TULogo
Inleiding
A. Spreken en horen
B. Theorie
B.1 Stralenmodel
B.2 Invoed geluidabsorptie
B.3 Geluidabsorberende materialen
B.4 Absorptie in tabelvorm
B.5 Veel absorptie ?
B.6 Nagalm Niveau Spraak
B.7 Geluidverstrooiing
B.8 Geluidfragmenten
B.9 Invloed volume
B.10 Afstand bron-waarnemer
B.11 Vorm van de ruimte
B.12 Positionering van absorptiemateriaal
B.13 Plafondhoogte
B.14 Wanden in een sportzaal
B.15 GR: het atrium met omgeving
B.16 Geluidvoorbeelden atrium
B.17 GR: scherm en scheidingswand
B.21 Signaal en ruis
B.22 Maten spraakverstaanbaarheid
B.23 Spreekzalen
B.24 Meerdere sprekers
B.25 Berekeningen met DS (direct-stoorverhouding)
B.26 Lombardeffect, geluidniveau
B.27 Meerdere sprekers in atrium
B.31 Muziekzaal, theorie
C. Absorptievoorbeelden
D. Ontwerpregels
E. PDF's
F. Artikelen
G. Colofon

Spreekzalen, van huiskamer tot kathedraal

 
 

1.    Drie typen van ruimtes voor spraak

In het voorafgaande deel B.22 en de subpagina's B.22.1 t/m B.22.3 zijn een aantal indices behandeld voor spraakverstaanbaarheid. Daarbij is uitgelegd dat de spraakverstaanbaarheid rust op drie pijlers: het spraakvermogen van een spreker, de hoeveelheid galm in de ruimte en de hoeveelheid ruis (het stoorlawaai). Daarom zijn er eigenlijk maar drie typen ruimten:

1.   In de ruimte bevindt zich een spreker gestoord door veel ruis. Iemand moet bijvoorbeeld worden verstaan in een fabriekshal met stampende machines. De galm van de spreker is te verwaarlozen ten opzichte van het lawaai van de machines. Toch dient de galm in de ruimte te worden bestreden met veel absorptiemateriaal. Dit beperkt nl. niet alleen de galm (die hier dus niet stoort) maar verlaagt ook het uiteindelijke geluidniveau van de stampende machines.

2.   Een spreker bevindt zich in een ruimte met veel andere sprekers. Weer doet de eigen galm van de spreker niet ter zake en weer helpt toevoeging van absorptiemateriaal wel degelijk om het geluidniveau van de overige sprekers omlaag te brengen. Eigenlijk is dit type 2 dus sterk verwant aan een ruimte van type 1, maar als we veronderstellen dat alle sprekers even luid spreken is er aan een ruimte van type 2 veel eenvoudiger te rekenen dan aan een ruimte van het eerste type [[1]].

3.   Een spreker dient te worden gehoord door alle toehoorders in een ruimte. Daarbij kan de nagalm van die spreker de spraakverstaanbaarheid storen, maar verder wordt gepoogd om alle ruis van ventilatiesystemen, verkeersgeluid door de gevel, gefluister, gestommel, enz. zoveel mogelijk te beperken.

Het derde type zullen we een "spreekzaal" noemen. Dat begint dus eigenlijk al bij een huiskamer waar een spreker moet worden verstaan of een radio of TV, maar meestal wordt een klaslokaal als kleinste eenheid beschouwt. Aan de andere zijde van het spectrum bevindt zich een grote zaal in een conferentiecentrum of een grote kerk. Strikt genomen vallen ook theaterzalen onder de definitie, maar een toneel met toneeltoren vereist een specifieke aanpak, waarvoor een architect altijd een akoestisch adviseur zal moeten inschakelen.

 

Het gaat in een spreekzaal dus allereerst om de bestrijding van hinderlijke galm, maar het lukt anderzijds in spreekzalen nooit helemaal om ruis uit te schakelen; men moet toch ook adem halen. Het toevoegen van extra absorptie verlaagt dan zowel de galm als de ruis. Dat kan anderzijds weer niet ongelimiteerd, een teveel aan absorptiemateriaal kan wel degelijk tot overdrijving (zgn. "overdemping") leiden [[2]].

 

2.    Normgetallen voor spreekzalen uit de literatuur

2.1    Maximale of optimale spraakverstaanbaarheid

In de voorgaande webpagina zijn een aantal maten voor spraakverstaanbaarheid aan de orde gekomen. Thans zal worden gepoogd om die toe te passen in een spreekzaal zodat er architectonische ontwerpregels aan kunnen worden ontleend. Dus: hoe moet een spreekzaal worden vormgegeven zodat een optimale spraakverstaanbaarheid ontstaat. Er staat in de voorgaande zin "optimaal" en niet "maximaal". In de praktijk is een maximale spraakverstaanbaarheid soms alleen bereikbaar met onrealistische technische ingrepen. Dan wordt het "maximum" gevonden als alle wanden (inclusief de vloer) volledig absorberend zijn. Dat kan uit architectonisch oogpunt ongewenst en onbetaalbaar zijn zodat een "optimum" moet worden gevonden tussen spraakverstaanbaarheid en architectuur.

 

2.2    De (onjuiste) relatie tussen nagalmtijd en zaalvolume

In allerlei handboeken kan men aanbevolen nagalmtijden vinden die oplopen met een toenemend zaalvolume. Het gebruik van de nagalmtijd valt te billijken. Alle spraakverstaanbaarheidsmaten uit de voorgaande delen zijn sterk afhankelijk van de nagalmtijd en een simpel meetbare grootheid als de nagalmtijd kan dan als criterium dienen. Echter, het oplopen van de "optimale" nagalmtijd met het volume is strijdig met de waarneming. Laten we eens twee voorbeelden nader bekijken.

1.   Veronderstel een schoollokaal van 8 × 6 × 3 m3. Veronderstel ook dat die ruimte een bepaalde gemiddelde absorptiecoëfficiënt heeft die er voor zorgt dat de nagalmtijd gelijk is aan 0.4 s, zodat de spraakverstaanbaarheid op de meeste plaatsen in het lokaal "uitstekend" kan worden genoemd.
Stel nu dat een architect op het idee komt om de ruimte tweemaal zo hoog te maken: 8 × 6 × 6 m3. De nagalmtijd stijgt dan bijvoorbeeld naar 0.6 s en de spraakverstaanbaarheid zal hoorbaar verslechteren. Toch krijgt de architect gelijk van de handboeken: de aanbevolen nagalmtijd stijgt met het volume en het plafond kan maar beter zo hoog mogelijk worden gekozen

2.   In het tweede voorbeeld wordt voornoemd schoollokaal van 8 × 6 × 3 m3 opgeschaald naar een kerk van 32 × 24 × 12 m3. De nagalmtijd stijgt volgens Sabine van 0.4 naar 1.6 s. Ook hier leert de ervaring dat de spraakverstaanbaarheid behoorlijk achteruit gaat, maar weer zeggen de formules dat de ideale nagalmtijd stijgt.

 

Waarom beweren de handboeken dan dat de ideale nagalmtijd oploopt met het volume? We zien hier een contradictie tussen een "ideale" nagalmtijd en een "mogelijke" nagalmtijd. Een nagalmtijd van 0.4 s levert een betere spraakverstaanbaarheid dan een nagalmtijd van 1.6 s, zowel in de schoolklas als in de kerk. Maar een nagalmtijd van 0.4 s in de kerk van 32 × 24 × 12 m3 is alleen mogelijk in een ruimte waarvan plafond, vloer en alle wanden zijn voorzien van zeer sterk absorptiemateriaal. Als men dat niet wil zal een compromis moeten worden gezocht tussen het architectonisch beeld en de spraakverstaanbaarheid, maar eigenlijk worden dus oorzaak en gevolg verwisseld als men de "ideale" nagalmtijd laat toenemen met het volume.

 

2.3    Dan liever de nagalmtijd in relatie tot het vloeroppervlak

Om in het eerste voorbeeld een constante spraakverstaanbaarheid te bereiken kan de "optimale" nagalmtijd beter worden gekoppeld aan het vloeroppervlak van de ruimte. Dat ligt ook veel meer voor de hand uit architectonisch oogpunt. Immers, een spreekzaal wordt meestal ontworpen voor een aantal toehoorders. De hoogte van de zaal is een afgeleide grootheid die wordt bepaald door bijvoorbeeld de projectiewensen, ventilatie-eisen, enz. De ideale nagalmtijd, en daarmee de spraakverstaanbaarheid, dienen constant te blijven als het plafond wordt opgehoogd, hetgeen automatisch leidt tot een afhankelijkheid van het vloeroppervlak. 

Het constant houden van de nagalmtijd is nog lastig genoeg, want de nagalmtijd stijgt als het plafond wordt opgehoogd en de gemiddelde absorptiecoëfficiënt gelijk blijft. Andersom geredeneerd: om een constante nagalmtijd te bereiken bij oplopende verdiepingshoogte moet de gemiddelde absorptiecoëfficiënt worden opgevoerd. Dat kan dus alleen als de bovenzijden van de wanden rijkelijk beplakt zijn met absorptiemateriaal

 

Het tweede probleem uit de voorgaande pagina wordt niet automatisch opgelost indien het vloeroppervlak van de ruimte als uitgangspunt wordt genomen. Het blijft onvermijdelijk dat er concessies worden gedaan aan de spraakverstaanbaarheid als het vloeroppervlak wordt vergroot. Maar in zijn algemeenheid geldt dat een compacte en relatief lage zaal altijd de voorkeur verdient voor spraak.

 

3.    De "optimale" zaal volgens deze site

3.1    De nagalmtijd als norm

In de theoriepagina B.23.2 wordt figuur1 afgeleid. Die geeft, als blauwe rechte lijn, de "optimale" nagalmtijd als functie van het vloeroppervlak van de ruimte, variërend van een spreekkamer tot een grote zaal in een conferentiecentrum [[3]]. De berekening is telkens gemaakt voor een van de achterste rijen in de zaal en geven daarom een ongunstige situatie; midden in de zaal en op de voorste rijen gaat het beter. Er wordt verondersteld dat de spreker zijn/haar toehoorders aankijkt. Dat helpt nog een beetje omdat het menselijke hoofd naar voren meer geluid produceert dan naar de achteren [[4]].

 

Figuur 1:  De maximale nagalmtijd die, als functie van het vloeroppervlak, is toegestaan om de grenzen U50 = 1.5 dB (in oranje) te bereiken, dan wel U50 = 6.5 dB (in groen). De blauwe lijn geeft een compromis tussen de spraakverstaanbaarheid en de technische realiseerbaarheid van een ruimte.

Er is gerekend met relatief lage zalen; de richtingscoëfficiënt Q is gelijk aan 2.5. De zaal is vrij van ruis.

NB: de figuur is net wat anders dan de figuur uit B.23.3; daar is gerekend met een spreker die in alle richtingen even sterk straalt, dus Q = 1.0.

 

In de figuur zijn ook de lijnen aangegeven waar de waarde van U50 gelijk is aan 1.5 en 6.5 dB (in oranje en groene stippen). Dat zijn (zoals uiteengezet in de voorgaande webpagina B.22) de grenzen tussen "redelijke" en "goede" spraakverstaanbaarheid (bij 1.5 dB) of tussen "goede" en "uitstekende" spraakverstaanbaarheid (bij 6.5 dB). De drie gebieden zijn in de figuur als zodanig aangegeven.

Zoals in figuur 1 valt te zien lopen de grenzen tussen "goed" en "uitstekend" wat op met toenemend vloeroppervlak. De nagalm wordt langer bij toenemend ruimtevolume, maar de energie van de nagalm neemt af (zie het theoriedeel). Dat betekent dat de verhouding tussen direct geluid en nagalm verschuift in het voordeel van het direct waardoor de spraakverstaanbaarheid wat beter wordt.

 

De blauwe lijn geeft de "optimale" curve die in de theoriepagina's is afgeleid. Het is een compromis tussen ideale spraakverstaanbaarheid en technische haalbaarheid. Uit de figuur blijkt dat onder normale omstandigheden een uitstekende spraakverstaanbaarheid achter in een zaal alleen te bereiken is voor zalen kleiner dan 60 m2. Een uitgekiend ontwerp kan er echter altijd voor zorgen dat de spraakverstaanbaarheid minimaal "goed" kan worden genoemd.

De curve geldt bij volle bezetting, dus inclusief het publiek in de zaal. Dat zorgt vaak voor een aanzienlijke bijdrage tot de totale absorptie en de nagalmtijd in een volle zaal is altijd lager dan in een lege zaal. In concertzalen wordt een lage publieksbezetting opgevangen door sterk absorberende stoelen te gebruiken. In een grote kerk dragen houten kerkbanken nauwelijks bij aan de absorptie; de toepassing van gestoffeerde stoelen kan dan (juist in sterk galmende ruimten) geweldig helpen.

 

3.2    Het schoollokaal

De blauwe curve uit figuur 1 is afgeleid in de onderliggende theorie-pagina B.23.2. Daar vindt ook een toetsing plaats aan de algemene curve van Knudsen en Harris. Die curve loopt veel vlakker en loopt van ca. 0.8 s voor kleine zalen naar 1.0 s voor grote zalen. Het grootste bezwaar tegen die curve ligt bij de kleine zalen: een nagalmtijd van 0.8 s voor een schoollokaal van 50 m2 is volstrekt onvoldoende. We hopen dat in pagina B.23.1 over het schoollokaal aan te tonen.

De hoge aanname van Knudsen en Harris bij kleine zalen is bovendien onnodig. De blauwe lijn uit figuur 1 veronderstelt dat de gemiddelde absorptiecoëfficiënt vrijwel constant is voor alle vloeroppervlakken en dat betekent weer dat de architectonische problemen ook min of meer gelijk blijven. Misschien veronderstellen Knudsen en Harris een nagalmtijd in een lege zaal; ze zijn daar niet expliciet over. De blauwe lijn uit figuur 1 geldt voor een lokaal inclusief leerlingen en aankleding met kasten e.d. Een leeg lokaal heeft dan een nagalmtijd in de orde van 0.6 tot 0.7 s.

Een wat hogere nagalmtijd dan 0.4 s is ook wel te tolereren in een zaaltje dat niet doorlopend voor onderwijs wordt gebruikt, dus waar spreker en toehoorders zich slechts af en toe bevinden. In de blauwe lijn is echter expliciet gestreefd naar incorporatie van het schoollokaal om misverstanden te voorkomen. En nogmaals: het leidt niet tot onoverkomelijke technische problemen.

 

4.    Spraak in ruis

4.1    Maar waarom verstaan we zo weinig achter in een grote zaal?

Indien een zaal voldoet aan de optimale blauwe lijn uit figuur 1, wordt een "goede" spraakverstaanbaarheid voorspeld achterin een zaal met 2000 m2 vloeroppervlak. Dat is strijdig met onze ervaring; in zo'n zaal verstaan we meestal niets van iemand die iets staat te vertellen. Dat komt doordat er teveel ruis is van de andere aanwezigen en doordat het geluidniveau van de spraak zo laag is dat we de gehoordrempel beginnen te naderen, met name bij oudere mensen. Maar iemand met goede oren kan achterin een lege, goed gedempte zaal (en dan 's nachts met nauwelijks ruis) een spreker meestal wel degelijk verstaan.

 

De remedie tegen het probleem is eenvoudig: de spreker dient zijn/haar stem te verheffen. Dat staat gegeven in figuur 2. De oranje en groene stippellijnen geven (net als in figuur 1) de grenzen tussen redelijke, goede en uitstekende spraakverstaanbaarheid. Die curven zijn afhankelijk van het spraakvermogen dat door de spreker wordt geleverd. Het vermogenniveau varieert van 55 dB tot 80 dB. Om die waarden in perspectief te plaatsen zijn ze aangeduid met de termen "normal", "enhanced" en "loud" zoals omschreven in de ANSI-norm. Daar hebben wij zelf "conversatie"-sterkte aan toegevoegd zoals gemeten in de dode kamer [[5]].  Er zijn twee ruisniveaus; 40 dB (links) wordt gevonden in een zaal met stil luisterende toehoorders; in een rustig werkende schoolklas ligt de ruis meestal 5 dB hoger (rechter figuur).

 

Figuur 2:  Het minimale spraakvermogen dat nodig is om goede, dan wel uitstekende spraakverstaanbaarheid te bereiken. Links is het ruisniveau gelijk aan 40 dB, rechts heerst 45 dB. De waarde van Q is gelijk aan 2.5.

 

Een leerkracht in een schoollokaal van 50 m2 kan achterin het lokaal nét het gebied met "uitstekende" spraakverstaanbaarheid bereiken, maar dient daartoe de stem te verheffen (bij 40 dB ruis in de linker figuur) of luid te praten bij 45 dB ruis. Een "goede" spraakverstaanbaarheid is al op conversatiesterkte te bereiken (links) of bij een lichte stemverheffing (rechts).

Echter, in een grotere zaal neemt het benodigde vermogen drastisch toe. Een spreker voor een zaal van 500 m2 zal "luid" moeten praten. Zoals we weten uit de praktijk lukt dat sommige sprekers wel, maar anderen niet. De spreiding tussen sprekers is nl. behoorlijk groot.

 

4.2    Spraakversterking

Om te voorkomen dat sprekers in een grote zaal hun stem kapot praten wordt in grote zalen elektronische spraakversterking toegepast. Alle voorgaande curven blijven onverkort van kracht als de luidspreker als bron wordt beschouwd. Maar er is een bijkomend voordeel: de luidsprekers in de zaal kunnen op handige plaatsen worden opgehangen en op het publiek worden gericht. In webpagina D.5 staan wat voorbeelden; in de onderliggende pagina B.23.4 wordt dieper op dit onderwerp ingegaan.

 

5.    De taak van de architect

In de voorgaande paragrafen is een paar maal geschreven over de "technische problemen voor de architect" zonder duidelijk te specificeren wat daarmee wordt bedoeld. Enige verduidelijking is dus gewenst.

Onze stelling is simpel: de problemen voor de architect nemen toe als de gemiddelde absorptiecoëfficiënt toeneemt. De keuzevrijheid van materialen wordt beperkt en bovendien stijgen de kosten. Het laatste aspect valt meestal wel mee [[6]], maar een absorberend plafond is nu eenmaal duurder dan een onbehandelde betonconstructie. We gaan er dus bijvoorbeeld vanuit dat een grote ruimte met een absorptiecoëfficiënt van 35% net zoveel akoestisch-architectonische moeite kost als een schoollokaal met 35%.

 

Echter, de optimale curve uit figuur 1 geeft de nagalmtijd en niet de gemiddelde absorptiecoëfficiënt, zodat er nog een vertaalslag noodzakelijk is. Die vertaling geschiedt hier met Sabines nagalmtijdformule toegepast op rechthoekige ruimten. Maar de ideaalcurve wordt gegeven als functie van het vloeroppervlak, zodat de verdiepingshoogte moet worden geïntroduceerd en dan blijken hoge zalen sterk in het nadeel.

De onderliggende berekeningen worden hier niet gegeven, daartoe zij verwezen naar webpagina B.23.2. Daar wordt ook uitgelegd dat er wordt gerekend met verschillende verdiepingshoogten. Zij worden hier herhaald in figuur 3. De waarden zijn simpelweg geschat en in numerieke vorm toegepast in de berekeningen. Er ligt zeker geen diepgaand morfologisch onderzoek aan ten grondslag.

Figuur 3:  De verdiepingshoogte zoals aangenomen bij de berekeningen van webpagina B.23.2.

 

Figuur 4:  De gemiddelde absorptiecoëfficiënt berekend uit de optimale curve van figuur 1. De hoge en lage ruimten volgen de curves uit figuur 3.

 

Figuur 4 geeft vervolgens de berekening van de gemiddelde absorptiecoëfficiënt uit de optimale curve (de blauwe lijn) uit figuur 1. Dan blijkt dat lage spreekzalen verre in het voordeel zijn; de hoeveelheid absorberend materiaal is er veel geringer dan in hoge ruimten. Waarden tussen 30 en 40% vereisen zeker denkwerk van de architect, maar het is zeer wel te doen. Absorptiecoëfficiënten in de orde van 60 tot 70% zijn in de praktijk alleen met een uiterste inspanning te halen.

 

6.    Conclusies voor de praktijk

Het blijkt zeker mogelijk om in een spreekzaal een "goede" spraakverstaanbaarheid te bereiken. Echter, een "uitstekende" spraakverstaanbaarheid is alleen mogelijk in een kleinere ruimte, globaal onder 100 m2 vloeroppervlak. De uitspraak geldt voor de achterste rijen; in het midden van de zaal en vooraan is een "uitstekende" spraakverstaanbaarheid veel eenvoudiger te verwezenlijken.

 

Vergroting van de verdiepingshoogte doet de nagalmtijd stijgen, waardoor de spraakverstaanbaarheid daalt. De nagalmtijd in een hoge zaal kan dan weer worden verlaagd door (veel) extra absorptiemateriaal op de wanden aan te brengen. Dat is vaak zonde van het werk en het geld, zodat spreekzalen maar beter compact kunnen worden gehouden.

 

In kleinere zalen is de uitstekende spraakverstaanbaarheid te halen bij een lichte verheffing van de stem; voorwaarde is dat het publiek rustig luistert. Een verhoging van de ruis van het publiek maakt ook altijd een verhoging van het vermogen van de spreker noodzakelijk. In grotere zalen moet een spreker dusdanig luid spreken dat de meeste sprekers baat hebben bij elektronische versterking.

 

Een compacte zaal is goed voor de spraakverstaanbaarheid. Helaas geldt dat niet voor muziekzalen; die doen het juist beter bij grotere volumes en langere nagalmtijden. De multi-purpose-zaal voor zowel spraak als muziek bestaat eigenlijk niet; er moet daar altijd een compromis worden gezocht.

 

 

 


[1]     Eigenlijk is de voorwaarde dat de gewenste spreker een spraakvermogen produceert dat gelijk is aan het gemiddelde spraakvermogen van alle andere sprekers in de ruimte.

[2]     In een klaslokaal kan de nagalmtijd te kort worden bij nagalmtijden kleiner dan 0.3 tot 0.4 s. Zolang het overgrote deel van de klaslokalen lijdt aan een te lange nagalmtijd is dit echter een "luxeprobleem", dat we overigens wel degelijk zullen behandelen in de theoriepagina's.

[3]     Op een vloer van 2000 m2 passen, inclusief toneel en gangpaden ruim 2000 toehoorders.

[4]     Dat is in een schoolklas een gevaarlijke aanname. Een leerkracht draait zich regelmatig om en bovendien fungeren ook vaak de leerlingen als sprekers.

[5]     In pagina B.21 en B.21.1 wordt dit nader uitgelegd.

[6]     Zeker als er vanaf het allereerste ontwerpstadium over is nagedacht.