Promotie: "Geluidconcentratie door gekromde oppervlakken"

Peutz, 2 april 2012

Op 3 april promoveert Martijn Vercammen bij de faculteit bouwkunde van de Technische Universiteit in Eindhoven op het proefschrift “Geluidconcentratie veroorzaakt door gekromde oppervlakken”.

Dit proefschrift handelt onder meer over echo’s die ontstaan in koepelvormige en cilindrische ruimten.

Belangrijkste bijdrage van het werk is dat deze echo’s nu zijn te voorspellen en er mogelijkheden gegeven worden ze op te lossen. Een van de resultaten is dat een dubbelgekromd oppervlak zoals een koepel of ellipsoïde een veel sterkere geluidconcentratie veroorzaakt dan een enkelgekromd oppervlak zoals een cilinder. Bij koepels kan de geluid-concentratie zo hoog zijn dat geluidabsorptie of diffusie onvoldoende effectief is en gerichte reflectoren nodig zijn om de concentratie op te heffen. Naast de theoretische behandeling van het onderwerp wordt ook een praktische voorspellingsmethodiek gegeven en wordt een aantal praktijkvoorbeelden gegeven die de auteur heeft opgedaan bij adviesbureau Peutz.

voorbeeld

Belangrijkste voorbeeld is de koepelvormige concertzaal in Düsseldorf, de “Tonhalle”, die voor renovatie een sterke echo had welke bekend stond als de klopgeest. Op basis van het onderzoek kreeg deze zaal een metaalgaas binnenafwerking met daarachter reflectoren die de geluidconcentratie konden opheffen. Deze reflectoren zijn aan de hand van schaalmodelonderzoek geoptimaliseerd. Dankzij deze reflektoren maar ook door andere maatregelen heeft de Tonhalle nu een uitstekende akoestiek en wordt als de beste zaal van Noordrijn-Westfalen beschouwd.


Tonhalle

De resultaten van het onderzoek kunnen toegepast worden bij nieuwe ontwerpen, waarbij in een vroeg stadium beoordeeld kan worden of er sprake is van een probleem of niet. Met aanpassingen in ontwerpstadium, zoals bijvoorbeeld verandering van de kromming of het aanbrengen van reflecterende of diffuserende vlakken, worden teleurstellingen en dure veranderingen na oplevering voorkomen.

focussering

In de zaalakoestiek is focussering, veroorzaakt door geluidreflecties tegen concaaf gekromde vlakken, een bekend probleem. Ofschoon gekromde vlakken in de hele geschiedenis van het bouwen gevonden kunnen worden, komen ze in de moderne architectuur steeds meer voor, dankzij hedendaagse ontwerp-, materiaal- en fabricagetechnieken. Focussering kan echter plaatselijk leiden tot onder meer zeer hoge geluidniveaus, kleuring of een echo. Alhoewel het fenomeen bekend is, is dit niet het geval voor de mate van versterking in het focusseringspunt en het geluidveld rondom het focusseringspunt.

Het blijkt dat voor een kwantificering van de geluiddruk in en rond het focusseringspunt een golfveldbenadering nodig is. Een aantal mathematische uitdrukkingen worden in het onderzoek door Vercammen afgeleid voor de sterkte van geluidreflecties van concaaf gekromde vlakken, op basis van de Kirchhoff Integraal. De berekeningsmethodiek is geverifieerd aan de hand van een laboratoriumexperiment. Voor het geluidniveau in en rond het focusseringspunt wordt een benaderingsmethode gepresenteerd. Dit maakt het mogelijk de echo te beoordelen en het ontwerp te verbeteren of te herzien.

In het focusseringspunt is de hoogte van de geluiddruk met name afhankelijk van de golflengte. De afmetingen van het focusseringsgebied hangen eveneens samen met de golflengte. Bij kleine golflengtes is de geluiddruk hoog maar het focusserings-gebied klein. De focussering ten gevolge van in twee richtingen gekromde vlakken (bol, ellipsoïde) is beduidend sterker dan die van in één richting (cilinder). In het algemeen zal de bereikbare reductie van de focussering door toepassing van absorptie of diffusie bij in twee richtingen gekromde vlakken onvoldoende zijn om de geluidconcentratie geheel weg te nemen. Bij cilindrische vlakken zal dit mogelijk wel voldoende kunnen zijn. In het geval geluidabsorptie of diffusie onvoldoende soelaas biedt dient gedacht te worden aan het in een andere richting reflecteren met schuin geplaatste klankkaatsers of meer ingrijpend, aan herziening van het ontwerp.

Bij de Tonhalle in Düsseldorf bleek de echo dermate sterk dat diffusie onvoldoende soelaas bood. Reflectoren tussen de visuele binnenkoepel bestaande uit metaalgaas en de betonnen buitenkoepel zorgen ervoor dat reflecties zijdelings weggestuurd worden en geen geluidconcentratie meer kunnen veroorzaken. De oplossing is met behulp van schaalmodelonderzoek onderzocht. Na ombouw bleek de echo verdwenen, is de zaalakoestiek sterk verbeterd en worden 50% meer abonnementen verkocht.


Schaalmodel Tonhalle