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.
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.