones waar de luchtmoleculen verder van elkaar komen te liggen wat op zijn beurt weer een daling van de luchtdruk t.o.v. de atmosferische druk tot gevolg heeft.

Door die serie van onderdrukjes en overdrukjes t.o.v. de atmosferische druk plant de geluidsenergie zich voort.

Types geluidsgolven 

• Sferische of bolvormige golven
  
• Cylindrische golven
• Vlaklopende golven

Geluidsveld

Elk punt binnen het  geluidsveld wordt gekenmerkt door volgende parameters:

• geluidsdruk
• de deeljessnelheid van de luchtmoleculen
• de geluidsintensiteit

Types geluidsvelden:

• Vrije veld 
  • buiten, zonder reflecties
  • geluidsintensiteit = geluidsdruk²

• Diffuus veld
  • binnen, met reflecties
  • 6 dB verschil tussen geluidsintensiteit en geluidsdruk²

Frequentie / toonhoogte

De tijd waarin een geluidsgolf 1 cyclus (evenwicht-overdruk-evenwicht-onderduk-evenwicht) doorloopt wordt de periode (T in seconden) genoemd.

De frequentie = 1 / T (in Hz).

Frequentie is dus het aantal cycli per seconde. 

• 50 Hz = 50 cycli per seconde
  • klinkt als een bastoon
• 5000 Hz = 5000 cycli per seconde
  • klinkt als een hoge toon

Zuivere toon = geluid met slechts 1 frequentie. Zuivere tonen komen slechts zelden voor, meestal bestaat geluid uit meerdere frequenties. 

• laagfrequente geluid
  • frequenties lager dan 200 Hz
• middenfrequente geluid
  • frequenties tussen 200 en 2000 Hz
• hoogfrequent geluid
  • frequentes hoger dan 2000 Hz

Klanken en lawaai

Naast zuivere tonen zijn er ook klanken . Bij muziekinstrumenten zijn dat de grondtoon (zuivere toon) en de harmonische (hele veelvouden van de grondtoon). De amplitude van de harmonische is lager dan de amplitude van de grondtoon. Voorbeeld; het aanslaan van de snaar van muziekinstrument.

Lawaai = geluid met veel frequenties met elk een verschillende amplitude die gelijktijdig voorkomen.

Golflengte

De afstand die de geluidsgolf aflegt in 1 cyclus (evenwicht-overdruk-evenwicht-onderdruk-evenwicht).

Golflengte = geluidsnelheid in het medium / frequentie van het geluid

• medium lucht = geluidsnelheid +/- 340 m/s
  • 100 Hz 
    • golflengte = 340/100 = 3,4 m
  • 1000 Hz
    • golflengte = 340/1000 = 34 cm
  • 5000 Hz 
    • golflengte = 340/500 = 6,8 cm
  • 10.000 Hz
    • golflengte = 340/10.000 = 3,4 cm

Hoge frequentie = korte golflengte, lage frequentie = lange golflengte.

In lucht is de golflengte onafhankelijk van de frequentie van het geluid.

Enkel de luchttemperatuur heeft een impact op de geluidssnelheid en dus op de golflengte.

Kenmerken van een geluidsbron

De parameters die een geluidsbron karakteriseren zijn:

• geluidsvermogen van de bron
• het spectrum van de bron
• puntbron of lijnbron
• de richtingsfactor van de bron

Monotone bronnen, die slechts 1 frequentie produceren komen bijna nooit voor. De meeste geluidsbronnen produceren meerdere frequenties met elk een verschillende amplitude terzelfdertijd.

Het spectrum van de bon

Als we het geluidsvermogen per frequentie of frequentieband meten dan kennen we het spectrum van de bron. Met een globaal geluidsvermogen alleen missen we de noodzakelijke info omtrent het spectrum om de juiste akoestische ingrepen te kunnen uitwerken.

Voorbeeld: 3 bronnen met elke een geluidsvermogen van 55 dB maar met een verschillend spectrum

Het geluid van bron 3 is het gemakkelijkst te isoleren.

Het geluid van bron 1 is het moeilijkst te isoleren.

Puntbron of lijnbron

Als de afmetingen van de puntbron klein zijn t.o.v. de golflengte van het geluid.

Richtingsfactor van de bron

Niet alle bronnen stralen het geluid bolvormig uit. Vaak is er sprake van directiviteit.

Geluidssnelheid in lucht

De voorplanting van geluidsgolven in lucht is 100% longitudinaal (= in dezelfde richting van de verstoring).

In lucht is de geluidsnelheid afhankelijk van de temperatuur. Om gemakkelijk te rekenen gebruiken we 340 m²/sec maar de geluidsnelheid moet eigenlijk berekend worden via de formule:

       geluidsnelheid = 20 x √temperatuur in graden K

• bij -10 °C (263 K) = 20 x √263 = 324,3 m/s
• bij 0 °C (273 K) = 20 x √273 = 330,5 m/s
• bij 20 °C (293 K) = 20 x √293 = 342,3 m/s

De frequentie van het geluid heeft geen enkele impact op de snelheid van geluid in lucht.

Geluidssnelheid in vaste stoffen

In vaste stoffen zijn er naast longitunale golven ook nog andere types golven mogelijk waarvan in de bouwakoestiek de buigtrillingsgolven de belangrijkste zijn.

Longitudinale golven in vaste stoffen

Dit type golven heeft een vaste snelheid die net zoals bij lucht enkel afhankelijk is van de temperatuur, de volumieke massa van het materiaal en de Young's Modulus van het materiaal. De frequentie speelt geen rol.

Hoe dichter de moleculen op elkaar zitten hoe sneller het geluid zich in de stof voortplant.

• staal
  • 500 m/s
• glas
  • 5000 m/s
• beton
  • 4000 m/s
• hout 
  • varieert volgens de houtsoort tussen de 1000 tot 2000 m/s

Buigtrillingsgolven in vaste materialen

De snelheid van deze golven is wel afhankelijk van de frequentie. Hoogfrequente golven 

Spectrale analyse

Zuivere tonen komen zelden voor. De geluiden die ons omringen zijn meestal samengesteld uit meerdere frequenties die terzelfdertijd voorkomen (breedbandig geluid). Door middel van een FFT (Fast Fourrier Transform) kan breedbandig geluid ontbonden worden in zuivere tonen of frequentiebanden met elk hun eigen geluidsniveau.

Omdat voor een spectrale analyse een geluidsdrukniveau of een geluidsverzwakkingsindex per frequentie onoverzichtelijk zou zijn worden frequenties gebundeld in frequentiebanden.

Veelgebruikte frequentiebanden zijn:

• octaafbanden
• tertsbanden of 1/3 octaafbanden

Zowel octaafbanden als tertsbanden worden genoemd naar hun middenfrequentie.

• Tertsband met middenfrequentie 125 Hz
  • Ondergrens van de frequentieband =  112 Hz
  • Bovengrens van de frequentieband = 140 Hz

• Octaafband met middenfrequentie 125 Hz
  • Ondergrens van de frequentieband =  88 Hz
  • Bovengrens van de frequentieband = 177 Hz
  • Bestaat uit de tertsbanden met middenfrequentie 100 Hz, 125 Hz en 160 Hz

De bandbreedte (het verschil tussen ondergrens en bovengrens) is groter bij de octaafband met middenfrequentie 125 Hz dan bij de tertsband met middenfrequentie 125 Hz.

Ruis

= alle frequenties komen terzelfdertijd voor. Voorbeelden van dergelijke breedbandige signalen zijn:

• Witte ruis = alle frequenties hebben dezelfde energie inhoud
  • Omdat de bandbreedte van de hogere frequentiebanden breder is bevatten deze meer geluidsenergie dan de lagere frequentiebanden
• Roze ruis = alle tertsbanden hebben dezelfde energie inhoud
  • Omdat de brandbreedte van de lagere tertsbanden kleiner is worden de lagere frequenties 'geboost"

Wat zijn tertsbanden?

Tertsbanden = 1/3 octaafbanden.

De blauwe tertsbanden zijn de tertsbanden waarmee in de bouwakoestiek rekening gehouden wordt.

De bandbreedte (het verschil tussen bovengrens en ondergrens) van de hogere tertsbanden is veel groter dan die van de kleinere tertsbanden.

Bij witte ruis is het geluidniveau van elke frequentie gelijk. Dat betekent dat het globale geluidsniveau van de lagere tersbanden lager is dan dat van de hogere tertsbanden omdat de lagere frequentiebanden minder frequenties bevatten.

Van geluidsniveau per tertsband naar globaal geluidsniveau.

Stel nu dat we onderstaande geluidsdrukniveau's per tertsband gemeten hebben. Wat wordt dat het globale geluidsniveau?

Globale geluidsdrukniveau Lp= 10 x log((10^(41/10) + 10^(45/10) + 10^(46/10) + 10^(48/10) + 10^(55/10) + 10^(53/10)+10^(49/10) + 10^(47/(10 ))+ 10^(45/10)) =  59 dB

Van het geluidsniveau in tertsbanden kunnen we een globaal geluidsniveau berekenen maar een globaal geluidsniveau kan niet uitgesplitst worden in tertsbanden.