Decibel (dB): Geluidsdruk, -intensiteit en niveau

Geluidsdruk, geluidsintensiteit en geluidsniveau: de decibel

Wat wordt onder geluidsdruk en geluidsintensiteit verstaan? Waarom wordt de decibel gebruikt als maat? En wat zijn die toevoegingen achter de decibel zoals (A), SPL en HL?
We hebben gezien dat luchtdeeltjes door een geluidsbron in trilling worden gebracht. Uit ervaring weten we dat dicht bij de bron (bijvoorbeeld een luidspreker) het geluid harder klinkt dan verder van de bron vandaan. Dit komt doordat de cirkel steeds groter wordt naarmate we verder van een geluidsbron afkomen. Hierdoor raken steeds meer luchtdeeltjes bij het botsingsproces betrokken. De energie moet zo telkens met meer luchtmoleculen gedeeld worden.

Door de snelle luchtdrukvariaties veroorzaakt door een geluidsbron zoals een luidspreker, een muziekinstrument of pistoolschot ontstaat er een bepaalde geluidsdruk. Geluidsdruk wordt omschreven als de op een bepaald moment aanwezig afwijking van de gemiddelde luchtdruk. Dit wordt gemeten in Pascal (Pa) en als de geluidsdruk maar heel erg klein is wordt deze weergegeven in μPa (micro pascal). De maximale uitslag die een geluid veroorzaakt wordt de amplitude genoemd.

gitaar golf decibel

Geluidsintensiteit

We kijken nogmaals naar de luidspreker die ook terug te vinden is in de bladzijde die gaat over frequentie.

Trilling-frequentie

De luidspreker beweegt zich rond een evenwichtstoestand. De uitwijking van de luidspreker is de afstand die de luidspreker op een bepaald moment heeft ten opzichte van deze evenwichtstoestand.

Hoe groter nu de uitwijking (amplitude) hoe groter de luchtverdikkingen en -verdunningen zijn.

Luidspreker Amplitude

De maximale uitwijking ook wel de amplitude genoemd is bij de rode toon groter dan bij de blauwe toon. De frequentie is echter hetzelfde. De omliggende luchtdeeltjes krijgen door de rode toon meer energie dan door de blauwe toon. De rode toon zal als luider waargenomen worden dan de blauwe toon. Hard, zacht, luid, zwak zijn allen subjectieve benamingen van het natuurkundige begrip, geluidssterkte.

Geluidsintensiteit is een maat voor de hoeveelheid energie die door de geluidsdruk, per seconde loodrecht op een oppervlakte van 1 m² opgevangen kan worden. Geluidsintensiteit is evenredig met het kwadraat van de geluidsdruk. De verhouding tussen de geluidsdruk die net waargenomen kan worden en die als pijnlijk hard wordt ervaren ligt in de orde van de 1.000.000. Dit betekent dat de verhouding tussen de geluidsintensiteit die net waargenomen kan worden en die als pijnlijk hard wordt ervaren 1.000.000.000.000 (10¹²) is. Een voor de praktijk vrij lastig hanteerbare schaal.

Decibel

Omdat de zojuist genoemde schaal zo onhandig  is, is de (deci) Bel als eenheid ingevoerd. De Bel- schaal is een logaritmische schaal, waarmee de hoorspan van een goed werkend oor wordt verdeeld in 12 stappen. Als grondgetal voor het logaritme is het getal 10 genomen. Wanneer echter het geluidsniveau met 1 Bel verhoogd wordt, betekent dat de intensiteit 10 maal zo groot is gemaakt. Het menselijk oor is echter in staat veel kleinere verschillen waar te nemen (tussen de 0.2 en 0.3 Bel). Daarom is de decibel ingevoerd. Met de decibel wordt de schaal verdeeld in 120 stappen. Uit onderzoek bij gezonde mensen is gebleken dat zij een zuivere toon met een frequentie van 1000 Hz nog net kunnen horen bij een geluidsdruk van 2.10-5 Pascal (Pa) bedraagt (=20 micropascal). Om een idee te geven van gevoeligheid van ons oor, is het aardig te realiseren dat de luchtdruk waar we dagelijks in verkeren 100.000 Pascal is. De variaties in luchtdruk die we nog net kunnen horen namelijk 2.10-5 Pascal, zijn slechts 1/5.000.000.000 deel van de ons omgevende luchtdruk.

Dagelijkse geluiden uitgedrukt in decibel (dB)

Geluidsniveau: decibel met referentie

Wanneer er gesproken wordt over geluidsniveau is de geluidsintensiteit gemeten ten opzichte van een bepaalde referentiewaarde. De decibel is dan ook een verhoudingsmaat. We kunnen dus niet zonder meer praten over het absolute geluidsniveau in dB. Als we de dB maat absoluut willen gebruiken dan moet de referentie worden vermeld. In de natuurkunde wordt voor alle frequenties een zelfde referentie gebruikt: 2.10-5 Pascal. Wanneer bij het gebruik van de dB deze referentie wordt gebruikt spreken van dB SPL. Wanneer als referentie de toondrempel wordt gebruikt van goedhorende jongeren, dan spreekt men dB-Hearing Level (dB HL). Wanneer er een audiogram wordt afgenomen om het gehoor te testen worden de gevonden geluidsniveau waarden uitgedrukt in deze dB HL.

A-weging als toevoeging aan decibel

Een veel voorkomende toevoeging aan de decibel is de (A). Er staat dan: dB(A). Hierbij wordt met een weging gecorrigeerd voor de gevoeligheid van het menselijk oor. De gevoeligheid is namelijk niet voor alle frequenties van geluid gelijk. Dit is te zien in onderstaande figuur (Fletcher-Munson kromme) waarin de drempel van een goedhorende is weergegeven als functie van de frequentie in SPL. In onderstaande figuur staat de lijn met de hoordrempel beneden. Helemaal bovenaan staat de curve waarbij geluiden (zuivere tonen) als pijnlijk hard worden ervaren. Het bereik tussen beiden curves uitgedrukt (de hoordrempel en de pijngrens) heet het dynamisch bereik van het oor . Dit wordt ook wel de oorspan genoemd. Bij slechthorendheid zal dit dynamisch bereik zijn verkleind. Er is hierbij gekozen voor een logaritmische schaal op de x-as (gelijke afstand bij iedere frequentieverdubbeling) om twee redenen: allereerst om niet in ruimte gebrek te komen en ten tweede omdat ook op het basilair membraan elke frequentieverdubbeling (ongeveer) overeenkomt met een gelijk aantal millimeters. In de figuur is te zien dat een mens een toon van 20 Hz veel zachter hoort dan een toon van 1000 Hz. Mensen zijn over het algemeen niet gevoelig voor zulke tonen. Bij 1000 Hz wordt er geen weging toegepast en de weging helemaal links zal -70 dB zijn. Wanneer geluid wel gemeten zou worden in SPL in plaats van met een A weging, zou het kunnen zijn dat dit een hele hoge waarde oplevert, terwijl we daar nauwelijks hinder van ondervinden omdat er veel energie zit in de hele lage frequenties of juist hele hoge frequenties waar ons gehoor niet gevoelig voor is.
In werkelijkheid is de gevoeligheid van het oor veel complexer dan wordt uitgedrukt met de dB(A). De curve van gelijke luidheid (isophonen), komen namelijk bij toenemende intensiteit steeds vlakker te liggen. Dit is te zien in onderstaande figuur. De dB(A) geldt dus eigenlijk alleen bij een lage geluidsintensiteit. Ook is er door onderzoekers op een aantal punten kritiek op deze A-weging geuit. Lees meer hierover op de pagina over lawaaiselchthorendheid.

vv3tuwvs

Fletcher Munson Curves

Relatie intensiteit en ervaren luidheid

Net als frequentie gekoppeld is aan de waargenomen toonhoogte, is intensiteit gekoppeld aan de waargenomen luidheid. Bij beiden bestaat echter geen één-op-één relatie tussen de fysische grootheid en de daar aan subjectief ervaren sensatie.
Zo hangt de waargenomen luidheid zowel af van de frequentie als van de intensiteit , de duur van het geluid en ook of er ook nog andere geluiden aanwezig zijn. Daarnaast spelen ook nog andere factoren een rol, zoals tijd van de dag, aard van de uitgevoerde taken, gewenning en persoonlijkheid.
Gesteld kan worden dat het oor een comprimerende werking heeft: het geeft een grote versterking bij lage intensiteit en een kleine versterking bij hoge intensiteiten. Dit komt omdat het slakkenhuis een niet lineaire werking heeft en een comprimerende werking op geluid.