Samenvatting akoestische maatregelen in lokalen voor (lager) onderwijs

• In dit deel behandelen we schoollokalen van ca 50 m² vloeroppervlak, een waarde die in het basisonderwijs min of meer standaard is.

• Voor uitstekende spraakverstaanbaarheid is een nagalmtijd van ca. 0.6 s in een leeg lokaal (zonder kinderen, meubilair, kasten e.d) gewenst. Een waarde van 0.8 s is al aan de lange kant; de nagalmtijd van 1 s die tot voor kort in het Bouwbesluit stond, is veel te lang.

• Aangezien leerlingen en meubilair bijdragen aan de absorptie is de ideale nagalmtijd in een volle klas gelijk aan 0.4 s.

• De absorptie kan ook te hoog worden omdat het geluidniveau van het "vroege" geluid te laag wordt in verhouding tot de altijd aanwezige ruis in het lokaal. Waarden lager dan 0.35 s dienen te worden vermeden.

• De hoeveelheid absorptie die in een lokaal moet worden aangebracht varieert ongeveer tussen minimaal 30 en maximaal 44 m². Het eerste getal is simpel te halen met een absorberend plafond waarvan de absorptiecoëfficiënt 60% bedraagt. Bij 70% wordt de ideale situatie bereikt. Dergelijke materialen zijn overal te koop.

• Er worden in dit deel alleen leslokalen behandeld uitgaande van een goede spraakverstaanbaarheid. De overige ruimten in school verdienen echter dezelfde behandeling. Absorberende gangen beperken de overdracht van gang naar lokaal en tussen lokalen onderling; andere verkeersruimten (de entreehal bijvoorbeeld) worden ook vaak voor het onderwijs gebruikt en dienen dus rijkelijk van absorptiemateriaal te worden voorzien.

 

Geluidstralen van bron naar toehoorder

In het theoriedeel van deze site is een model geïntroduceerd dat was gebaseerd op geluidstralen die via spiegeling tegen de wanden geconstrueerd worden. Figuur 1 herhaalt een figuur uit dat hoofdstuk. We nemen even aan dat een doorsnede is getekend met vloer en plafond, maar het zou evengoed een horizontale doorsnede kunnen zijn.

 

 

Figuur 1:  Drie geluidstralen van een geluidbron naar een ontvanger. In de praktijk zijn er duizenden.

 

Allereerst kan het directe geluid worden getekend. De sterkte van het direct hangt sterk af van de afstand tussen bron en ontvanger, maar wordt niet beïnvloed door de akoestische eigenschappen van de ruimte. Verder is één straal getekend die tegen de vloer reflecteert. Soortgelijke stralen tegen de wanden en het plafond zijn weggelaten om de tekening enigszins helder te houden. In totaal zijn er zes enkelvoudige reflecties tegen zes grensoppervlakken. Er is een tweede straal getekend die tweemaal reflecteert, tegen het plafond en een wand. Van deze tweevoudige reflecties zijn er 18 mogelijk. Het aantal loopt razendsnel op bij drie, vier, enz. reflecties.

Een gereflecteerde straal is altijd minder luid dan het directe geluid. Allereerst is de afgelegde afstand groter, maar een straal verliest ook nog energie bij iedere reflectie. Bij glas is het energieverlies zeer gering (maar niet helemaal nul); bij speciale geluidabsorberende materialen kan meer dan 80% van de energie verloren gaan [[1]]. Onze oren en hersenen zijn te traag om de afzonderlijke reflecties te onderscheiden. We ervaren het samenspel van stralen als nagalm.

 

Nagalm stoort de spraak

In normale spraak kunnen vijf klanken per seconde voorkomen [[2]]. Een klank van een spreker kan dus worden gestoord door de nagalm van een eerdere klank: het "late" geluid stoort de spraak. Stralen die vlak na het directe geluid arriveren, het "vroege" geluid, verbeteren de spraakverstaanbaarheid meestal wel, vooral omdat de totale vroege energie een stuk groter kan zijn dan het directe geluid. De scheiding tussen vroeg en laat geluid wordt voor spraak gesteld op 0.05 s (dus 50 ms). Omgerekend naar een afstand is dat dus 17 m, zodat in een schoollokaal enkel- en tweevoudige reflecties behulpzaam zijn bij het spraakverstaan. De spraakverstaanbaarheid staat of valt met de verhouding tussen vroege en late energie en dat is weer afhankelijk van de toepassing van akoestische materialen. Een schoollokaal zonder absorptiemateriaal is onmogelijk.

De bijdrage van de vroege energie is essentieel in een schoollokaal. Op de voorste rij in een schoollokaal [[3]] is het direct van een spreker luid genoeg, maar achter in het lokaal is het niveau van het directe geluid zo sterk gedaald, dat de vroege energie onontbeerlijk is. Figuur 2 toont een voorbeeld van een lokaal voor een basisschool indien plafond, wanden en vloer van glas, beton, stuc en linoleum zijn gemaakt. De kinderen bevinden zich dan in een galmput (gemiddelde absorptie is 8%), waarbij het merendeel van de absorptie door de kleding van de kinderen wordt geleverd.

 

 

Figuur 2:  Berekeningen in een klaslokaal van 8 × 6 × 3.25 m³. De ruimte heeft een gemiddelde absorptiecoëfficiënt van 8%; de nagalmtijd is 1.7 s; de ruimte galmt dus sterk. De grootste afstand van 10 m is een extreem geval gemeten langs de vloerdiagonaal [[4]].

Figuur 2-links: Het niveau van het directe geluid van een spreker in een schoolklas. De bijdrage van de vroege reflecties hogen het directe geluidniveau van de spraak op. Het late geluid overheerst voor een afstand groter dan 2 m.

Figuur 2-rechts. Het verschil tussen het vroege en late geluid wordt U₅₀ genoemd. Een waardeoordeel voor de spraakverstaanbaarheid staat rechts [[5]].

 

In de figuur wordt het geluidniveau (SPL) uitgezet als functie van de afstand in een lokaal. Zoals elders reeds meerdere malen is uiteengezet daalt het niveau van het directe geluid sterk met de afstand. Door reflecties is het geluidniveau van het vroege geluid achter in de klas 10 à 15 dB hoger. De figuur toont ook het niveau van het galmaandeel (laat geluid). Vanaf ca. 2 m is die bijdrage groter dan de bijdrage van het vroege geluid. De spraakverstaanbaarheid is achter in de klas op de grens van "matig" en "redelijk". Dat is  voor een klaslokaal volstrekt onvoldoende, zodat akoestische maatregelen noodzakelijk zijn.

 

Figuur 3 laat zien wat er gebeurt indien de gemiddelde absorptiecoëfficiënt wordt opgehoogd van 8% naar 20%. De totale energie van het vroege geluid daalt omdat de gereflecteerde energie afneemt. Echter, de invloed van absorptie op de late reflecties is veel groter. Bij enkelvoudige reflecties gaat enige energie verloren, maar als een straal tien of twintig maal reflecteert neemt de energie veel sterker af. Het verschil tussen de vroege en late energie (de rechter figuur) wordt dus wel degelijk gunstig beïnvloed: de spraakverstaanbaarheid stijgt (achterin de klas) naar "goed".

 

 

Figuur 3: Vergelijking van de spraakverstaanbaarheid in het lokaal van figuur 2 bij 8% en 20% gemiddelde absorptie. Het directe geluid wordt niet beïnvloed en is daarom niet getekend. De nagalmtijd daalt van 1.7 naar 0.7 s.

 

"Goed" is niet goed genoeg in een schoollokaal

De curve van 20% absorptie in figuur 3 zorgt ervoor dat de spraakverstaanbaarheid in het lokaal overal "goed" genoemd kan worden. Dat is voldoende als het lokaal wordt gebruikt als bijvoorbeeld een conferentiezaaltje, maar voor een schoolklas moeten we toch ambitieuzer zijn en de aanduiding "uitstekend" zien te bereiken. Nog meer absorberend materiaal is vereist, en figuur 4 laat zien hoeveel we nodig hebben: ca. 35%.

 

 

Figuur 4: De invloed van de toevoeging van geluidabsorberend materiaal in het klaslokaal van figuur 2.

 

Tabel 1 geeft een voorbeeld van de simpele ontwerpmethode om na te gaan of de waarde van 35% kan worden gehaald. Dat blijkt goed mogelijk indien een absorberend plafond wordt toegepast. De absorptiecoëfficiënt van 0.70 voor het plafondmateriaal is gevonden via trial and error, tot de gemiddelde waarde van 0.30 is bereikt. Dergelijke plafondmaterialen zijn te kust en te keur te koop en het wemelt dus in Nederland van goed functionerende schoollokalen.

 

Tabel 1:  Een schoollokaal van 8 × 6 × 3.25 m³ [[6]]. In een Excel-sheet is de dikgedrukte waarde net zo lang gevarieerd totdat de gemiddelde absorptiecoëfficiënt onderin de tabel op 0.35 uitkwam. Open kasten met boeken absorberen en verstrooien het geluid vaak zeer aardig. Tafels en stoelen leveren ook hun bijdrage. Ze kunnen daarom in de berekening worden betrokken. Anderzijds is het lastig om een nauwkeurig getal in de tabel in te voeren. Hier is 6 m² aangehouden. De kinderen representeren ieder 0.5 m² absorptie. Dat is net een beetje aan de hoge kant en geldt eerder voor volwassenen.

 

	oppervlak	absorptie-coëfficiënt		absorberend oppervlak
	[m2]	[-]		[m2]
vloer	48	0.05		2.4
plafond	48	0.70		33.6
lange wand glas	26	0.05		1.3
lange wand met kast	26	0.2		5.2
korte wand met bord	20	0.05		1.0
korte wand met kast	20	0.2		4.0
meubilair	(-)			6
24 kinderen	(-)			12
totaal oppervlak	187			66
Volume  [m3]			156
gemiddelde absorptiecoëfficiënt  [-]			66/187 = 0.35
nagalmtijd  [s]			0.40

 

Uit tabel 1 blijkt dat ca. 34 m² geluidabsorptie in een schoolklas [[7]] moet worden aangebracht in de vorm van speciaal geluidabsorberend materiaal. In de tabel zit dat tegen het plafond, maar vanuit akoestisch oogpunt maakt het niet uit waar dat gebeurt. Het mag dus ook op de vloer of op de wanden, maar om praktische redenen wordt meestal het plafond gekozen. Anderzijds is het vrijwel onmogelijk om 34 m² absorptie geheel op de wanden kwijt te raken en een deel zal dus altijd op het plafond moeten. Als tweede komt vooral de achterwand in aanmerking [[8]].

 

De nagalmtijd als ontwerpparameter en als norm voor goede akoestiek

Het is gebruikelijker om de nagalmtijd als norm te gebruiken dan de gemiddelde absorptiecoëfficiënt. Meestal opperen wij bezwaren tegen de nagalmtijd als vaste norm omdat die afhangt van de grootte van de ruimte. Omdat schoollokalen voor het basisonderwijs meestal even groot zijn vervalt dat bezwaar.

De nagalmtijd kwam in tabel 1 uit op 0.40 s. Dat is berekend voor een klas met kinderen en meubilair. Tabel 2 geeft dezelfde klas in lege staat, dus ook zonder boekenkasten. De gemiddelde absorptiecoëfficiënt is gedaald van 35% naar 22%; de nagalmtijd stijgt van 0.40 tot 0.64 s.

 

Tabel 2:  Het schoollokaal van 8 × 6 × 3.25 m³ uit tabel 1, maar nu in lege staat.

 

	oppervlak	absorptie-coëfficiënt		absorberend oppervlak
	[m2]	[-]		[m2]
vloer	48	0.05		2.4
plafond	48	0.70		33.6
lange wand glas	26	0.05		1.3
lange wand kaal	26	0.05		1.3
korte wand met bord	20	0.05		1.0
korte wand kaal	20	0.05		1.0
totaal oppervlak	187			40
Volume  [m3]			156
gemiddelde absorptiecoëfficiënt  [-]			41/187 = 0.22
nagalmtijd  [s]			0.64

 

Het ligt dus voor de hand om een nagalmtijd van 0.7 s voor te schrijven als maximale nagalmtijd in een leeg klaslokaal. In de praktijk wordt nog wel eens een langere nagalmtijd van 0.8 in het bestek opgenomen. Als die waarde is bedoeld voor een meting in een lege klas zonder kinderen is dat net een aanvaardbare waarde, maar de meubilering moet dan wel aan de absorptie en verstrooiing meewerken.

Een nagalmtijd van 1 s zoals die tot voor kort in het Bouwbesluit stond is absoluut te lang. Er zijn voorbeelden van scholen die aan die norm voldeden, waar na klachten van leerkrachten alsnog extra absorptie werd toegevoegd [[9]].

 

Les in een geluiddode kamer?

Als er een minimum is aan de hoeveelheid absorptie, zou men dus mogen verwachten dat een geluiddode kamer de ideale plaats is om les te geven? Aan de hand van figuur 5 wordt uitgelegd waarom er, behalve een minimum, ook een maximum is aan de absorptie.

 

Figuur 5: De sterkte van het vroege geluid bij verschillende waarden van de absorptie en in relatie tot de ruis in het schoolokaal.

 

De figuur toont een curve "alleen direct geluid" die bij maximale absorptie zou worden gevonden. Het niveau daalt van 57 dB op 1 m tot 39 dB op 7 m afstand. Op zich is dat wellicht al lastig. Het is mogelijk dat een leerkracht tegen iemand op de eerste rij vrij zacht spreekt, waardoor de achterste rijen het nauwelijks verstaan. Een vlakker verlopende curve is wellicht nastrevenswaardig, maar anderzijds zijn ons geen resultaten bekend van dit soort onderzoek.

Wel onderzocht is de aanwezigheid van ruis in lokalen die wordt veroorzaakt door de leerlingen zelf. Er wordt altijd wel geschuifeld met voeten, geademd, geritseld met papier, enz. Dat veroorzaakt meestal een ruisniveau ergens tussen 40 en 45 dB. Ook dat staat uitgezet in figuur 5.

De figuur toont ook vijf curven van de sterkte van het vroege geluid. Die curven lopen vlakker en liggen gedeeltelijk boven het ruisniveau. Aangetoond kan worden dat 30% het minimum vormt en dat het maximum ongeveer bij 40% ligt. Dit is inclusief absorptie door kinderen en meubilair [[10]]. Omgerekend in een nagalmtijd komt dat neer op waarden tussen 0.5 en 0.7 s voor een leeg (ook zonder meubilair en kasten) klaslokaal.

 

Soms dringt in een klaslokaal ook ruis van buiten door. Het moge duidelijk zijn dat een extern ruisniveau boven 35 dB schadelijk is voor de spraakverstaanbaarheid. Figuur 5 zou dan de indruk kunnen wekken dat de absorptie beter verlaagd kan worden. Dat is echter niet het geval omdat dan ook het geluidniveau van de ruis hoger wordt.

 

Stemverheffing van de leerkracht

Alle geluidniveaus (SPL) uit de figuren zijn berekend voor een leerkracht op conversatie-sterkte. Als de leerkracht 6 dB harder zou spreken, gaan alle curven 6 dB omhoog. Maar harder spreken helpt niet om de spraakverstaanbaarheid (U₅₀ in de figuren 2 en 3) te vergroten; de onderlinge verhoudingen tussen direct, vroeg en laat geluid blijven precies hetzelfde en de gewenste waarde van 35% absorptie blijft onverkort gelden. Stemverheffing helpt weer wel om de spraakverstaanbaarheid te vergroten indien er ruis van kinderen of externe ruis aanwezig is. Het is, gezien de heersende ruisniveau, dan ook wenselijk en gebruikelijk in een klaslokaal dat een leerkracht 3 tot 6 dB harder spreekt dan "conversatieniveau" [[11]].