Geluid, wat is het precies en hoe werkt het?

Geluid is iets waar we elke dag mee te maken hebben. Maar wat is geluid nou precies? Hoe wordt het veroorzaakt en hoe plant het zich voort door de lucht?

Wat is geluid?

Eigenlijk is geluid niets meer dan een kleine verandering in de luchtdruk. Het gehoororgaan van mensen en dieren neemt deze verandering waar, wanneer het trommelvlies van het oor in trilling wordt gebracht. De opgevangen trillingen worden als stroompjes doorgegeven aan de hersenen, die het interpreteren als een bepaald geluid.

Drukverschil

De drukverschillen bij geluid zijn heel erg klein. Soms maar een miljoenste van een pascal (eenheid voor druk). Bedenk dat gemiddelde atmosferische luchtdruk ongeveer 100.000 pascal is. Om de ongelofelijk kleine drukverschillen van geluidsgolven te kunnen waarnemen moet het trommelvlies van het oor dus heel gevoelig zijn. Bewegingen van het trommelvlies die de diameter van een waterstofatoom (het kleinste scheikundige element dat nog een herkenbare bouwsteen is) hebben kunnen al door het trommelvlies opgevangen worden! Het zachtste geluid dat een mens kan waarnemen heeft een luchtdruk van 20 micropascal. Deze grens wordt de ‘gehoordrempel’ genoemd.

Frequentie

De drukverschillen van geluid worden in een soort golven heel snel achter elkaar veroorzaakt. De luchtdruk veranderd door geluid duizenden keren per seconde. Als de luchtdruk tussen 20 en 20.000 keer per seconde verandert, dan is dit geluid voor de gemiddelde mens hoorbaar. Het aantal trillingen dat een geluidsgolf per seconde maakt, de frequentie, wordt uitgedrukt in Hertz, afgekort Hz. Het aantal Hertz staat dus voor het aantal trillingen per seconde van de geluidsgolf. De frequentie van een geluidsgolf bepaalt de toonhoogte van het geluid en kan op ieder moment veranderen. De toonhoogte van geluid wordt daarom ook uitgedrukt in Hz.

Snelheid

De geluidssnelheid, de snelheid waarmee geluidsgolven zich voortbewegen, hangt af van de vastheid, temperatuur en samenstellingen van de stof(fen) waarin dat gebeurt. In een gemiddelde omgeving verplaatst geluid zich door lucht met ongeveer 343 meter per seconde. Hoe warmer de lucht is, hoe sneller het geluid zich voortbeweegt. In de meeste vloeistoffen en vaste stoffen is de geluidssnelheid hoger. Geluid beweegt zich in bijvoorbeeld ijzer en staal met maar liefst 5100 meter per seconde voort. De snelheid waarmee geluid zich voortbeweegt is bijna onafhankelijk van de frequentie van het geluid.

Decibel

Geluid kan hard of zacht klinken. Het volume van geluid wordt bepaald door het drukverschil, dat de geluidsgolf veroorzaakt. De geluidssterkte wordt aangegeven in decibel (dB). De decibel is vernoemd naar Alexander Graham Bell, de uitvinder van de telefoon (zie afbeelding rechts). De decibel is geen absolute eenheid, maar een logaritmische schaal om verhoudingen aan te duiden. Daarbij is 0 dB gelijk aan een verhouding 1 en tevens aan de gehoordrempel. Met elke verhoging van 10 decibel wordt de verhouding vergroot met een factor 10. Als een geluid dus bijvoorbeeld 20 dB harder wordt, dan zal het geluid 100 keer zo sterk worden. Bij 30 dB harder wordt de geluidsgolf dus 1000 keer zo sterk. Eén enkele blootstelling aan een geluidssterkte van meer dan 170 dB kan permanente gehoorbeschadiging veroorzaken.

Een andere geluidseenheid is dB(A). De dB(A) is niet hetzelfde als de dB. Het verschil tussen deze twee zit in de weging van bepaalde toonhoogtes. Het menselijk oor is voor hoge tonen gevoeliger dan voor lage tonen. De gewone decibel laat alle toonhoogtes even zwaar meetellen, waardoor het dus niet goed vergeleken kan worden met het menselijk oor. Daarom is de dB(A) bedacht, die een direct verband heeft met de menselijke waarneming van geluid. Bij een frequentie van 1000 Hz (1 kHz) is de weging van de dB(A) precies gelijk aan die van de dB. Bij een frequentie van 100 Hz bedraagt de weging -10 dB. Het geluid weegt dan dus 10 keer minder zwaar bij de dB(A), dan bij de dB. Bij een frequentie van 10 Hz is het verschil tussen de twee zelfs -70 dB, oftewel 10.000.000 keer minder zwaar.

Afzwakking

Hoe verder een geluidsgolf is verspreid door de lucht, hoe zwakker het geluid wordt. Dit komt in eerste instantie, doordat geluid zich verspreidt in gelijkmatige cirkels. Deze cirkels om de geluidsbron worden steeds groter. De energie van de geluidsgolf moet over steeds meer moleculen verdeeld worden, waardoor het geluid steeds minder sterk wordt.

In de open lucht neemt de geluidssterkte normaal af met 6 dB voor elke verdubbeling van de afstand. Dit geldt echter alleen als de geluidsbron klein is en in de open lucht staat. Ook wordt bij deze berekening de absorptie van het geluid door de lucht niet meegerekend. Geluidsberekeningen in een kamer of zaal zijn veel moeilijker, omdat hier onder meer ook de galm een rol speelt.

Als het geluid vanaf één punt wordt uitgezonden, heet de geluidsbron een ‘puntbron’. Het geluid wordt dan afgestraald over een bolvormig oppervlak. Dit mag wel relatief gezien worden. Als de geluidsbron bijvoorbeeld een (grote) fabriek is, maar het waarnemingspunt op honderden meters afstand ligt, mag dit toch als een puntbron gezien worden. Het geluidsniveau zal voor elke verdubbeling van de afstand met 6 dB afnemen.

Lijnbronnen, zoals een weg met veel verkeer straalt het geluid anders af, namelijk in de vorm van een cilinder. Ook het oppervlak van de denkbeeldige cilinder wordt steeds groter naarmate de afstand toeneemt, maar dat gaat evenredig met de afstand, in plaats van in het kwadraat, zoals bij een puntbron. Hierdoor neemt het geluidsniveau van een lijnbron met elke verdubbeling van de afstand met 3 dB af.

Denk er wel aan dat bij deze theorie de absorptie van het geluid door de lucht niet mee wordt gerekend. De absorptiewaarde van lucht is echter zo klein dat deze verwaarloosbaar is. Daarnaast spelen in de praktijk bijvoorbeeld ook de bodem, wind en temperatuur nog een rol, zeker over afstanden van meer dan 100 meter.

Een versterking van een geluid met factor 10, wordt door een mens echter niet tien keer zo hard gehoord. Als het geluidniveau 5 dB stijgt, dan wordt de geluidssterkte twee keer zo hard door het menselijk oor ervaren. Een verschil van 3 dB is net waar te nemen, een verschil van 5 dB is pas goed waarneembaar.

Speaker

De luidspreker van bijvoorbeeld de computer creëert geluidsgolven. Dit gebeurt, door de conus, het kegelvormige ding in het midden van een speaker, heel hard te laten trillen. Zo worden er geluidsgolven gemaakt, die zich verspreiden door de lucht.

Geluid meten

Geluid wordt gemeten met een microfoon. Eigenlijk is een microfoon een omgekeerde speaker. In principe kun je zelfs een speaker als microfoon gebruiken, of andersom. Een microfoon vangt op ongeveer dezelfde manier als het trommelvlies van een mens geluidsgolven op. Vervolgens wordt het opgevangen geluid omgezet in een elektrisch signaal.