GELUID

GELUID
1
GELUID
Geluid is voor horende mensen erg belangrijk. Geluid wordt als volgt gebruikt en
ervaren:
 voor onderlinge communicatie, spraak en gehoor),
 als waarschuwingssignaal, bijvoorbeeld bij een toeter van een auto, een
overweg, een brandalarm en dergelijke
 voor amusement en ontspanning als muziek
 als rustgevend achtergrondgeluid, hetgeen kan ontaarden in muzak
 als hinderlijk lawaai
Geluid is een wisselende druk in lucht, die zich als een golf voortplant. Meestal
bedoelen we hoorbaar geluid.
Met het oor wordt geluid waargenomen.Een geluidsbron zorgt ervoor dat de lucht
gaat trillen en als het ware golven vormt (zoals een kiezelsteentje in een plas water
cirkelvormige golfjes verspreidt). Die geluidsgolf bereikt het menselijk oor van de
luisteraar, en brengt het trommelvlies in trilling. De sterkte van dat geluid noemen we
geluidsdrukniveau (L) en wordt uitgedrukt in decibel (dB). De geluidsdruk is in feite
niets anders dan een minuscule variatie van de luchtdruk. Het trommelvlies is
verbonden met de gehoorbeentjes in het middenoor, achtereenvolgens hamer,
aambeeld en stijgbeugel. Deze gehoorbeentjes werken als een hefboom, waardoor
de kleine trillingsbeweging van het trommelvlies versterkt wordt doorgegeven aan
een membraan, dat vastzit aan de stijgbeugel en zorgt voor een golfbeweging in de
vloeistof in het binnenoor. De zenuwsignalen worden door de gehoorzenuw naar het
gehoorcentrum in de hersenen doorgegeven.
De snelheid waarmee de geluidsgolven zich voortplanten noemen we de
geluidssnelheid oftewel de frequentie (f) de eenheid van frequentie is de Hertz (Hz).
Hoe sneller de geluidsgolven gaan (hoe hoger de frequentie), hoe hoger de toon is
die wij horen. Als de frequentie van het geluid tussen de 20 en 20.000 Hz ligt dan is
2
geluid hoorbaar. Naarmate je ouder wordt, wordt het frequentiebereik van je gehoor
kleiner (vooral als het gaat om hoge tonen).
De afstand (s) die het geluid in een stof aflegt, kun je berekenen met de volgende
formule:
s=v•t
Grootheid
afstand
snelheid
tijd
Symbool
s
v
t
Eenheid
meter
meter per seconde
seconde
Symbool
m
m/s
s
In lucht is de voortplantingssnelheid ongeveer 340 m/s. In water gaat geluid
een stuk sneller, daar plant het zich voort met een snelheid van ongeveer 1500
m/s.
3
TRILLINGEN
Als je een stemvork, met daaraan een naaldje bevestigd, over een met roet
zwartgemaakte plaat trekt, dan zie je dat het naaldje een golvend spoor achterlaat.
Met zo’n golf geven wij een geluidssignaal meestal weer. Met een oscilloscoop kan
een trilling zichtbaar gemaakt worden. Dit apparaat vertaalt de drukverschillen die
veroorzaakt worden door het geluid in elektrische trillingen. De oscilloscoop geeft
deze trillingen daarna op een scherm weer. In figuur 1 zie je zo’n geluidssignaal van
een zuivere toon afgebeeld. We noemen dit een sinusvorige grafiek.
Golfbeweging
trillingstijd (T)
U
I
T
W
I
J
K
I
N
G
Amplitudo
Tijd
Figuur 1, sinus-vormige grafiek
De tijd die nodig is om een hele trilling te maken noemen we de trillingstijd (T). Als
we de trillingtijd weten kunnen we de frequentie berekenen met de volgende formule:
f = 1/T
Grootheid
frequentie
trillingstijd
Symbool
f
T
Eenheid
Hertz
seconde
Symbool
Hz
s
Als een stemvork een frequentie heeft van 440 Hz, betekent dit dat de benen van de
stemvork 440 keer per seconde heen en weer gaan.
De amplitudo van de trilling is de uitwijking van de as tot aan de bovenkant van de
golf.
4
Er geldt hoe hoger de frequentie (hoe korter de trillingstijd) hoe hoger de toon.
Lage frequentie  Lage toon
Hoge frequentie  Hoge toon
Figuur 2
Figuur 3
Hoe groter de amplitudo (uitwijking) hoe luider de toon.
Hoe harder je een gitaarsnaar aanslaat, des te heviger de snaar gaat trillen. De
drukverschillen in de omringende lucht worden dan ook groter. Dat kun je ook zien
op het scherm van een oscilloscoop.
Kleine amplitude  Zachte toon
Figuur 4
Grote amplitude  Harde toon
Figuur 5
5
DE DECIBELSCHAAL
De geluidsterkte van een geluidbron wordt weergegeven op de decibelschaal. Het
apparaat waarmee je geluidsterkte kunt meten heet een decibelmeter.
Figuur 6
De decibelschaal is bijzonder. Dat merk je als je bijvoorbeeld de geluidssterkte in een
muzieklokaal meet. Als een leerling zingt, schommelt de geluidssterkte rond de 55
dB. Maar als 32 leerlingen tegelijk zingen, wordt de geluidssterkte niet 32 keer zo
groot; je meet dan een geluidssterkte van ongeveer 70 dB. Dat komt omdat de
decibelschaal aangeeft, hoe luid het geluid voor je gevoel is. En voor je gevoel wordt
het geluid niet 32 keer zo luid, als in plaats van een leerling de hele klas zingt.
Als het aantal geluidsbronnen verdubbelt, wordt de geluidssterkte dus niet twee keer
zo groot. Hoe groot de geluidssterkte wel wordt, kun je berekenen met de volgende
rekenregel:
Als het aantal geluidsbronnen twee keer zo groot wordt, neemt de
geluidssterkte met 3 dB toe.
Je kunt deze regel alleen gebruiken als alle geluidsbronnen (ongeveer) evenveel
geluid maken.
De gehoordrempel is de geluidsterkte, waarbij je geluid nog net kunt horen. Vaak
wordt gezegd dat de gehoordrempel 0 dB is. Geluid dat nog net hoorbaar is, heeft
dus een sterkte van 0 dB.
6
Wat hierboven staat, geldt alleen voor geluid in het midden van je frequentiebereik.
Dat merk je, als je voor een aantal tonen tussen 20 Hz en 20 000 Hz de
gehoordrempel bepaalt. De tonen die in het midden liggen, hebben een
gehoordrempel van ongeveer 0 dB. Maar erg hoge tonen en erg lage tonen hebben
een gehoordrempel die veel hoger ligt. Anders gezegd: je kunt erg hoge en erg lage
tonen lang niet zo goed horen als de tonen in het midden van je frequentiebereik.
Een geluid met een geluidssterkte van ongeveer 140 dB doet pijn aan je oren, we
noemen dit de pijngrens. Geluid van circa 118 decibel veroorzaakt al schade aan het
gehoor. Als je in een disco naast de luidsprekers staat, loop je kans op
gehoorbeschadiging.
Gehoordrempel
Figuur 7
RESONANTIE
Resonantie is een natuurkundig verschijnsel dat voorkomt bij trillingen. Bij resonantie
treedt een grote versterking van de trilling op, waardoor het object veel harder gaat
trillen dan men zou verwachten op grond van de sterkte van de aanstoting.
Resonantie kan optreden bij vrijwel elk bestaand object. Bij objecten met een kleine
7
interne demping, zoals bijvoorbeeld een object van metaal of glas, is resonantie
sterker dan bij een object met een grote interne demping (zoals hout).
Bij muziek instrumenten wordt vaak een klankkast of klankruimte gebruikt om het
geluid te versterken. De lucht in de klankkast van bijvoorbeeld een gitaar gaat dan
meetrillen als je de snaar aanslaat. De lucht in een hobo gaat meetrillen als je op het
rietje blaast.
Muziek instrumenten
De meeste snaarinstrumenten hebben meerdere snaren. De dikste snaren geven het
laagste geluid. De dunste snaren geven het hoogste geluid.
Een snaarinstrument wordt gestemd door de snaren de juiste spanning te geven.
Hoe hoger de spanning, des te hoger de toon. Voor het bepalen van de juiste
toonhoogte kun je een stemvork gebruiken. De a-snaar van een viool moet
bijvoorbeeld dezelfde toonhoogte hebben als een stemvork van 440Hz.
Een gitarist kan een snaar verschillende tonen laten geven. Dat doet hij door de
lengte van de snaar te veranderen. Op de hals van een gitaar zijn fretten
aangebracht. Als je een snaar tegen zo’n fret aandrukt, kan er slechts een gedeelte
van de snaar gaan trillen. Hoe korter dat gedeelte is, des te hoger de toon die je
hoort.
De toonhoogte van de snaar hangt dus af van:
de doorsnede van de snaar. Hoe dunner de snaar, des te hoger de toon.
De spanning van de snaar. Hoe groter de spanning, des te hoger de toon.
De lengte van de snaar. Hoe korter de snaar, des te hoger de toon.
Kenmerkend van een gitaar is, dat een snaar in trilling moet worden gebracht en dat
die trilling op een bepaalde manier versterkt wordt, akoestisch of elektrisch. Een
trillende gitaarsnaar trilt met meerdere frequenties tegelijk; de grondtoon en de
boventonen. De laagste frequentie waarmee een snaar kan trillen is de grondtoon.
Figuur 8
De snaar kan ook met hogere frequenties trillen: de boventonen.
1
1
Grondtoon, bijvoorbeeld
een A
Snaar met een frequentie van
110 Hz. Dit is een halve
golflengte
2
2 eerste boventoon met een
frequentie van 220 Hz (2x110)
klinkt een octaaf hoger
3
3 Tweede boventoon 330 Hz
klinkt tweeënhalf octaaf hoger
(E)
4
Derde boventoon 440 Hz
klinkt twee octaven hoger
1
2
3
4
8
Er zijn natuurlijk meer dan drie boventonen; iedere verdeling van de snaar in gelijke
stukken geeft een natuurlijke boventoon. Over het algemeen geldt dat hoe hoger de
boventoon is, hoe minder hard hij zal klinken, omdat de uitwijking minder groot is.
Deze boventonen hebben afhankelijk van de resonantie van het instrument een
bepaald volume.
Als je het geluid van een trillende gitaarsnaar zichtbaar maakt op het scherm van een
oscilloscoop dan zie je niet een eenvoudige golf zoals bij een stemvork maar een
ingewikkelder patroon een combinatie van de grondtoon met verschillende
boventonen.
Elk instrument heeft een eigen klankkleur (timbre). Een toon van 440 Hz op een
viool klinkt anders dan een toon van 440 Hz op een gitaar. Dat komt doordat de
grondtoon en boventonen door elk instrument weer in een andere verhouding
versterkt worden. De volgende grafieken horen bij tonen die even hoog en sterk zijn
(dus dezelfde frequentie en amplitude hebben), maar duidelijk verschillen van timbre:
stemvork
De trillingen kunnen ontleed worden als een opeenstapeling of 'optelling' van
sinustrillingen. Een trilling die bijvoorbeeld zo verloopt:
kan ontleed worden als een combinatie van 2 sinustonen:
In ons gehoororgaan wordt iedere trilling op deze manier geanalyseerd. De laagste
toon van het geheel (=de trilling met de grootste golf) herkennen we als de hoogte
van de toon, de andere deeltonen noemen we de boventonen.
De onderlinge frequentie- en sterkteverhoudingen tussen de 'grondtoon' en
boventonen bepalen dus de manier waarop de trilling verloopt, en derhalve het
timbre of de klankkleur van een toon.
De frequenties van de boventonen zijn veelvouden van de frequentie van hun
grondtoon, en zijn altijd dezelfde: 1 : 2 : 3 : 4 : 5 etc.; met andere woorden: grondtoon
en boventonen vormen met elkaar altijd dezelfde intervallen. Grondtoon en
boventonen worden samen natuurtonen genoemd.
9
Als je een blaasinstrument bespeelt, blaas je lucht door een spleet of over een
scherpe rand. Daardoor ontstaan geluidstrillingen met allerlei frequenties.
De lucht in de buis van het blaasinstrument zal nu mee gaan trillen. Daarbij worden
niet alle trillingen in dezelfde mate versterkt. De lucht in de buis resoneert vooral mee
met trillingen die een bepaalde frequentie hebben. Hierdoor komt het, dat je toch
duidelijk één toon hoort.
Welke frequentie het meest versterkt wordt, hangt af van de lengte van de buis: hoe
langer de buis, des te lager is de versterkte frequentie (en de toon die je hoort).
Door de buislengte te veranderen, kun je verschillende tonden op het
blaasinstrument spelen:
Bij een trombone wordt de buislengte veranderd door de buis naar buiten of naar
binnen te schuiven.
Bij een blokfluit wordt de buislengte veranderd door gaatjes in de buiswand te
openen of te sluiten.
10
ECHO
Een belangrijke eigenschap van geluid is dat het weerkaatst tegen allerlei
voorwerpen. Als er in de handen wordt geklapt nabij de bosrand of voor een
flatgebouw, horen we het geluid twee keer; het geluid dat direct vanaf de handen
naar ons toekomt, en de weerkaatsing van het geluid tegen het flatgebouw.
Als bekend is hoe snel geluid zich voortplant, kunnen we aan de hand van de
tijdstippen waarop het originele geluid en zijn echo worden waargenomen iets
zeggen over de afstanden tussen de geluidsbron, de flat en de luisteraar.
Ingewikkelder wordt het wanneer de klap in de handen weerklinkt in bijvoorbeeld een
parkeergarage. Het geluid weerkaatst nu tegen alle wanden, zuilen, vloeren en het
plafond. Maar ook weerkaatste geluiden zullen op hun beurt weer weerkaatsen zodat
een ingewikkelde nagalmstructuur ontstaat, waarbij reflecties van sommige tonen
elkaar zullen versterken, terwijl andere tonen juist worden uitgedoofd. Dit selectief
versterken en verzwakken van tonen noemen we resoneren en filteren. Het maakt
ook deel uit van wat we de 'akoestiek van een ruimte' noemen.
Tot slot het echte antwoord op de volgende vraag:
Waarom hoor je de zee ruizen als je een grote schelp tegen je oor houdt?
Omdat de schelp heimwee heeft naar de zee? Het is romantisch om dat te denken,
maar het is niet waar. Ook is het niet waar dat je het geluid van je eigen bloed hoort
dat door de aderen in je oren stroomt. Heb je niet zo gauw een schelp bij de hand?
Een limonadeglas of een koffiemok om je oor houden werkt ook heel goed. Maar niet
helemaal vastdrukken tegen je hoofd, laat een gedeelte open.
Dit is wat er echt gebeurt:
Het is net zoiets als wat er gebeurt als je door een roze bril zou kijken. Alles wordt
dan roze. De andere kleuren worden weggefilterd. Als je een groot slakkenhuis bij je
oor houdt, dan wordt er een akoestisch filter gemaakt. Dit filter "kleurt" het geluid dat
om je heen aanwezig is. En dat gefilterde geluid klinkt ongeveer net als de branding
van de zee.
Het geluid dat je hoort is dus niet echt de zee, maar een gedeelte van het normale
achtergrondgeluid om je heen. Twee belangrijke verschillen treden op, omdat het oor
voor een groot deel wordt afgeschermd door de schelp:
1. Geluiden met frequenties die niet in de buurt van de resonantie frequenties
van de schelp liggen komen niet in je oor terecht.
2. Het geluid bij de resonantiefrequenties van de schelp wordt versterkt.
Met metingen kan worden aangetoond dat bij bepaalde frequenties de geluidsdruk
met 15 dB wordt versterkt. Daardoor heb je de illusie dat er in de schelp geluid wordt
gemaakt, dat zonder die schelp niet aanwezig is.
11
VRAGEN
01. De snelheid van het geluid in lucht is afhankelijk van de temperatuur. Bij 0 ºC is
de snelheid 332 m/s, bij 20 ºC is de snelheid 0,343 km/s. Een auto toetert naar je.
Wanneer hoor je de auto eerder toeteren, in de winter of in de zomer?
02. Pietje ziet de bliksem, 5 tellen (seconden) later hoort hij de donder. Neem aan
dat de snelheid van het geluid 340 m/s is.
Hoe ver bij hem vandaan bevindt zich het onweer?
03. Je kunt een trein al van ver aan horen komen als je je oor op de rails legt (denk
aan bijvoorbeeld trein overvallers in stripboeken).
Hoe komt het dat je het geluid wel via de rails al kunt horen?
04. De geluidssnelheid in staal is 5,1 km/s. De trein is 50 km van de overvaller.
Hoe lang duurt het voordat de overvaller het geluid hoort als hij op dat moment zijn
oor op de rails legt?
05. Een walvis maakt onderwater een geluid. 1 minuut later wordt dit geluid door een
onderzeer met speciale uitrusting waargenomen.De onderzeer was op 90 km afstand
van de walvis.
Hoe snel plant het geluid zich voort in zeewater?
Leg uit:
Wat wordt bedoeld met de frequentie van een trilling?
In welke eenheid wordt frequentie gemeten?
Wat wordt bedoeld met het frequentiebereik van je gehoor?
06. Het gezoem van een mug klinkt veel hoger dan het gezoem van een bij.
Bij welk insect bewegen de vleugels per seconde het vaakst op en neer?
Bij welk insect heeft het gezoem de hoogste frequentie?
07. Als je een stemvork aanslaat hoor je een toon van 440 Hz.
Hoeveel trillingen maakt de stemvork in 1 seconde?
Bereken hoe lang 1 trilling duurt.
08. Joop hangt een voorwerp aan een veer. Hij trekt het voorwerp iets naar beneden
en laat het los. Van de trilling die dan ontstaat maakt hij met behulp van een
computerprogramma de onderstaande grafiek.
Hoe groot is de amplitude van deze trilling?
12
09. Je hebt met een stemvork over een beroete glasplaat een spoor getrokken.
Hieronder is een stukje van de glasplaat op ware grootte afgebeeld. De frequentie
van de stemvork is 80 Hz.
Hoeveel trillingen zijn er op de glasplaat te zien?
In hoeveel tijd is dit stukje golfspoor getekend?
Bereken met welke snelheid de stemvork over de glasplaat is getrokken.
10. Op een oscilloscoop worden achtereenvolgens drie tonen afgebeeld. Onder de
schermen is steeds de tijdbasis vermeld.
Welke toon is het hoogst?
Welke toon het laagst?
Lees af hoe groot de trillingstijd van elke toon is.
Bereken de frequentie van elke toon.
Vergelijk de antwoorden op a en c. Kloppen ze met elkaar?
Hokje = 2 ms (milliseconde)
Hokje = 10 ms
Hokje = 20 ms
11. John slaat op zijn gitaar twee verschillende tonen aan.
Een oscilloscoop geeft beide tonen weer. Zie figuur a en b.
De instelling van de oscilloscoop is in beide gevallen hetzelfde.
Welke toon is het hoogst?
Welke toon is het luidst?
13
12. De tijdbasis van de oscilloscoop is ingesteld op 1 milliseconde per hokje.
Hoe groot is de trillingstijd van de trilling in figuur a?
13. Roelof slaat een stemvork aan. Hij hoort dat de toon steeds zachter wordt.
Verandert de frequentie van de geluidstrilling als de toon zachter wordt? Zo ja, hoe?
Verandert de amplitudo van de geluidstrilling als, als de toon zachter wordt? Zo ja,
hoe?
14. Een agente controleert of een bromfietsmotor te veel lawaai maakt. Zij moet de
decibelmeter daarbij op 50 cm van de knalpijp houden.
Leg uit, waarom de geluidssterkte altijd op een vaste afstand van de geluidsbron
moet worden gemeten.
Wat zal er fout gaan als de afstand tussen de decibelmeter en de knalpijp groter is
dan 50 cm?
Wat zal er fout gaan als die afstand kleiner is dan 50 cm?
15. Karel laat de motor van zijn brommer draaien. Op 5 meter is de geluidssterkte 84
dB.
Karel krijgt gezelschap van 3 vrienden. Zij laten allemaal hun motors draaien.
Hoe groot is de geluidssterkte op 5 meter afstand van de 4 brommers.
2 vrienden rijden weg.
Hoe groot is de geluidsterkte nu nog op 5 meter afstand?
Op één meter afstand is de geluidssterkte van een grotere motor ongeveer 100 dB.
Bereken hoeveel motoren met draaiende motors op een meter afstand van jou
moeten staan, wil je een beschadiging aan je gehoor oplopen.
14
16. Met behulp van een toongenerator wordt bij Peter een gehoortest afgenomen bij
een aantal frequenties tussen 100 Hz en 5000 Hz. Daartoe wordt op de
toongenerator een luidsprekertje aangesloten. Bij elke frequentie wordt de
geluidssterkte bepaald waarbij Peter het geluid nog net kan horen.
Bij welke frequentie hoort Peter het best?
Leg uit:
Waarom een pianostemmer een snaar die te laag klinkt, strakker aandraait.
Waarom je met een cello lagere tonen kunt maken dan met een viool.
Waarom je met een basgitaar lagere tonen kunt maken dan met een gewone gitaar.
17. Een violist slaat een stemvork van 440 Hz aan. Daarna zet hij de onderkant van
de stemvork op de klankkast van zijn viool. Daardoor gaat één van de snaren
meetrillen.
Welke snaar zal gaan meetrillen?
Hoe heet dit verschijnsel?
18. Twee snaren zijn even lang. Toch klinkt de ene snaar lager dan de andere.
Schrijf twee mogelijke oorzaken op.
19. Een muzikant speelt op een schuiftrombone.
Hoe verandert de toonhoogte van het geluid :
Als hij de buis van zich af schuift?
Als hij de buis naar zich toeschuift?
20 . Je schreeuwt in een echo put: Wat eet de koning van Beieren? 1,8 seconden
later hoor je het antwoord.
Hoe diep was de echoput?
21. Een schip gebruikt ultrasoon geluid om de diepte van de zee te bepalen. Tussen
het uitzenden van het geluid en het ontvangen van de echo verloopt 0,4 seconden.
Bereken hoe diep de zee is.
15