De nagalmcurve en de nagalmtijd
We keren thans terug naar de energiepulsresponsie zoals die
in een voorgaand deel was afgeleid. Zo'n curve representeert de hoorbare nagalm,
maar om er een nagalmtijd uit af te leiden is nog een extra stap nodig. Daartoe
wordt de pulsresponsie omgezet tot een “schroedercurve”. De details worden uitgelegd
in de onderliggende theorie; hier zij vermeld dat de pulsresponsie wordt
geïntegreerd. Een voorbeeld staat in figuur 1, waar links de pulsresponsie staat
en rechts de schoedercurve.
Echter, de schroedercurve wijkt in principe niet af van de methode
die rond 1900 reeds door Sabine werd ontwikkeld [[1]]. Sabine mat niet met een puls maar met een continue
toon uit een orgelpijp. Als de toon wordt uitgeschakeld ontstaat ook een
uitklinkend signaal. In dat geval staat rechts in figuur 1 de “Sabine”-methode met een uitgeschakelde
continue bron [[2]].
Door de traagheid van ons hoorsysteem ervaren we beide signalen als
uitklinkende nagalm.
Figuur 1: De responsie op een pulsvormig signaal,
bijvoorbeeld een doorgeprikte ballon of een alarmpistool (links) in een
tamelijk galmende ruimte (in blauw) en een meer gedempte ruimte (groen). Aan
de rechterzijde staan de schroedercurven die hieruit zijn berekend. Als een continue bron wordt
uitgeschakeld vinden we dezelfde curve. De respectievelijke nagalmtijden zijn in dit voorbeeld 1.78
en 0.75 s. Het verschil in geluidniveau is 3.8 dB. Het directe geluid is
ditmaal niet meegerekend.
De toevoeging van absorptiemateriaal (van blauw naar
groen) maakt de nagalmcurve steiler. De nagalmtijd is de tijd waarin het
geluidniveau 60 dB daalt, zodat uit de helling kan worden teruggerekend dat
de nagalmtijd daalt van 1.78 naar 0.75 s. Dat kan gewoon met een vel papier,
potlood en liniaal, maar het wordt tegenwoordig meestal uitgevoerd door de
software in een meetlaptop.
De geluidsterkte
Een geluidbron voegt geluidenergie (in de vorm van
trillende lucht) toe aan een afgesloten ruimte. Als die geluidbron continu
is (een ventilator, een continue machine of een luidspreker met continue
ruis) stelt zich in die ruimte altijd een energetisch evenwicht in: er gaat
net zoveel energie verloren als er wordt ingebracht. Het energieverlies in
de ruimte wordt veroorzaakt door de geluidabsorptie van de materialen. De
resulterende geluidsterkte is afhankelijk van dit evenwicht.
Indien in een ruimte de hoeveelheid absorberend
materiaal (en dus de hoeveelheid energieverlies) wordt verhoogd, stelt zich
een lager evenwicht in; de geluidsterkte neemt af, aannemende dat de
volumeregeling van de luidspreker onaangeroerd blijft. Absorberende
materialen kunnen dus worden gebruikt om lawaai in een ruimte te beperken.
Het effect kan ook worden uitgelegd met het
spiegelbronnenmodel. De totale energie in de ruimte volgt uit de som van de
afzonderlijke energieën van alle spiegelbronnen. De energie van een
spiegelbron wordt lager als de absorptie wordt opgehoogd en de totale
energie neemt af.
Bij continue bronnen hebben puls- en
sprongresponsies zoals in figuur 1 niet zoveel zin. Nagalm is eigenlijk niet
waar te nemen. Slechts als de bron wordt uitgeschakeld ervaren we nagalm.
Dat is te zien in de rechter figuur 1. De groene geluidsterkte (met meer
geluidabsorptie) is vóór het afschakelen lager dan de blauwe. Daarna horen
we dat het groene geval ook eerder uitsterft.
Veel geluidbronnen zijn allesbehalve continu.
Spraak, muziek e.d. zijn veeleer een opeenvolging van pulsachtige geluiden
en de geluidsterkte varieert steeds. Pulsresponsies zoals geschetst aan de
linkerzijde van figuur 1 geven dan meer inzicht in de akoestische
eigenschappen van een ruimte. Hinderlijke echo’s bijvoorbeeld zijn in de
linker figuur beter te zien dan in de rechter. Maar ook de geluidsterkte kan
uit de linker figuur worden afgeleid door de energie van alle pulsen te
sommeren.
De spraakverstaanbaarheid
Sterke nagalm kan de spraakverstaanbaarheid ernstig
storen. Lopende spraak bevat wel vijf of meer klanken per seconde en een
spreker kan dus al een aantal lettergrepen verder zijn terwijl de eerdere
klanken nog in de ruimte naklinken.
Onderzoek heeft aangetoond dat het geluid kan worden
onderverdeeld in “vroege” en “late” reflecties. Alle reflecties die bij een
luisteraar arriveren binnen 0.05 s (in jargon 50 milliseconde) worden door
het gehoor van de luisteraar samengevoegd met het directe geluid tot
“nuttige” energie [[3]].
Reflecties die later bij de luisteraar binnenkomen storen de
spraakverstaanbaarheid. Figuur 2 laat dat zien.
Figuur 2: Voor de spraakverstaanbaarheid wordt
onderscheid gemaakt tussen “nuttige energie”, die binnen 0.05 s arriveert
bij de luisteraar en “storende energie” die na die tijd binnen komt. De
blauwe pulsen horen bij een galmende ruimte; de rood/groene pulsen gelden
wanneer absorptie is toegevoegd.
In figuur 2 wordt ook geïllustreerd waarom
toevoeging van absorptie aan een ruimte de spraakverstaanbaarheid meestal
verbetert. De blauwe pulsen horen bij een galmende ruimte. Indien absorptie
wordt toegevoegd (groen) zien we de volgende effecten:
-
Met
het directe geluid (de dikke rode puls) gebeurt niets. Die is onafhankelijk van
de ruimte.
-
De
vroege energie (de andere rode pulsen) worden enigszins beïnvloed. Het
zijn de pulsen die slechts één of twee maal tegen een wand hebben
gereflecteerd.
-
De
groene pulsen hebben vele malen gereflecteerd waardoor het verlies aan energie
veel groter is.
-
De
totale vroege energie daalt dus iets, maar de daling van de late energie is
veel groter.
De spraakverstaanbaarheid wordt vooral bepaald door
de verhouding van vroege en late energie. Die wordt gunstiger bij meer
absorptie. Het effect wordt hier slechts kwalitatief behandeld, maar er zijn
mogelijkheden om de energieverhouding daadwerkelijk te becijferen. Sterker
nog: het wemelt in de praktijk van de akoestische maten. Een paar
voorbeelden zijn STI (speech transmisson index), U50,
ALCons en AI (articulation index). We komen er elders nog op terug, temeer
daar de onderlinge correlatie naar onze mening zo groot is dat het er voor
de bouwkundige praktijk nauwelijks toe doet welke wordt gekozen.
Hoe meer absorptie des te beter?
Moeten we nu concluderen dat het toevoegen van
absorptie altijd het akoestisch klimaat verbetert? Het antwoord is dat dat
sterk afhangt van de functie van de ruimte.
In extreme gevallen (een geluiddode kamer
bijvoorbeeld) is de absorptie zeer groot, waardoor de helling van de
rood/groene curve zo steil wordt dat vrijwel alleen de energie van het
directe signaal overblijft. In theorie is daarmee de spraakverstaanbaarheid
ideaal. Echter, bijvoorbeeld achter in een klaslokaal kan het geluidniveau
dan zo laag worden dat de spraak toch nauwelijks te verstaan is, met name
als er ook nog wat stoorlawaai aanwezig is. Er is in een klaslokaal dan ook
een optimum aan de absorptie. Daarmee betreden we tevens het terrein van de
signaal-ruis-verhouding, hetgeen elders aan de orde komt.
Een ander probleem is dat mensen zich soms onprettig
voelen in sterk absorberende ruimten. Ook voor muziek kan de ruimte al gauw
“te droog” zijn. Musici hebben graag wat galm en
eigenlijk is er dus een tegenspraak tussen een goede spreekzaal en een
concertzaal. Juist het vinden van een compromis tussen die twee behoort tot
de lastigste problemen uit de akoestische praktijk.