Geluid

Waarom dit ertoe doet

Muziek maken met elastiekjes en bekertjes, een touwtjestelefoon bouwen, tellen tussen bliksem en donder: geluid leent zich uitstekend tot onderzoekend leren. De minimumdoelen vragen in de tweede graad dat leerlingen weten dat geluid ontstaat door trilling, en dat ze toonhoogte of frequentie en geluidssterkte kennen, met de begrippen geluidsbron, luidspreker, hoog, laag en trilling 1. In de derde graad komt daar de relatie tussen geluidssterkte en afstand tot de geluidsbron bij 1.

Geluid ontstaat door trillingen

Elk geluid begint bij een geluidsbron die trilt: een gitaarsnaar, het vel van een trommel, je stembanden, de conus van een luidspreker. Die trillende bron duwt de lucht ernaast telkens samen en laat ze weer uitzetten. Een geluidsbron veroorzaakt zo veranderingen in luchtdruk die zich als een golf door de lucht voortplanten 2.

Die drukgolf bereikt je oor en brengt daar je trommelvlies in trilling; je hersenen verwerken die trillingen tot wat je hoort 2.

Geluid heeft een stof nodig

Geluid kan zich alleen voortplanten door een stof (een medium): een gas, een vloeistof of een vaste stof 3. In het lege heelal, waar geen lucht is, plant geluid zich dus niet voort. Daarom werkt een touwtjestelefoon: het geluid gaat via het strakke touw.

De geluidssnelheid in lucht bij kamertemperatuur is ongeveer 343 meter per seconde; in vloeistoffen en vaste stoffen is ze meestal hoger 2. Licht is veel sneller (ongeveer 300 000 km/s). Daarom zie je de bliksem vóór je de donder hoort.

Toonhoogte en frequentie

De toonhoogte van een toon is het aantal trillingen per seconde, de frequentie. Ze wordt uitgedrukt in hertz (Hz) 4. 1 Hz is één trilling per seconde 5; de hertz is een afgeleide SI-eenheid 6.

• Snelle trilling (hoge frequentie): hoge toon (een fluitje, een vogel).
• Trage trilling (lage frequentie): lage toon (een contrabas, een grote trommel).

Het menselijk oor hoort trillingen met een frequentie tussen ongeveer 20 Hz en 20 000 Hz 2.

Bij snaarinstrumenten en elastiekjes kan je ontdekken waarvan de toonhoogte afhangt: een kortere, dunnere of strakker gespannen snaar trilt sneller en geeft een hogere toon. Bij blaasinstrumenten en flessen met water geeft een kortere luchtkolom een hogere toon.

Geluidssterkte en decibel

Hoe luid een geluid klinkt, wordt bepaald door de amplitude van de trilling: hoe groter de uitwijking, hoe luider 2. Sla je harder op een trommel, dan trilt het vel met een grotere uitwijking en klinkt het luider, maar de toonhoogte blijft gelijk.

De geluidssterkte (het geluidsniveau) wordt uitgedrukt in decibel (dB) 7. De decibelschaal is logaritmisch: telkens 10 dB erbij betekent een tienvoudige geluidsintensiteit 7.

De waarden komen uit een overzichtstabel van geluidsniveaus 8. Langdurig luid geluid beschadigt het gehoor; dat die schade blijvend kan zijn, is een belangrijke boodschap voor leerlingen die met oordopjes muziek luisteren.

Geluidssterkte en afstand

Hoe verder je van een geluidsbron bent, hoe zwakker je het geluid hoort. De geluidsenergie verspreidt zich vanuit de bron in alle richtingen over een steeds groter oppervlak, zodat er per vierkante meter minder overblijft. Voor een puntvormige bron geldt 9:

• verdubbel je de afstand, dan wordt de geluidsintensiteit vier keer kleiner (de geluidsdruk halveert);
• uitgedrukt in decibel daalt het geluidsniveau met ongeveer 6 dB per verdubbeling van de afstand.

Daarnaast wordt geluid onderweg gedeeltelijk geabsorbeerd door zachte materialen (gordijnen, tapijt, bladeren, akoestische panelen) 10 of weerkaatst door harde oppervlakken (een echo tegen een rotswand).

Samengevat

• Geluid ontstaat doordat een geluidsbron trilt; die trilling plant zich als drukgolf voort en doet je trommelvlies trillen.
• Geluid heeft een stof nodig (gas, vloeistof, vaste stof); in vacuüm is er geen geluid. In lucht: ongeveer 343 m/s.
• Toonhoogte = frequentie = aantal trillingen per seconde, in hertz. Sneller trillen geeft een hogere toon. Wij horen ongeveer 20 tot 20 000 Hz.
• Geluidssterkte hangt af van de grootte (amplitude) van de trilling en wordt gemeten in decibel; +10 dB is tien keer meer intensiteit.
• Hoe verder van de bron, hoe zwakker: bij een puntbron ongeveer 6 dB minder per verdubbeling van de afstand.
• Zachte materialen absorberen geluid, harde weerkaatsen het (echo).