Hoofdstuk 1
Geluid

§1 Geluid
§2 Trillingstijd en frequentie
§3 De oscilloscoop
§4 De geluidsnelheid
§5 Geluidsterkte

§1 Geluid

In dit hoofdstuk gaan we trillingen en golven bestuderen. Hiermee kunnen we o.a. geluid begrijpen. In deze paragraaf bestuderen we het verschil tussen trillingen en golven.

Een trilling is het simpel heen en weer bewegen van een voorwerp. Hieronder zien we twee voorbeelden. Links zien we een slinger (een balletje aan een touwtje) dat heen en weer beweegt. Rechts zien we een blokje dat op en neer beweegt aan een veer (zie ook de onderstaande animatie). Zoals je ziet beweegt het blokje aan de veer om een bepaald middelpunt. We noemen dit de evenwichtsstand. De afstand dat het blokje verwijderd is van deze evenwichtsstrand noemen we de uitwijking. De maximale uitwijking van het blokje tijdens de trilling noemen we de amplitude.

Hieronder is een animatie van een golf in een touw te zien. Hieronder zien we een afbeelding van een golf. Op de website, kan je een animatie zien van het ontstaan van deze golf. Door het touw aan de linkerkant op en neer te bewegen, komt het hele touw in beweging. Elk stukje van het touw brengt het volgende stukje in beweging. We noemen de resulterende beweging een golf. Omdat de golf zich naar rechts verplaatst door het touw spreken we van een lopende golf.

AFBEELDING!!!

Net als in een touw, kunnen ook in de lucht golven ontstaan (zie de onderstaande animatie). Dit worden geluidsgolven genoemd. Bij het waarnemen van geluid hebben we drie elementen nodig:

Een geluidsbron
Een tussenstof
Een ontvanger

AFBEELDING

Laten we beginnen met de geluidsbron. Een geluidsbron bevat een trillend onderdeel dat de lucht in trilling brengt. In de rechter afbeelding is de geluidsbron een luidspreker. Andere voorbeelden zijn het trillen van een gitaarsnaar of het trillen van stembanden. Het bewegende onderdeel in een luidspreker heet de conus.

Als de conus heen en weer beweegt, dan botst het tegen de omliggende luchtdeeltjes en deze luchtdeeltjes botsen weer tegen de volgende deeltjes etc. Als gevolg ontstaat er een geluidsgolf door de lucht. De lucht noemen we in dit geval de tussenstof. Dit is de stof waardoor het geluid zich verplaatst. Lucht is trouwens niet de enige tussenstof. In elk materiaal kunnen geluidsgolven ontstaan. In metalen, bijvoorbeeld, kunnen geluidsgolven zelfs nog sneller voortplanten dan in de lucht. In de ruimte is geen tussenstof aanwezig. We spreken dan van een vacuüm. In een vacuümruimte kan geluid niet voortplanten.

We nemen geluid pas waar als geluidsgolven aankomen bij een ontvanger. Een voorbeeld is het trommelvlies in ons oor. Dit kan in trilling worden gebracht door deze golf en zo nemen we geluid waar. Een ander voorbeeld van een ontvanger is een microfoon.

Demonstratievideo

Als een ruimte geen medium bevat, dan spreken we van een vacuüm. In een vacuümruimte kan geluid niet voortplanten. Dit wordt in het rechter filmpje gedemonsteerd.
↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!
↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

DEMO-VIDEO:
Geluid in vacuüm

In de onderstaande afbeelding zien we een doorsnede van een simpele speaker of luidspreker. Aan de conus van de speaker is een spoel verbonden waarover een spanning staat. Door verschillende patronen van stroompjes door de spoel te sturen, ontstaat om de spoel een wisselend magneetveld. Een permanente magneet in de speaker reageert op dit magneetveld door de conus aan te trekken en af te stoten. Als gevolg gaat de conus trillen. We gaan hier meer over leren in het hoofdstuk "Elektriciteit II".

De werking van een microfoon lijkt op de werking van de speaker. In dat geval zorgen geluidsgolven in de lucht er juist voor dat de conus (en dus ook de spoel) een beetje gaat trillen. Als een spoel trilt in de buurt van een magneet, dan ontstaat een patroon van stroompjes. Dit patroon kan daarna versterkt worden en via een luidspreker weer hoorbaar gemaakt worden.

Leerdoelen:

Zorg dat je trillingen kan beschrijven met behulp van de begrippen evenwichtsstand, uitwijking en amplitude.

Zorg dat je het verschil tussen een trilling en een golf kan beschrijven

Zorg dat je begrijpt dat geluid een geluidsbron, een tussenstof en een ontvanger nodig heeft.

Zorg dat je weet dat zowel een luidspreker als een microfoon werkt met behulp van een conus, een magneet en een spoel. Bij een luidspreker brengt de lucht de spoel in beweging, waardoor stroompjes ontstaan. Bij een microfoon zorgen stroompjes juist voor de beweging van de spoel.

Zorg dat je weet dat geluid een tussenstof nodig heeft om in te verplaatsen en dat in een vacuüm dus geen geluid mogelijk is

Opdrachten

(1p) Welke drie elementen heb je nodig bij het waarnemen van geluid?

(1p) Noem minstens drie geluidsbronnen.

(1p) Noem minstens twee ontvangers.

(1p) Noem naast lucht nog een andere tussenstof waardoor geluid kan voortplanten.

(2p) Waarom heeft geluid een tussenstof nodig?

(2p) Leg uit wat het verschil is tussen een trilling en een golf.

(2p) Geluid wordt veroorzaakt door trillende voorwerpen. Wat trilt er als we spreken? En wat trilt er als we een mug horen zoemen?

(1p) De luidspreker bestaat uit drie onderdelen. Noem deze drie onderdelen.

(1p) Een bel wordt aangezet in een ruimte die langzaam vacuüm wordt gepompt. Leg uit wat er met het geluid gebeurt?

§2 Trillingstijd en frequentie

In deze paragraaf gaan we een aantal eigenschappen van trillingen bestuderen, waaronder de trillingstijd en de frequentie.

In het vorige filmpje hebben we bespreken wat trillingen zijn. Als voorbeeld hebben we het heen en weer bewegen van een slinger en het op en neer bewegen van een blokje aan een veer genoemd. In deze paragraaf gaan we het hebben over de trillingstijd. Zoals de naam al verklapt vertelt dit ons hoelang één trilling duurt.

Met de trillingstijd kunnen we ook de frequentie berekenen. De frequentie vertelt ons hoeveel trillingen een voorwerp in een seconde maakt. We meten de frequentie meestal in hertz (Hz). Dit komt dus overeen met het aantal trillingen per seconde.

We kunnen als volgt met de frequentie en de trillingstijd rekenen:

$$ f = \frac{1}{T} \,\,\,\,\,\text{(SI-eenheden)} $$

Trillingstijd (T) seconde (s)

Frequentie (f) hertz (Hz)

Let erop dat je de trillingstijd in deze formule altijd in seconden invult. De trillingstijd wordt ook vaak gegeven in milliseconden (ms). Er geldt:

Aan de formule kan je zien dat een grotere frequentie altijd zorgt voor een kleinere trillingstijd en andersom.

In de volgende voorbeelden gaan we leren rekenen met deze formule:

Voorbeeld

Vraag:

Een vlag wappert met een frequentie van 0,25 Hz heen en weer. Wat is de trillingstijd van deze beweging?

Antwoord:

Stap 1: Gegevens (G)

f = 0,25 Hz

Stap 2: Omschrijven (O)

De trillingstijd moet in deze formule in seconden worden gegeven. De trillingstijd is echter helemaal niet gegeven. We kunnen deze stap dus overslaan.

Stap 3: Formule (F)

Noteer de formule en vul deze in:
$$ T = \frac{1}{f} $$ $$ T = \frac{1}{0,25} = 4 \text{ s} $$
Stap 4: Eenheid (E)

Check of de eenheid achter het antwoord staat.

In dit geval s.

Voorbeeld

Vraag:
Bij het aanslaan van een stemvork ontstaat een toon met een trillingstijd van 2,2727 ms. Bereken de frequentie van deze stemvork.

Antwoord:

Stap 1: Gegevens (G)

Trillingstijd = 2,2727 ms

Stap 2: Omschrijven (O)

De trillingstijd moet in deze formule in seconden worden gegeven.

Trillingstijd = 2,2727 / 1000 = 0,0022727 s

Stap 3: Formule (F)

Noteer de formule en vul deze in:
$$ \text{frequentie} = \frac{1}{\text{trillingstijd}} $$ $$ \text{frequentie} = \frac{1}{0,0022727} = 440 \text{ Hz} $$
Stap 4: Eenheid (E)

Check of de eenheid achter het antwoord staat.

In dit geval is dit Hz.

Leerdoelen:

Zorg dat je weet dat de trillingstijd ons vertelt hoelang één trilling duurt en dat de frequentie ons vertelt hoeveel trillingen in één seconde plaatsvinden. De frequentie wordt gemeten in Hz.

Zorg dat je kan rekenen met de formule "f = 1/T". Noteer de trillingstijd in deze formules altijd in seconden en zorg dat je weet dat een grotere trillingstijd overeenkomt met een kleinere frequentie en andersom.

Opdrachten

(1p) Wat is de eenheid van de frequentie en de eenheid van de trillingstijd.

(1p) Een persoon beweegt zijn hand twee keer per seconde heen en weer. Wat is de frequentie van deze beweging?

(2p) De trillingstijd van een slinger is 3,5 seconden. Bereken de frequentie.

(2p) Een blokje maakt een trilling aan een veer met een frequentie van 0,5 Hz. Bereken de trillingstijd.

(2p) Een kolibrie beweegt tijdens het vliegen zijn vleugels erg snel op en neer. Hierdoor is een zoemend geluid te horen met een frequentie van 55 Hz. Bereken hoelang één trilling van de vleugels duurt.

(3p) Een luidspreker produceert een toon van 2035 Hz. Bereken de trillingstijd van deze toon in milliseconden.

(2p) Een geluid heeft een trillingstijd van 60 ms. Bereken de frequentie van dit geluid.

(2p) Een geluid heeft een trillingstijd van 2,9 × 10^-7 s. Bereken de frequentie in MHz.

(3p) Een stemvork trilt 1000 keer in 5,0 seconden. Bereken de frequentie en de trillingstijd van deze trilling.

(3p) Een boom waait 5x heen en weer in 10 seconden. Bereken de trillingstijd en de frequentie.

§3 De oscilloscoop

In deze paragraaf gaan we de kennis uit de vorige paragraaf toepassen om het verschil tussen harde, zachte, lage en hoge tonen te begrijpen. We doen dit met behulp van een zogenaamde oscilloscoop.

In een eerdere paragraaf hebben we gelezen dat geluid wordt veroorzaakt door het trillen van luchtdeeltjes. We kunnen deze trillingen zichtbaar maken met een oscilloscoop. In de onderstaande afbeelding zien we rechts een oscilloscoop. Hierop is een microfoon aangesloten. Zoals we in de vorige paragraaf geleerd hebben zet een microfoon geluid om in elektrische stroompjes. Deze stroompjes worden zichtbaar gemaakt op het scherm van de oscilloscoop. Links zien we een zogenaamde stemvork. Dit is een simpel metalen instrument dat met een hamertje aangeslagen kan worden. De stemvork produceert dan de "nette" toon die op het scherm zichtbaar is.

Het oscilloscoopbeeld kan worden opgevat als een diagram met op de horizontale as de tijd (t) en op de verticale as de uitwijking (u). We spreken hier daarom ook wel van een (u,t)-diagram.

De bovenstaande trilling herhaalt zich in de tijd. We noemen een dergelijke beweging een periodieke beweging. De trillingstijd geeft aan hoelang het duurt voordat de beweging zich herhaalt. Zoals we eerder hebben geleerd geeft de trillingstijd aan hoelang het duurt voordat een beweging zich herhaalt. In de bovenstaande afbeelding zien we twee manieren om de trillingstijd te meten.

De grootte van elk hokje op de horizontale as van het oscilloscoopbeeld wordt gemeten in ms/div. "div" staat hier voor "division", hetgeen we in het Nederlands "hokje" zouden noemen. Een waarde van 10 ms/div betekent bijvoorbeeld dat elk hokje op de horizontale as overeenkomt met 10 milliseconden.

Voorbeeld

Vraag:

Bepaal de frequentie van het onderstaande oscilloscoopbeeld van een saxofoon. De oscilloscoop is ingesteld op 5 ms/div.

Antwoord:

De tijdsduur behorende bij één trilling is in dit geval lastig nauwkeurig af te lezen. Het is hier daarom noodzakelijk om de trillingstijd van zoveel mogelijk trillingen tezamen te meten.

Als we netjes meten, dan vinden we bijvoorbeeld dat 10 trillingen overeenkomen met 4,75 hokjes (ga dit zelf na). Eén trilling komt dan overeen met:
$$ \frac{4,75}{10} = 0,475 \text{ hokjes} $$
Omdat de oscilloscoop is ingesteld op 5 milliseconde per hokje, vinden we:
$$ 0,475 \times 5 = 2,375 \text{ ms} $$
In seconden wordt dit:
$$ T = \frac{2,375}{1000} = 0,002375 \text{ s} $$
Met de formule voor de frequentie vinden we dan:
$$ f = \frac{1}{T} \;\;\;\;\;\;\;\; f = \frac{1}{0,002375} = 421 \text{ Hz} $$

Laten we eens het oscilloscoopbeeld van een aantal tonen vergelijken. Hieronder zien we aan de linkerzijde een oscilloscoopbeeld van een zachte en een harde toon. Zoals je kunt zien heeft een zachte toon een kleine amplitude en heeft de harde toon een grote amplitude. De "hardheid" van het geluid noemen we in de natuurkunde de geluidsterkte.

Aan de rechterkant zien we een oscilloscoopbeeld van een lage en een hoge toon. Zoals je kunt zien heeft een lage toon een lage frequentie (en een grote trillingstijd) en heeft een hoge toon een hoge frequentie (en een lage trillingstijd). De frequentie van een toon bepaald dus de toonhoogte van het geluid.

Als we kort een geluid maken, bijvoorbeeld door te drukken op een pianotoets of door het aanslaan van een snaar van een gitaar, dan zal de geluidsterkte naar verloop van tijd steeds kleiner worden. We zien dit effect in het onderstaande oscilloscoopbeeld. Zoals je kan zien wordt hier de amplitude steeds kleiner. De trillingstijd en de frequentie, en dus ook de toonhoogte, blijven gelijk.

Een simpel muziekinstrument waarmee we tonen kunnen produceren met verschillende frequenties is een snaar. Dit is een dunne draad die onder spanning staat. De frequentie van een snaar kan verhoogd worden door de snaar strakker aan te spannen, door de snaar korter te maken of door een dunnere snaar te kiezen. Het geluid van de snaar is op zichzelf niet goed hoorbaar, maar kan versterkt worden met een klankkast. Dit is een holle ruimte waarin lucht kan gaan meetrillen met de snaren (zie de onderstaande afbeelding).

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

INSTRUCTIE:
Trillingen

Leerdoelen:

Zorg dat je de trillingstijd kan bepalen met een oscilloscoopbeeld en de bijbehorende stapgrootte in ms/div. Lees voor een nauwkeurig antwoord de tijd van zo veel mogelijk trillingen af. Deel deze tijd daarna door het aantal trillingen

Zorg dat je weet dat de frequentie van een snaar groter wordt bij een grotere spankracht, een dunnere snaar en een kortere snaar

Zorg dat je weet dat een hardere toon (een grotere geluidsterkte) op een oscilloscoop een grotere amplitude heeft en dat een hogere toon een grotere frequentie (en dus een kleinere trillingstijd) heeft

Zorg dat je weet dat als je kortstondig een geluid maakt, dat na verloop van tijd de geluidsterkte, en dus ook de amplitude, kleiner wordt. De trillingstijd en de frequentie, en dus ook de toonhoogte, blijven gelijk.

Opdrachten

(1p) Welke sensor wordt aangesloten op de oscilloscoop om geluid zichtbaar te maken.

(1p) Een saxofonist speelt twee tonen. De tweede toon heeft een grotere frequentie. Leg uit of de trillingstijd van de tweede toon groter of kleiner is.

(2p) Gezoem van een mug heeft een hogere toonhoogte dan het gezoem van bijvoorbeeld een hommel. Welk insect beweegt zijn vleugels vaker op en neer?

Een pianotoets wordt eerst hard en dan zacht aangeslagen.

(1p) Leg uit of de frequentie verschilt.

(1p) Leg uit of de trillingstijd verschilt.

(1p) Leg uit of de amplitude verschilt.

(4p) Een saxofonist speelt twee tonen. De eerste toon is laag en heel hard. De tweede toon is juist hoog en zacht. Teken hoe de twee tonen eruit zien op de oscilloscoop.

Een stemvork wordt aangeslagen. Na een tijdje wordt de toon steeds zachter hoorbaar.

(1p) Leg uit of de frequentie verandert tijdens het zachter worden van het geluid.

(1p) Leg uit of de amplitude verandert tijdens het zachter worden van het geluid.

(4p) Teken het (u,t)-diagram van een trillend voorwerp met een frequentie van 3,5 Hz en een amplitude van 2,5 cm.

(2p) Een leerling slaat een stemvork aan. Na een paar seconden is de amplitude van het geluid even groot / groter / kleiner. Na een paar seconden is de frequentie van het geluid even groot / groter / kleiner.

Een leerling bespeelt een zogenaamde duimpiano die geluid maakt als de metalen strips worden aangeslagen.

(2p) De duimpiano heeft een klankkast die het geluid versterkt. De frequentie blijft hierdoor gelijk / wordt hierdoor groter / wordt hierdoor kleiner. De amplitude blijft hierdoor gelijk / wordt hierdoor groter / wordt hierdoor kleiner.

(2p) De duimpiano heeft strips met verschillende lengtes. Dit is te vergelijken met de verschillende lengtes van de snaren van bepaalde snaarinstrumenten. De leerling slaat een lange en een korte strip aan. De lange strip geeft een hogere / lagere toon dan de korte strip. De lange strip heeft een grotere / kleinere trillingstijd dan de korte strip.

(4p) Op een oscilloscoop maakt de leerling één toon van de duimpiano zichtbaar. Je ziet hieronder een afbeelding van het scherm van de oscilloscoop vlak na het aanslaan van een strip. Bepaal met het beeld de frequentie van het geluid. Bepaal eerst de trillingstijd.

(1p) Na enkele seconden is de geluidsterkte van de toon kleiner. De instellingen van de oscilloscoop blijven gelijk. Welk oscilloscoopbeeld is juist in deze situatie.

(Bron: Examen VMBO-T, 2023-1)

Een leerling maakt met een stemvork een toon.

(4p) Bereken met behulp van het beeld op het volgende oscilloscoopscherm de frequentie van het geluid. Noteer eerst de trillingstijd.

(2p) De leerling maakt vervolgens een lagere, even harde toon. Welk van de onderstaande oscilloscoopbeelden geeft deze toon juist weer? De instellingen van de oscilloscoop blijven gelijk.

(Bron: Examen VMBO-T, 2023-2)

Hulpdiensten hebben een sirene die twee tonen maakt. Het onderstaande oscilloscoopbeeld laat een toon zien van de sirene van een ambulance.

(4p) Bepaal de frequentie van deze toon.

(2p) De sirene maakt ook nog een tweede toon. Deze toon klinkt lager en even luid. In dit geval is de amplitude kleiner / groter en er zijn meer / minder trillingen zichtbaar.
(Bron: Examen VMBO-T, 2021-1)

Hieronder is het oscilloscoopbeeld van een toon van een muziekinstrument te zien. Bereken de frequentie van deze toon. Noteer hiervoor eerst hoeveel trillingen zichtbaar zijn.

(Bron: Examen VMBO-T, 2019-2)

Hieronder zien we het oscilloscoopbeeld van een zuivere toon. De tijdsbasis is 5,0 ms/div.

(5p) Bereken de frequentie van deze toon.

(1p) Dezelfde toon heeft een octaaf lager een twee keer zo kleine frequentie. Teken het oscilloscoopbeeld van deze toon met dezelfde tijdsbasis.

Hieronder zien we het oscilloscoopbeeld van een zuivere toon. De tijdsbasis is 0,2 ms/div.

(4p) Bereken de frequentie van deze toon.

(1p) Teken dezelfde toon als we de tijdsbasis op 0,4 ms/div zouden zetten.

§4 De geluidsnelheid

In deze paragraaf gaan we rekenen met de golfsnelheid.

Voor de snelheid van een golf gebruiken we de formule voor de snelheid uit het hoofdstuk "Beweging":

$$ v_{geluid} = \frac{s}{t} $$

In BINAS kan je voor een aantal stoffen de geluidsnelheid opzoeken. De meeste geluidsnelheden zijn hier gegeven bij een temperatuur van 293 K. Dit komt overeen met 293 - 273 = 20 graden Celsius. Voor ijs is de geluidsnelheid bij 269 K gegeven (-4 graden Celsius) en voor lucht is ook de snelheid bij 288 K (15 graden Celsius) gegeven.

Voorbeeld

Vraag:

Je ziet tijdens een hevige storm een bliksemflits. 8 seconden later hoor je de bijbehorende knal. Bereken hoe ver de bliksem van je vandaan was. De temperatuur van de lucht is 20 ^oC.

Antwoord:

Eerst noteren we de gegevens:

t = 8 s

Volgens BINAS geldt voor lucht van 20 graden Celsius (293 K):

v_geluid = 343 m/s

Nu kiezen we de juiste formule en vullen deze in:
$$ s = v_{geluid} \times t $$ $$ s = 343 \times 8 = 2744 \text{ m} $$
De bliksem vond dus op een afstand van 2744 meter plaats.

In het volgende voorbeeld gaan we redeneren met het begrip echo. Zoals je waarschijnlijk wel weet is een echo een reflectie van geluid tegen een oppervlak.

Voorbeeld

Vraag:

Met behulp van echo kan men bepalen hoe diep de zeebodem is. Men stuurt aan de onderkant van een schip een geluidspuls naar beneden en meet hoelang het duurt voordat de puls tegen de bodem reflecteert en terugkomt bij het schip. De puls doet er 0,59 s over om terug te komen bij het schip. Bereken hoe diep de zeebodem is.

Antwoord:

Het geluid beweegt eerst naar de zeebodem en daarna weer terug. Dit duurt 0,59 s. We willen weten hoelang het geluid erover doet om alleen de weg naar beneden af te leggen. Hiervoor delen we door twee:

t = 0,59 / 2 = 0,295 s

Volgens BINAS geldt voor zeewater:

v_geluid = 1510 m/s (BINAS)

Nu kiezen we de juiste formule en vullen deze in:
$$ s = v_{geluid} \times t $$ $$ s = 1510 \times 0,295 = 445 \text{ m} $$
De zeebodem is dus 445 meter diep.

Bij echoscopie wordt ook gebruik gemaakt van echo. Hieronder zien we bijvoorbeeld een echo van een foetus (een baby in de buik van een zwangere vrouw). Deze foto's worden gemaakt door met een speaker korte geluidspulsen de buik van een zwangere vrouw in te sturen. Dit geluid is ultrasoon. Dit betekent dat het geluid is boven de menselijke gehoorgrens. We kunnen dit geluid dus niet horen. Een deel van deze geluidsgolven reflecteert tegen de foetus naar een microfoon. In de onderstaande linker afbeelding zien we geluid dat reflecteert tegen de voor en achterkant van de schedel van een foetus. In het rechter diagram zie we het geluid dat terugkomt bij de microfoon. De eerste piek geeft aan wanneer het geluid tegen de voorkant van de baby terugkomt. De tweede piek geeft aan wanneer het geluid tegen de achterkant van de baby terugkomt. Door te meten hoe lang het duurt voordat de verschillende pulsen terugkomen, kan een beeld worden gemaakt van de foetus.

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

INSTRUCTIE:
Golven

Leerdoelen:

Zorg dat je kan rekenen met de formule v_geluid = s/t en dat je de geluidsnelheid in verschillende stoffen in BINAS kan opzoeken aan de hand van de temperatuur in kelvin

Zorg dat je de temperatuur van kelvin kan omrekenen naar graden Celsius en andersom

Zorg dat je kan rekenen aan de echo. Houdt er rekening mee dat geluid bij een echo twee keer dezelfde afstand aflegt

Zorg dat je weet dat bij een echoscopie ultrasoon geluid gebruikt wordt om een beeld van een foetus te maken in de buik van een zwangere vrouw. Het geluid reflecteert tegen het weefsel van de baby

Opdrachten

(2p) Zoek de geluidsnelheid op in BINAS bij een temperatuur van 20 graden Celsius.

(3p) Je ziet tijdens een hevige storm een bliksemflits. 8 seconden later hoor je de bijbehorende knal. Bereken hoe ver de bliksem van je vandaan was. De temperatuur van de lucht is 20 ^oC.

(3p) Ook door gesteenten kunnen golven voortbewegen. De snelheid van deze golven is 5000 m/s. Het zijn deze golven die voor aardbevingen zorgen. Stel dat het epicentrum van een aardbeving 450 km van je vandaan ligt. Bereken hoelang het duurt voordat de aardbeving je bereikt.

(3p) Vroeger kwam het wel eens voor dat iemand zijn oor op de stalen trainrails legde om een trein van verre te horen aankomen (tegenwoordig is dit geen goed idee, omdat over veel rails een grote spanning staat). Bereken hoelang het duurt voordat het geluid van een trein op 5 km afstand hoorbaar is via de rails. Gebruik hierbij dat staal met name uit ijzer bestaat.

(2p) Een leerling staat op een afstand van 250 m van een ambulance. De temperatuur is 288 K (15 ^oC). Bereken hoelang het duurt voordat het geluid van de sirene de leerling bereikt.

(2p) De snelheid van geluid in zeewater is groter / kleiner dan in de lucht. Het geluid legt in zeewater dezelfde afstand af in een langere / kortere tijd dan in lucht.

(4p) Met behulp van echo kan men bepalen hoe diep de zeebodem is. Men stuurt aan de onderkant van een schip een geluidspuls naar beneden en meet hoelang het duurt voordat de puls tegen de bodem reflecteert en terugkomt bij het schip. Stel dat de echo er 0,59 s over doet. Hoe diep is in dat geval de zeebodem.

Met een app op je telefoon kan je de afstand tot voorwerpen bepalen. De smartphone zendt geluid uit. Even later ontvangt de smartphone het weerkaatste geluid. Met het tijdsverschil tussen zenden en ontvangen berekent de smartphone de afstand tot een voorwerp. De app is geijkt voor een geluidssnelheid van 340 m/s en geeft aan dat het voorwerp 1,36 meter ver weg is.

(3p) Bereken de tijd die het geluid onderweg is.

(1p) Noteer de temperatuur waarbij de geluidssnelheid van de app geijkt is, in Kelvin en in graden Celsius.

(2p) In de loop van de dag stijgt de temperatuur. Bij hogere temperatuur is bij gelijke afstand de snelheid van het geluid even groot / groter / kleiner. De tijd die het geluid over deze afstand doet is even lang / korter / langer.
(Bron: Examen VMBO-T, 2018-1)

Een leerling heeft een knieblessure en gaat naar een fysiotherapeut. De fysiotherapeut maakt tijdens het onderzoek een echo van de knie.

(1p) Voor het maken van de echo wordt een apparaat gebruikt dat ultrasoon geluid uitzendt en weer opvangt. Zo'n apparaat heet een echoscoop. Met welk apparaat is de echoscoop te vergelijken bij het uitzenden van geluid? Kies uit: een decibel-meter, een microfoon, een oscilloscoop of een luidspreker.

(1p) In de echoscoop zit ook een geluidsontvanger. Waar is deze geluidsontvanger mee te vergelijken? Kies weer uit dezelfde opties als bij vraag a.

(3p) Tussen het uitzenden en het ontvangen van het geluidssignaal zit 3,8 × 10^-5 s. De gemiddelde geluidssnelheid in de knie is 1540 m/s. Bereken de afstand tussen de echoscoop en de plaats waar het geluid weerkaatst.
(Bron: Examen VMBO-T, 2022-2)

(3p) Met behulp van een echo kunnen breuken in beton worden gevonden. Een geluidsbron zendt een signaal uit. De breuk weerkaatst het geluid richting de ontvanger.
Een computer meet hoelang het signaal onderweg is bij een dik stuk beton. Hieronder zie je een vereenvoudigde weergave van de signalen op het scherm van de computer.
De geluidssnelheid in beton is 4300 m/s. Bereken de afstand tot de breuk.
(Bron: Examen VMBO-T, 2019-2)

§5 Geluidsterkte

In deze paragraaf bespreken we de geluidsterkte. We gaan het ook hebben over geluidshinder en oplossingen daarvoor.

Geluidsterkte meten we met een decibelmeter (dB-meter). Rekenen met decibel (dB) gaat anders dan je gewend bent bij andere eenheden. Stel dat één trompetspeler een geluid maakt van 50 dB, als we er dan nog een trompetspeler naast zetten die hetzelfde geluid maakt, dan meten we 53 dB. Bij het verdubbelen van de geluidsenergie hebben we dus te maken met een stijging van maar 3 dB. Als we weer verdubbelen, nu naar vier trompetspelers, dan wordt de geluidsterkte 56 dB.

Voorbeeld

Vraag:

Drie trompetspelers produceren samen een toon met een geluidsterkte van 70 dB. Hoeveel trompetspelers heb je nodig om een geluid van 82 dB te produceren? Ga ervan uit dat de trompetspelers allemaal op gelijke afstand staan en hetzelfde geluid produceren.

Antwoord:

Elke verdubbeling van het aantal trompetspelers komt overeen met een stijging van 3 dB. In dit geval is de geluidsterkte gestegen met 82 dB - 70 dB = 12 dB. Hiervoor moeten we het aantal trompetspelers 12 / 3 = 4 keer verdubbelen. Dit doen we als volgt:
$$ 3 \times 2 \times 2 \times 2 \times 2 = 48 $$
We hebben dan dus met 48 trompetspelers te maken!

Voorbeeld

Vraag:

Vijf trompetspelers produceren samen een toon met een geluidsterkte van 70 dB. Hoeveel decibel meet je bij 80 trompetspelers?

Antwoord:

We starten met 5 trompetspelers en blijven dit verdubbelen tot we bij 80 trompetspelers uitkomen:
$$ 5 \times 2 \times 2 \times 2 \times 2 = 80 $$
Zoals je ziet hebben we het aantal trompetspelers vier keer moeten verdubbelen. Elke keer komt er 3 dB bij:
$$ 70 \text{ dB} + 3 + 3 + 3 + 3 = 82 \text{ dB} $$

Voorbeeld

Vraag:

Een leerling gebruikt bij een concert oordopjes om geen gehoorschade op te lopen. Hierdoor neemt de geluidsterkte 15 dB af. Bereken hoeveel keer het geluid hierdoor wordt verzwakt.

Antwoord:

Bij elke afname van 3 dB halveert de hoeveelheid geluid. We rekenen als volgt uit hoe vaak het geluid halveert:
$$ 15 / 3 = 5\times $$
Als het geluid 5 keer halveert, dan verzwakt het geluid 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = 32 keer.

Voor de geluidssterkte geldt ook de volgende regel. Voor elke verdubbeling van de afstand tot een geluidsbron neemt de geluidssterkte met 6 dB af. Het is niet nodig deze regel uit je hoofd te kennen. Als je de regel nodig hebt, zal hij altijd worden gegeven in de vraag.

Voorbeeld

Vraag:

Een leerling is aanwezig bij een concert. Het publiek op de voorste rij staat op een afstand van 8 meter van de luidspreker. De geluidssterkte op deze afstand is 79 dB. Het publiek op de achterste rij zit op een afstand van 32 meter van de luidspreker. Bereken de geluidssterkte in dB op deze afstand.

Antwoord:

Van 8 meter naar 32 meter moeten we twee keer verdubbelen:
$$ 8 \times 2 \times 2 = 32 \text{ m} $$
Bij elke verdubbeling neemt de geluidsterkte met 6 dB af:
$$ 79 \text{ dB} - 6 - 6 = 67 \text{ dB} $$

Hoe hard geluid daadwerkelijk klinkt voor het menselijk oor hangt niet alleen af van de hoeveelheid decibel, maar ook van de frequentie van het geluid. Dit komt omdat het oor niet voor alle frequenties even gevoelig is. Zowel erg lage als erg hoge tonen horen we minder hard. Hier wordt rekening mee gehouden bij de zogenaamde dB(A)-schaal. Voor alle frequenties is 0 dB(A) de laagste geluidsterkte die we kunnen horen. Bij 135 dB(A) wordt de pijngrens bereikt. Dit is geluid zo hard dat het pijn doet en levert permanente gehoorschade op.

In BINAS kan je een tabel vinden waarin het effect van geluid bij verschillende decibels beschreven staat. We zien hier dat vanaf 85 dB geluid gehoorbeschadiging kan veroorzaken. Tussen de 85 en de 95 dB gebeurt dit echter pas na 8 uur aanhoren van dit geluid. Bij hogere dB neemt de kans op gehoorschade steeds meer toe.

Er is ook een tabel in BINAS waar je kan vinden hoe lang je veilig naar geluid kan luisteren bij verschillende decibels en een tabel waar de gehoorgevoeligheid bij verschillende leeftijden wordt vergeleken.

Ook geldt dat we als mens niet alle frequenties kunnen horen. We kunnen alleen frequenties horen tussen de 20 Hz en 20 000 Hz = 20 kHz. Dit zijn de gehoorgrenzen. Geluid onder de 20 Hz en boven de 20 000 Hz kan je dus niet horen. Het is belangrijk dat je de gehoorgrenzen uit je hoofd kent.

Omdat hard geluid voor geluidschade kan zorgen, is het belangrijk mensen hiertegen te beschermen. Stel je woont bijvoorbeeld langs een snelweg, dan kan een geluidsscherm of geluidswal helpen door het geluid van het verkeer zoveel mogelijk te absorberen en te reflecteren zodat de bewoners hiervan geen geluidshinder ervaren (zie de linker onderstaande afbeelding). Mensen die werken met apparaten die veel geluid maken (denk aan zware boormachines) kunnen bijvoorbeeld gehoorbeschermers dragen (zie de rechter onderstaande afbeelding).

(Afbeelding: Henkiedenkie; CC BY-SA 3.0 / ...)

Als je bijvoorbeeld een podcast wilt opnemen, maar je wil niet dat je stem weergalmt tegen de muren, dan worden ook vaak deze schuimpanelen op de muur geplakt (zie de onderstaande afbeelding). Deze platen absorberen geluid.

Leerdoelen:

Zorg dat je weet dat de geluidsterkte slechts met 3 dB toeneemt als de hoeveelheid geluid verdubbeld

Zorg dat je weet dat de dB(A)-schaal aangeeft hoe de hoeveelheid decibels worden waargenomen door het menselijk oor. Onder 0 dB(A) is geluid niet hoorbaar. Boven de 135 dB(A) wordt de pijngrens bereikt.

Zorg dat je met BINAS kan laten zien of geluid schadelijk is voor het gehoor bij verschillende decibels. Zorg ook dat je kan opzoeken hoe lang je veilig naar geluid kan luisteren bij bepaalde decibels

Zorg dat je weet dat de gehoorgrenzen bij mensen bij 20 Hz en 20 000 Hz = 20 kHz liggen

Zorg dat je snapt dat geluid soms hinderlijk kan zijn, bijvoorbeeld als je woont naast een drukke snelweg. Geluidschermen, gehoorbeschermers en andere vormen van geluidsisolatie kunnen hier tegen beschermen

Opdrachten

(2p) In een elektrische geurverspreider zit een trillende plaat. Door het trillen van de plaat ontstaat er een mist met geurstof in de lucht. De plaat trilt met een frequentie van 2400 kHz. Vul de volgende zinnen aan: Een mens kan geluiden horen met een frequentie van maximaal _________ kHz. Het geluid van de trillende plaat is dus wel / niet te horen.
(Bron: Examen VMBO-T, 2023-1)

(1p) Bij een echo wordt ultrasoon geluid gebruikt. Dit ligt boven de menselijke gehoorgrens. Boven welke frequentie moet dit geluid dus liggen.

(4p) Een gletsjer maakt geluid dat niet hoorbaar is voor de mens. Het opgevangen geluid heeft een trillingstijd van 60 ms. Ga na dat dit geluid inderdaad niet hoorbaar is voor de mens.
(Bron: Examen VMBO-T, 2022-1)

(4p) De hoogste toon die een bepaald type luidspreker weer kan geven, heeft een trillingstijd van 0,040 ms. Bereken de frequentie en leg uit of deze toon hoorbaar is voor de mens.
(Bron: Examen VMBO-T, 2019-1)

(1p) Wanneer de geluidsterkte afneemt wordt de amplitude / trillingstijd van het geluid groter / kleiner.

(1p) Vermindert gehoorbescherming het geluidsniveau bij de bron of bij de ontvanger.

Het afremmechanisme van een achtbaantreintje veroorzaakt kortstondig een geluid met een geluidsterkte van 116 dB.

(1p) In welke zone valt dit geluid? Kies uit: zeer hinderlijk, zeer luid, extreem luid of pijngrens.

(1p) De werknemers die de passagiers helpen met uitstappen mogen geen gehoorbeschadiging oplopen. Noteer een veiligheidsmaatregel waarmee deze werknemers de kans op gehoorschade kunnen verminderen.
(Bron: Examen VMBO-T, 2023-1)

Een leerling is aanwezig bij een concert. Het publiek op de voorste rij staat op een afstand van 8 meter van de luidspreker. De geluidssterkte op deze afstand is 79 dB.

(1p) In welke zone valt dit geluid? Kies uit: indringend, hinderlijk, storend bij telefoneren en zeer luid.

(2p) Voor de geluidssterkte geldt: Voor elke verdubbeling van de afstand neemt de geluidssterkte met 6 dB af. Het publiek op de achterste rij zit op een afstand van 32 meter van de luidspreker. Bereken de geluidssterkte in dB op deze afstand.
(Bron: Examen VMBO-T, 2023-2)

Een leerling gaat naar een concert en draagt geluiddempende oordopjes. De oordopjes dempen het geluid met 15 dB.

(2p) Bij elke halvering van het geluid neemt het geluidsniveau met 3 dB af. Bereken hoeveel keer de leerling het geluid zachter hoort door het gebruik van de oordopjes.

(1p) Zonder oordopjes is de geluidsterkte 106 dB. Noteer de maximale blootstellingsduur aan dit geluid.

(1p) In welke zon valt dit geluid? Kies uit: erg stil, storend bij telefoneren, hinderlijk, zeer hinderlijk, zeer luid en extreem luid.
(Bron: Examen VMBO-T, 2022-1)

Een sirene van een ambulance maakt overdag een geluid van 100 dB. In de nacht is het geluidsniveau 10 dB minder.

(1p) Waarom moet de sirene van een hulpdienst overdag meer geluid maken dan in de nacht?

(1p) In welke zone van gehoorgevoeligheid valt het geluid dat de sirene 's nachts maakt? Kies uit: hinderlijk, zeer hinderlijk, zeer luid en extreem luid

(1p) Vergelijk het geluid van 100 dB met het geluid van 90 dB. Wat is juist over de maximale blootstellingsduur aan geluid van 100 dB? Kies uit: het is 2x zo groot, 2x zo klein, 4x zo groot en 4x zo klein.

(2p) Een leerling staat op een afstand van 250 m van de hulpdienst. Op haar smartphone leest de leerling een geluidsniveau van 62 dB af. Voor het geluidsniveau geldt: Bij een verdubbeling van de afstand neemt het geluidsniveau met 6 dB af. Bereken op welke afstand het geluidsniveau van de sirene 44 dB is.
(Bron: Examen VMBO-T, 2021-1)

(2p) Een bepaald type gehoorbescherming verlaagt het geluidsniveau met 21 dB. Bereken hoeveel keer het geluid door de gehoorbescherming wordt verzwakt.

Een smartphone laat muziek horen met een geluidsniveau van maximaal 88 dB. Door het gebruik van een versterker wordt dat verhoogd tot 94 dB.

(2p) Vergelijk het geluid van 94 dB met het geluid van 88 dB. Vul de zin aan: Het geluid van 94 dB is _________ keer zo hard als het geluid van 88 dB. Leg je antwoord uit met een berekening.

(1p) De maximale blootstellingsduur aan geluid van 94 dB is gelijk aan / minder dan / meer dan vier uur.

(1p) In welke zone valt het maximale geluidsniveau van de luidspreker? Kies uit: hinderlijk, zeer hinderlijk, zeer luid en extreem luid.

(Bron: Examen VMBO-T, 2019-1)

De violist heeft een leeftijd van 50 jaar.

(1p) Wat is juist over de gemiddelde afname van de gehoorgevoeligheid bij deze leeftijd? Kies uit:
- Bij hoge tonen is de afname het grootst.
- Bij lage tonen is de afname het grootst.
- Bij hoge en lage tonen is de afname gelijk.
- Bij 50 jaar is er geen afname van de gehoorgevoeligheid.

(1p) Bij een toon van 1000 Hz is bij de violist een afname van de gehoorgevoeligheid van 10 dB gemeten. Het gehoor van de violist is beter dan gemiddeld / gelijk aan het gemiddelde / slechter dan gemiddeld bij een leeftijd van 50 jaar.

(Bron: Examen VMBO-T, 2018-1)