Signaal-ruisverhouding

Als wij het geluid van een bepaalde bron (spraak of muziek bijvoorbeeld) waarnemen, is er eigenlijk altijd sprake van achtergrondruis; een bron in absolute stilte bestaat niet. De signaal-ruisverhouding SR is het verschil tussen het geluid(druk)niveau van het "gewenste" geluid L_gew en het geluid(druk)niveau van de stoorbron L_ruis. In formulevorm [[1]] wordt dat geschreven als:

                                                (1)

In de praktijk worden SR-waarden van 15 dB en hoger voor spraak “excellent” genoemd. Spraak is nog redelijk te verstaan bij SR = 0 dB, maar wordt vrijwel onverstaanbaar bij SR = - 6 dB. Echter, bij muziekopnamen zijn dit soort waarden absoluut onvoldoende. Dan worden SR-waarden boven 60 dB nagestreefd.

 

Formule (1) mag de simpelste formule uit de akoestiek worden genoemd. Dat betekent echter nog niet dat de waarden van L_gew en L_ruis makkelijk te bepalen zijn. Stel bijvoorbeeld dat we in een restaurant een gewenste spreker proberen te verstaan tegen een achtergrond van andere sprekers. In een druk restaurant is het ruisniveau meestal aardig constant en een meting van L_ruis met een geluidmeter kan dan vrij simpel door de gewenste spreker even te laten zwijgen. Dan nog is het geluidniveau een momentopname, want in de loop van de avond tijd zal het aantal gasten variëren. Maar hoe bepalen we eigenlijk L_gew? We zouden de spreker kunnen vragen om nogmaals te spreken in een leeg restaurant, maar de spreker spreekt dan ongetwijfeld zachter en de akoestische absorptie van de ruimte zal afnemen bij afwezigheid van de andere gasten. Bovendien fluctueert het geluidniveau van de spreker sowieso doordat klemtonen worden afgewisseld door zachte zinsdelen.

Een ander voorbeeld is een leerkracht die lesgeeft in de buurt van een vliegveld waar regelmatig vliegtuigen overkomen. Het is lastig om bij fluctuerend geluid het ruisniveau te karakteriseren, maar bovendien valt te verwachten dat de leerkracht zijn of haar geluidniveau bij iedere vliegtuigpassage zal verhogen, juist om een afnemende SR-waarde te compenseren.

 

Het is de bedoeling om in dit site-deel de invloed uit te leggen van de akoestische eigenschappen van een ruimte op de signaal-ruisverhouding, maar daartoe zal eerst de bepaling van de geluidniveaus aan de orde moeten komen. De nadruk valt daarbij steeds op spraak, maar veel van de beweringen kunnen direct worden vertaald naar andere geluidbronnen.

 

Variërende geluidniveaus van spraak

Geluid fluctueert altijd in amplitude [[2]], hetgeen betekent dat er altijd een soort middeling moet worden uitgevoerd [[3]]. In geluidmeters is veelal een middeling van ongeveer 0.1 s (stand “fast”) of 0.5 s (stand “slow”) ingebouwd. Echter, langs een autoweg variëren de niveaus ten gevolge van afzonderlijk passerende auto’s en de verkeersintensiteit varieert. Daarom wordt in de Wet geluidhinder een soort middeling over een geheel etmaal gekozen. Rond vliegvelden wordt zelfs gemiddeld over een heel jaar; dan kan bijvoorbeeld op Schiphol in november het jaarrantsoen op zijn [[4]].

 

Figuur 1 toont de geluiddruk van een zin van bijna 5 s die is gesproken in een zeer stille ruimte. Ruis is dan onhoorbaar [[5]].

 

Figuur 1:  Een voorbeeld van de geluiddruk van spraak. Alleen de modulaties zijn op deze tijdschaal te zien. De tonale fijnstructuur is onzichtbaar. Zie voor meer uitleg het site-deel met Geluidfragmenten.

 

Het is in de akoestiek gebruikelijk om aan de sterkte van het geluid een logaritmische maat toe te kennen. In figuur 2 staat het resultaat van een behandeling van het signaal uit figuur 1. Het geluid is bovendien A-gewogen om rekening te houden met de oorgevoeligheidscurve.

 

Figuur 2:  De geluidniveaus in dB na bewerking van het het signaal uit figuur 1. De fijnstructuur is nu geheel verdwenen.

 

Het geluidniveau in figuur 2 volgt de fluctuaties van figuur 1 vrij nauwkeurig omdat de gekozen middelingstijd slechts 0.02 s bedraagt. Als we echter één getal aan de geluidsterkte willen toekennen is figuur 2 niet zo geschikt. Figuur 3 geeft twee alternatieven.

Figuur 3:  Een voorbeeld van het geluiddrukniveau van spraak.

 

Figuur 3 is opnieuw verkregen uit het signaal van figuur 1. De zwarte lijn is gevonden door een middelingstijd van 0.25 s te kiezen. De fluctuaties zijn veel geringer dan in figuur 2, maar het signaal is eigenlijk onherkenbaar. Middeling van het signaal over de gehele periode van bijna vijf seconde leidt tot het blauwe signaal. Alle detail is verdwenen, maar er is nu wel één getal ontstaan (van 56 dB(A)) dat een goede indruk geeft van de “gebruikelijke” spraak.

Het gemiddelde geluidniveau van spraak is redelijk vast te leggen. De waarde van ca. 56 dB(A) vinden we vaak op 1 m afstand in de dode kamer voor normale spraak, al zijn er uiteraard verschillen tussen sprekers onderling. Bovendien kan iemand spreken met “stemverheffing”, iemand kan “luid” spreken of zelfs “schreeuwen. Het is gebruikelijk om daarbij uit te gaan van stappen van 6 dB(A), waardoor de waarden uit tabel 1 kunnen worden aangehouden.

 

Tabel 1:  De geluidniveaus in dB(A), gemeten op 1 m recht voor de mond in een dode kamer. Ontleend aan het handboek lawaaibeheersing [[6]].

 

Ontspannen [7]	54
Normaal	60
Stemverheffing	66
Luid	72
Zeer Luid	78
Schreeuwen	84
Maximaal Schreeuwen	90

 

 

Stoorniveaus

Ondanks de fluctuaties zijn de gebruikelijke geluidniveaus van spraak vrij goed gedefinieerd. Voor achtergrondlawaai varieert dat sterk per situatie. Het achtergrondniveau in een stil kantoor bedraagt 30 dB(A); enige activiteit (geschuifel van voeten, geblader in papieren) en een licht ruisende computer veroorzaken ongeveer 40 dB(A). Het ruisniveaus in een restaurant kan sterk variëren doordat het aantal aanwezigen varieert, maar ook de aankleding van de ruimte kan een grote rol spelen. Enig geroezemoes leidt al snel tot een geluidniveau van 50 dB(A). Het maximum ligt bij ca. 80 dB(A), tenzij ook nog luide muziek wordt gespeeld [[8]]. Een spreker van 56 dB(A) is in een rustig restaurant dus goed te verstaan; een signaal-ruisverhouding van 6 dB(A) is voor dergelijke situaties goed genoeg [[9]]. In het lawaaiige restaurant zal de spreker zijn/haar stem moeten verheffen en/of de toehoorder veel dichter moeten naderen. Een waarde van 56 dB(A) op 1 m komt overeen met 76 dB(A) op 10 cm. In het lawaaiigste restaurant is de signaal-ruisverhouding dus negatief en de spreker krijgt de neiging om (veel) luider te gaan praten. Echt schreeuwen in elkaars oren is meestal pas nodig indien er ook muziek wordt gemaakt.

 

De invloed van de absorptie in een ruimte

In een eerder hoofdstuk is al uitgelegd dat de geluidabsorptie van een ruimte invloed heeft op het geluidniveau. Daartoe werden vier situaties vergeleken die in tabel 2 worden herhaald.

 

Tabel 2: De amplitude van spraak als functie van de tijd. De spreker bevindt zich in de dode kamer (situaties A en B) of in de nagalmkamer (C en D), telkens op 1 m van de mikrofoon (A en C) of op 5 m (B en D).

KOPIE uit het site-deel Geluidfragmenten. De eigenlijke geluidfragmenten zijn hier weggelaten.

 

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

 

Het voorbeeld geeft viermaal dezelfde spreker en laat zien dat in de dode kamer de invloed van de afstand veel groter is. Stel nu dat een gewenste spreker op 1 m staat van de toehoorder en dat zich op 5 m een stoorspreker bevindt met hetzelfde geluidniveau (figuur 4). Dan blijkt uit tabel 2 dat de invloed van de stoorspreker in de galmkamer veel storender is. Het verschil in geluidniveau tussen voorbeelden C en D is veel kleiner dan tussen C en D. De signaal-ruisverhouding is daarom beter in een ruimte met veel geluidabsorptie.

 

 

Figuur 4:  Een voorbeeld van een "gewenste" spreker op 1 m en één stoorspreker op 5 m.

 

Om het effect hoorbaar te maken zijn twee geluidfragmenten toegevoegd. Het is dit keer aan te bevelen om eerst het fragment uit de galmkamer te beluisteren [[10]].

 

nagalmkamer spreker op 1 m radio op 5 m	… Muziek …………………….   “Ik sta hier in de nagalmkamer op 1 m afstand van de mikrofoon. Op 5 meter afstand van de mikrofoon bevindt zich een spelend radiootje. Kunt U mij nog verstaan?”   … Muziek …………………….
dode kamer spreker op 1 m radio op 5 m	… Muziek ……………………   “We bevinden ons in de dode kamer. Op 5 meter afstand van de mikrofoon staat een spelende radio; zelf sta ik op 1 m van de mikrofoon. U merkt wel dat de radio hier minder hinderlijk is dan in de nagalmkamer.   … Muziek ……………………

 

 

Het voorbeeld kan rechtstreeks worden vertaald naar bijvoorbeeld een restaurant. De gewenste spreker zal zich vaak rond of binnen 1 m bevinden. De sterkte van dat gewenste geluid wordt niet of nauwelijks beïnvloed door de absorptie van de ruimte. De meeste (of alle) sprekers bevinden zich op grotere afstand, zodat toevoeging van absorptie hun geluidniveau omlaag brengt. De signaal-ruisverhouding verbetert daadoor.

 

De hoeveelheid absorptie en het Lombardeffect

Voor een berekening van de benodigde hoeveelheid absorptie in een ruimte zij verwezen naar andere delen van deze site (onder andere naar een simpel rekenvoorbeeld). We komen er bovendien op terug in het deel dat handelt over de toepassing in de architectonische praktijk.

De theoretische formules voorspellen een afname van ongeveer 3 dB bij een verdubbeling van de hoeveelheid absorptie in een ruimte. Dat betekent dat in een zeer galmende ruimte makkelijk winst te behalen is. Een slechte situatie met een gemiddelde absorptiecoëfficiënt van 5% is simpel te verbeteren door een verdubbeling naar 10%. De volgende stap naar 20% is technisch ook goed te maken; de daaropvolgende stap naar 40% vereist tamelijk halsbrekende toeren.