Wat is geluid?
Een luidsprekerconus die naar voren beweegt, duwt de lucht ervoor samen: een verdichting met iets hogere druk. Beweegt hij terug, dan ontstaat een verdunning met iets lagere druk. Die drukverschillen schuiven van laag naar laag door de lucht, terwijl elk luchtdeeltje zelf alleen een klein stukje heen en weer trilt. Omdat de trilling in de voortplantingsrichting ligt, is geluid een longitudinale golf. De algemene golfbegrippen — amplitude, periode, golflengte en v = λ · f — staan in golven en trillingen.
De drukverschillen zijn verrassend klein. Het zachtste geluid dat je kunt horen, heeft een drukamplitude van ongeveer 20 micropascal (2 · 10⁻⁵ Pa), op een luchtdruk van 101 325 Pa — een variatie van twee tienmiljardste. Bij de pijngrens is het zo'n 20 tot 60 Pa, nog altijd minder dan een duizendste van de luchtdruk.
Geluid heeft een medium nodig: deeltjes die elkaar kunnen aanduwen. In vacuüm is er niets om samen te drukken. Robert Boyle toonde dat rond 1660 aan met een tikkende wekker onder een stolp: toen hij de lucht wegpompte, werd het tikken onhoorbaar. Daarom is het in de ruimte stil, hoe spectaculair ontploffingen in films ook klinken — licht kan wel door vacuüm, geluid niet.
Geluidssnelheid in lucht, water en staal
Hoe snel geluid gaat, hangt af van het medium: hoe stijver het materiaal (hoe harder het terugduwt als je het samendrukt) in verhouding tot de dichtheid, hoe sneller. Daarom gaat geluid in vaste stoffen veel sneller dan in gassen.
| Medium | Snelheid (m/s) | Tijd voor 1 km |
|---|---|---|
| Lucht, 0 °C | 331 | 3,0 s |
| Lucht, 20 °C | 343 | 2,9 s |
| Helium, 20 °C | ca. 1000 | 1,0 s |
| Water, 20 °C | ca. 1480 | 0,68 s |
| Zeewater | ca. 1500 | 0,67 s |
| Staal | ca. 5900 | 0,17 s |
In lucht stijgt de geluidssnelheid met de temperatuur, ongeveer volgens v ≈ 331 + 0,6 · T (T in °C). Bij 20 °C geeft dat 331 + 12 = 343 m/s; bij −10 °C nog maar 325 m/s. De luchtdruk zelf maakt vrijwel niet uit. Helium is zo 'snel' omdat de atomen zo licht zijn — dat verklaart ook de Donald Duck-stem na een ballon helium: je mond- en keelholte resoneren dan op hogere frequenties.
Wie een oor op de spoorrails legt, hoort een naderende trein eerder dan door de lucht: staal geleidt het geluid zeventien keer zo snel.
Rekenvoorbeeld: hoe ver weg is het onweer?
Licht legt een kilometer af in ruwweg 3 microseconde; dat is voor het oog ogenblikkelijk. Geluid heeft er bijna 3 seconden voor nodig. Het tijdsverschil tussen bliksem en donder is dus vrijwel helemaal de looptijd van het geluid.
- t
- tijd tussen de flits en de donder, in s
Voorbeeld. Je telt 7,5 s tussen flits en donder. Afstand: 343 × 7,5 = 2570 m, dus ongeveer 2,6 km. Met de vuistregel: 7,5 / 3 = 2,5 km. Omdat de vuistregel uitgaat van 333 m/s in plaats van 343 m/s, zit hij er een paar procent onder — ruim nauwkeurig genoeg om te besluiten dat je beter naar binnen kunt gaan. Donder is overigens zelden verder dan zo'n 15 à 20 km te horen.
Frequentie, toonhoogte en golflengte
De frequentie — het aantal trillingen per seconde, in hertz — bepaalt de toonhoogte. De stemtoon A (a') heeft 440 Hz; een octaaf hoger is een verdubbeling, 880 Hz. De amplitude bepaalt hoe hard een toon klinkt, de mengeling van boventonen de klankkleur: daardoor klinkt een A op een viool anders dan op een piano.
| Gebied | Frequentie | Voorbeelden |
|---|---|---|
| Infrasoon | < 20 Hz | aardbevingen, onweer, olifanten en walvissen die over grote afstand communiceren |
| Hoorbaar | 20 Hz – 20 kHz | spraak (vooral 300 Hz – 3,4 kHz), muziek |
| Ultrasoon | > 20 kHz | vleermuizen, dolfijnen, hondenfluitje, echografie (enkele MHz) |
Het gehoorbereik van 20 Hz tot 20 kHz geldt voor jonge mensen. Met de leeftijd verdwijnen eerst de hoge tonen: boven de vijftig horen veel mensen weinig meer boven 12 à 14 kHz.
Rekenvoorbeeld — golflengtes. Met λ = v / f in lucht van 20 °C: bij 20 Hz is λ = 343 / 20 = 17 m, bij 440 Hz 0,78 m en bij 20 kHz 343 / 20 000 = 1,7 cm. Die spreiding verklaart waarom je de bas van de buren door muren en om hoeken heen hoort: golven buigen goed om obstakels die kleiner zijn dan hun golflengte, en lage tonen worden bovendien minder goed gedempt. Gaat dezelfde toon van 440 Hz het water in, dan blijft de frequentie gelijk, maar wordt de golflengte 1480 / 440 = 3,4 m.
De decibelschaal
Het oor kan intensiteiten aan die een factor 10¹² (duizend miljard) uit elkaar liggen. Met gewone getallen is dat onhandig; daarom gebruikt men een logaritmische schaal, het geluidsniveau L in decibel (dB).
- L
- geluidsniveau, in decibel (dB)
- I
- geluidsintensiteit: vermogen per oppervlak, in W/m²
- I0
- gehoordrempel, 10⁻¹² W/m² (≙ 0 dB)
Daaruit volgen de rekenregels die je moet kennen:
- +10 dB = 10 × zo veel intensiteit; +20 dB = 100 ×; +30 dB = 1000 ×.
- +3 dB = 2 × zo veel intensiteit (want 10 · log 2 = 3,0).
- Luidheid zoals je die ervaart verdubbelt ongeveer bij +10 dB — het oor werkt zelf ook logaritmisch.
| Bron | Niveau |
|---|---|
| Gehoordrempel | 0 dB |
| Stille slaapkamer, fluisteren | 20–30 dB |
| Normaal gesprek op 1 m | ca. 60 dB |
| Druk verkeer, stofzuiger | 70–80 dB |
| Grasmaaier, drukke kroeg | 85–95 dB |
| Discotheek, popconcert | 100–110 dB |
| Pijngrens | ca. 120–130 dB |
Rekenvoorbeeld — twee machines. Eén machine geeft 80 dB. Twee identieke machines geven twee keer zoveel intensiteit, dus 83 dB — niet 160 dB. Tien machines geven tien keer zoveel intensiteit: 90 dB. Decibellen mag je dus nooit gewoon optellen.
Rekenvoorbeeld — afstand. Een luidspreker geeft op 1 m afstand 100 dB. Het geluid verspreidt zich over een steeds groter boloppervlak, dus de intensiteit neemt af met het kwadraat van de afstand. Op 10 m is de intensiteit 10² = 100 keer kleiner: 100 − 20 = 80 dB. Elke verdubbeling van de afstand kost 6 dB (een factor 4 in intensiteit). In een zaal met weerkaatsende muren valt de afname in de praktijk kleiner uit.
Gehoorschade: niveau maal tijd
In het slakkenhuis van je binnenoor zetten duizenden haarcellen trillingen om in zenuwsignalen (zie zenuwstelsel). Te veel geluidsenergie beschadigt die haarcellen, en bij mensen groeien ze niet terug. Het resultaat is blijvende slechthorendheid, vaak met oorsuizen (tinnitus).
Wat telt, is de totale dosis: niveau én duur. Een veelgebruikte vuistregel neemt 85 dB gedurende 8 uur als grens, en halveert de toegestane tijd bij elke 3 dB erbij — want 3 dB is een verdubbeling van de intensiteit.
| Niveau | 85 dB | 88 dB | 91 dB | 94 dB | 97 dB | 100 dB |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tijd | 8 uur | 4 uur | 2 uur | 1 uur | 30 min | 15 min |
Een avond van vier uur in een discotheek van 100 dB is dus ongeveer zestien keer de dagdosis. Oordoppen die 15 à 20 dB dempen, brengen dat terug tot onder of rond de grens. Voor werkplekken gebruiken Europese regels 80 en 85 dB(A) als actiewaarden; de (A) staat voor een filter dat meet zoals het oor hoort, met minder gewicht voor lage tonen.
Echo, sonar en echografie
Geluid weerkaatst tegen harde oppervlakken. Een echo hoor je apart als hij minstens zo'n 0,1 s na het oorspronkelijke geluid terugkomt; in die tijd legt geluid 34 m af, heen en terug, dus de wand moet minstens 17 m weg zijn. Dichterbij versmelt de weerkaatsing met het origineel tot galm.
Rekenvoorbeeld — sonar. Een schip zendt een geluidspuls naar de zeebodem en ontvangt de echo na 0,80 s. In zeewater (1500 m/s) legt het geluid 1500 × 0,80 = 1200 m af, heen en terug. De diepte is dus 600 m.
Rekenvoorbeeld — vleermuis. Een vleermuis hoort de echo van een mot na 6,0 ms. Afstand: 343 × 0,0060 / 2 = 1,0 m. Door ultrasone klikjes van tientallen kilohertz te gebruiken, met golflengtes van een paar millimeter, ziet hij met zijn oren zelfs kleine insecten.
Echografie in het ziekenhuis werkt hetzelfde, met frequenties van enkele megahertz. In lichaamsweefsel (ongeveer 1540 m/s) hoort bij 5 MHz een golflengte van 1540 / 5 000 000 ≈ 0,3 mm: klein genoeg om details van een ongeboren kind in beeld te brengen. Beweegt de bron of de weerkaatsende wand, dan verschuift de frequentie van de echo — het dopplereffect, waarmee ook de bloedstroom en de snelheid van auto's gemeten worden.
Veelgestelde vragen
Hoe snel gaat geluid?
In lucht van 20 °C ongeveer 343 m/s (1235 km/h). In water gaat geluid ruim vier keer zo snel (ongeveer 1480 m/s) en in staal ruim zeventien keer zo snel (ongeveer 5900 m/s). In vacuüm kan geluid zich niet voortplanten.
Hoe bereken je hoe ver weg onweer is?
Tel de seconden tussen bliksem en donder en deel door 3: dat is ongeveer de afstand in kilometer. Nauwkeuriger: afstand = 343 m/s × de gemeten tijd. Bij 6 seconden is het onweer ongeveer 2 km weg.
Wat is het gehoorbereik van de mens?
Jonge mensen horen frequenties van ongeveer 20 Hz tot 20 000 Hz (20 kHz). Lagere frequenties heten infrasoon, hogere ultrasoon. Met het ouder worden neemt vooral het gehoor voor hoge tonen af.
Wat betekent 10 dB harder?
Een geluidsniveau dat 10 dB hoger is, heeft een tien keer zo grote geluidsintensiteit. Het oor ervaart dat als ongeveer twee keer zo hard. Een toename van 3 dB betekent een verdubbeling van de intensiteit.
Bij hoeveel decibel krijg je gehoorschade?
Het risico hangt af van niveau en tijd samen. Een veelgebruikte vuistregel is 85 dB gedurende 8 uur per dag, waarbij de toegestane tijd halveert bij elke 3 dB erbij: bij 100 dB is dat nog maar een kwartier.
Is geluid een transversale of een longitudinale golf?
In lucht en in vloeistoffen is geluid een longitudinale golf: de deeltjes trillen heen en weer in dezelfde richting als waarin de golf zich voortplant, waardoor verdichtingen en verdunningen ontstaan. In vaste stoffen kunnen daarnaast ook transversale golven ontstaan, zoals de S-golven bij aardbevingen.