Willibrord Huisman Homepage
www.willibrordhuisman.nl

Webstek

vuller
Blogjes:
- alles
- alleen onderwijs
- alleen koorwerk
- alleen kinderwerk
Onderwijsadvies
- adviseur
- toetstoetser 
- redacteur 
- spreker 
- elementen
- documenten
- papers
Koorwerk
- nieuwsbrief
- compositiesNaar een submenu in deze website 
KvK 54336031 
Contact & colofon 

Elders

vuller
Passieproject 
Campuskoor 
Kinderkerk 

Nostalgie

vuller
Huis van Huisman 1997
HomePage van Eva 
Muizenissen (column)
IOWO  
Studienet 2001Opent nieuw venster of nieuw tabblad 
Ou Online 1994Opent nieuw venster of nieuw tabblad 
Proefschrift 1990

 

Sound Propagation over Vegetation-covered Ground
 
 
De omslagillustratie is een vignette van Edward Okun in het tijdschrift Chimera, Warschau, 1901.

Geluidsvoortplanting over begroeide bodem

Willibrord Huisman, 19 november 1990
Proefschrift, Katholieke Universiteit Nijmegen
ISBN 90-9003624-5

Naar keuze...

  • leest u onderstaande samenvattingen;
  • downloadt u kosteloos het volledige proefschrift via de Radboud Repository: http://hdl.handle.net/2066/84462
  • vraagt u mij om de gedrukte versie, die ik u met plezier zal toezenden, tot de doos leeg is.

Inhoudsoverzicht van deze pagina

Naar een  bookmark verderop in deze pagina 1. Gegevens over het proefschrift

Naar een  bookmark verderop in deze pagina 2. Inhoudsopgave

Naar een  bookmark verderop in deze pagina 3. Gepopulariseerde samenvatting

Naar een  bookmark verderop in deze pagina 4. Samenvatting

Naar een  bookmark verderop in deze pagina 5. Preface (dankwoord)

Naar een  bookmark verderop in deze pagina 6. Curriculum vitae


1. GegevensNaar het inhoudsoverzicht

Omslag tussenruimte

Sound Propagation over Vegetation-covered Ground

Geluidsvoortplanting over begroeide bodem

Willibrord Huisman, 19 november 1990

Proefschrift, Katholieke Universiteit Nijmegen

ISBN 90-9003624-5

Promotores: 

- Prof. dr. Volker Mellert, Universitšt Oldenburg, BRD;
- Prof. dr. Stan Gielen

Copromotor: dr. Maurice Martens

Met veel inhoudelijke ondersteuning van:

- Dr. Keith Attenborough, The Open University, Great Brittain
- Prof. dr. Kees Blom
- Tientallen studenten


2. InhoudsopgaveNaar het inhoudsoverzicht

TABLE OF CONTENTS

Naar een  bookmark verderop in deze pagina Preface

1. General introduction

---------- 

2. Reverberation and attenuation in a pine forest. 

W. Huisman & K. Attenborough: submitted to the Journal of the Acoustical Society of America, September 1990

Published as: J. Acoust. Soc Am. 90 (5), November 1991, p. 2664-2677
Permalink: http://dx.doi.org/10.1121/1.401861 

3. Analysis of ray patterns in realistic sound velocity profiles near to the ground. 

Part I: Geometrical acoustics. 

W. Huisman, V. Mellert & H. Klug: submitted to the Journal of the Acoustical Society of America, July 1990

4. Analysis of ray patterns in realistic sound velocity profiles near to the ground. 

Part II: Frequency dependence and ground effect. 

W. Huisman, V. Mellert & H. Klug: submitted to the Journal of the Acoustical Society of America, July 1990

5. The effect of woodland on noise transmission, with special attention to A-weighted immission levels of road traffic noise. 

English summary of Chapters 11 and 12

---------- 

6. Microclimate influence on sound propagation in vegetations. 

Proceedings Inter-Noise '85 MŁnchen, 453-456, 1985

7. Measured and modelled temperature effects on outdoor sound transmission. 

W. Huisman, M. Martens & W. van Asseldonk: Proceedings Institute of Acoustics, 9, 63-70, 1987

8. Measured and modelled sound transmission in a pine forest. 

W. Huisman, M. Martens, R. Beekwilder, A. Linders: Proceedings Inter-Noise '88 Avignon, 1583-1586, 1988

9. Narrow-band frequency analysis using a 1/3-octave-band real-time analyser. 

Applied acoustics, 29, 241-245, 1990

---------- 

10. Vegetatiestructuur, microklimaat en geluidoverdracht. 

Vakblad voor Biologen, 67(20), 389-392, 396, 1987

11. Vegetatiedemping in Nederland: door de bodem het bos niet meer zien. 

Geluid en omgeving, September '88, 109-112, 1988

12. Het bos als geluidscherm. 

W. Huisman & R. Beekwilder, 1990

---------- 

Naar een  bookmark verderop in deze pagina Samenvatting

Publications

Naar een  bookmark verderop in deze pagina Curriculum vitae

 


3. Gepopulariseerde samenvattingNaar het inhoudsoverzicht

De gebruikelijke manier om collega's, kennissen en familieleden op de hoogte te stellen van een verwachte academische promotie is hen een exemplaar van het proefschrift toe te zenden. Het leek mij echter een beter idee om deze brochure samen te stellen, die een begrijpelijker overzicht biedt van mijn onderzoek en van mijn proefschrift. Het proefschrift zelf is immers bedoeld voor specialisten.

In deze brochure zal ik kort uiteenzetten wat een promotie inhoudt, hoe mijn eigen promotie-onderzoek verlopen is, en hoe mijn proefschrift is opgezet. Daarna probeer ik duidelijk te maken wat ik bestudeerd heb, welke methoden ik daarbij gebruikt heb, en wat de onderzoeksresultaten zijn met hun consequenties voor het milieu van mens en dier. Ik zal me daarbij tot drie afgeronde onderwerpen beperken.

De academische promotie

"Al wie met ons mee wil gaan, die moet onze manieren verstaan." Daar gaat het eigenlijk om bij een promotie: opgenomen worden in het wetenschappelijke corps, als je in staat bent om wetenschappelijk te kunnen werken. De promovendus doet een promotie-onderzoek, schrijft daar een verslag van, en verdedigt dat in het openbaar. Als daaruit een voldoende wetenschappelijk niveau blijkt, is de promovendus dr.

Om het promotie-onderzoek in goede banen te leiden en om te zorgen dat er een acceptabel proefschrift uit voortkomt, wordt de promovendus begeleid door ťťn of meer promotoren. Tijdens de promotie stellen zij en andere hoogleraren en doctoren vragen over het proefschrift.

Het onderwerp van het promotie-onderzoek is vaak nauw begrensd, opdat er binnen afzienbare tijd samenhangende resultaten behaald kunnen worden. De verslaglegging dient zodanig te zijn dat specialisten er snel kennis van kunnen nemen. Dat verklaart waarom proefschriften voor buitenstaanders veelal onbegrijpelijk zijn.

Van aanstelling tot promotie

In mei 1983 kreeg ik een half-time aanstelling als wetenschappelijk medewerker aan de KU Nijmegen, om binnen de afdeling Plantkunde een promotie-onderzoek te verrichten naar de overdracht van geluid in vegetatie. Dit onderzoek paste in het al langer lopende eco-akoestische onderzoek van onder anderen dr. Maurice Martens, net als ik een bioloog. Naarmate mijn onderzoek zich verder ontwikkelde kreeg ik meer en meer behoefte aan begeleiding door ervaren akoestici; deze heb ik naar volle tevredenheid gevonden bij dr. Keith Attenborough van de Britse Open University en Prof. dr. Volker Mellert van de Duitse Universitšt Oldenburg. Door de jaren heen ben ik in totaal zo'n vier maanden bij hen en hun gezinnen te gast geweest, waarvoor ik hen bijzonder erkentelijk ben. Beiden zijn co-auteur geworden van belangrijke gedeelten van mijn proefschrift; Volker Mellert werd bovendien mijn eerste promotor. Om in Nijmegen te promoveren had ik echter ook een Nijmeegse promotor nodig; hiervoor heb ik de biofysicus Prof. dr. Stan Gielen bereid gevonden. Dankzij zijn opmerkingen kon ik een passende inleiding schrijven en tevens de overige teksten nog aanzienlijk verduidelijken.

De opzet van het proefschrift

Het proefschrift bestaat uit elf hoofdstukken in de vorm van wetenschappelijke artikelen (zie pagina 10 van deze brochure voor het inhoudsoverzicht). De meeste artikelen zijn al gepubliceerd, maar net niet de drie belangrijkste (de hoofdstukken 2, 3, en 4). Deze zijn pas onlangs opgestuurd naar de redactie van een vooraanstaand akoestisch tijdschrift en worden op het ogenblik aldaar beoordeeld. De drie Nederlandstalige artikelen zijn geschreven voor minder gespecialiseerde tijdschriften. De laatste ervan is niet geplaatst omdat het te lang is; dit artikel zal ik binnenkort omwerken tot een normale Engelstalige publikatie. Het is jammer dat het niet nu al gepubliceerd is, omdat de conclusies over de vermindering van verkeerslawaai door bossen van belang zijn voor de maatregelen tegen geluidhinder in Nederland.

15 jaar 'Geluid en Groen'

In 1973 startten Prof. dr. H.F. Linskens en dr. Maurice Martens op het Botanisch Laboratorium te Nijmegen een kleine onderzoeksgroep. Deze werkgroep 'oeco-akoestiek' heeft tot 1989 bestaan en heeft in die tijd voornamelijk de invloed van planten op de overdracht van geluid onderzocht. Aanvankelijk was er de milieukundige vraagstelling naar de mogelijke toepasbaarheid van groengordels ter vermindering van verkeers- en industrielawaai. Naderhand is daar de meer zuiverwetenschappelijke vraagstelling bijgekomen naar hoe het akoestisch milieu van dieren de evolutie van hun communicatie beÔnvloed heeft. Uiteindelijk is het accent gaan liggen op de beschrijving van de mechanismen die de overdracht van geluid bepalen.

De onderstaande figuur geeft een overzicht van de meeste facetten van het onderzoek. Aan de groene geluidsschermen heeft de werkgroep ook onderzoek verricht, hoewel dit onderwerp sterk verschilt van geluidoverdracht door bossen. Geluidsschermen en wallen zijn immers akoestisch werkzaam omdat ze dankzij planken, staal, beton of aarde volledig dicht zijn en niet meegeven: het geluid kan alleen over de bovenrand van de ene naar de andere kant komen. Bossen daarentegen zijn akoestisch vrijwel 'doorzichtig': het geluid gaat er doorheen, hoewel het wel gehinderd wordt in zijn weg van bron naar ontvanger.

Onderzoeksfacetten

Geluidsvoortplanting over begroeide bodem

In de titel van mijn proefschrift komt de term 'geluidsvoortplanting' voor, terwijl ik verder ook spreek van 'geluidoverdracht'. Welke term van toepassing is hangt af van hoe de buitenakoestiek benaderd wordt. De meer theoretische benadering beschouwt geluid als een golfverschijnsel dat zich zelf verplaatst in een medium, zoals bijvoorbeeld een golf in het wateroppervlak. In de meer praktische benadering is ook de ontvanger van belang: het geluid wordt uitgezonden door een bron (emissie), wordt overgedragen door de lucht (overdracht), en komt aan bij de ontvanger (immissie).

Ook komt in de titel de term 'begroeide bodem' voor, waaronder de lezer zowel grasland als hoogopgaand bos mag verstaan. Voor wat betreft de geluidsvoortplanting zijn er nogal wat verschillen tussen deze twee uitersten. In sommige hoofdstukken wordt uitgebreid ingegaan op het akoestisch belang van deze verschillen, bijvoorbeeld wanneer het effect van bos op de overdracht van verkeerslawaai vergeleken wordt met het effect van een weiland. Andere hoofdstukken beschrijven juist het effect van vegetatie in het algemeen.

In mijn onderzoek heb ik twee verschillende methoden door elkaar gebruikt. Aan de ene kant heb ik in bossen en boven grasland de overdracht van geluid gemeten met zoveel mogelijk factoren die deze overdracht beÔnvloeden. Aan de andere kant heb ik computermodellen gebouwd die gebaseerd zijn op theoretische veronderstellingen. Deze computermodellen waren onmisbaar bij het interpreteren van de meetresultaten, maar omgekeerd bleken ook sommige meetresultaten van groot belang bij het inschatten van de werkelijkheidswaarde van de uitkomsten van de computermodellen.

Terwille van de duidelijkheid zal ik me hier beperken tot drie afgeronde onderwerpen. Eerst komen de geluidoverdrachtmetingen in het dennebos aan bod, dan twee computermodellen die met stralen rekenen, en tenslotte zal ik ingaan op de toepassing van de resultaten op de geluidhinderproblematiek.

1. De metingen in het dennebos

Bovenstaande figuur (door Renťe Beekwilder) geeft een indruk van de voortplanting van geluid in het dennebos waar de meeste metingen gedaan zijn. De figuur is een 'artist's impression', overgenomen uit een verslag van ťťn van de vele studenten die in de doctoraalfase van hun studie aan het onderzoek hebben bijgedragen. De voortplanting van het geluid wordt verbeeld door middel van geluidsstralen die vanaf een puntvormige bron worden weggezonden. De stralen zijn niet helemaal recht omdat ze breken als gevolg van de ongelijke verdeling van de warmte in de lucht (in het algemeen is de luchttemperatuur in de kroonlaag hoger dan in de stamlaag). Een gedeelte van het geluid weerkaatst tegen de bodem en tegen de boomstammen; daarna interfereert het met geluid dat rechtstreeks van bron naar ontvanger gaat. De geluidssterkte bij de ontvanger is de optelsom van al deze verschijnselen.

Voor metingen van de geluidoverdracht is het van groot belang om het geluid te kennen dat de bron uitzendt (de emissie). Van daaruit kan het zogenaamde 'vrije veld' gemakkelijk berekend worden; het vrije veld is het geluidsveld dat de bron zou veroorzaken indien er geen bodem, geen vegetatie, geen wind, en geen warmteverschillen in de lucht zouden zijn. Indien men dan het geluidsveld dat in een bos gemeten wordt vermindert met het vrije veld van dezelfde bron, blijft vanzelf de invloed van het bos over.

Bij de metingen hebben we altijd gebruik gemaakt van een kunstmatige bron, en wel een luidsprekerbox met slechts ťťn speaker erin. Het geluidsveld dat een dergelijke bron produceert is veel gemakkelijker te beschrijven dan dat van een 'natuurlijke' bron; naderhand kunnen de resultaten altijd nog worden omgerekend voor meer ingewikkelde bronnen zoals bijvoorbeeld een verkeersweg. De eigenschappen van het geluid dat de luidspreker uitzond hebben we bepaald in een echovrije kamer (een kamer waarvan de vloer, het plafond en de wanden alle geluid absorberen), en boven asfalt (dat vrijwel 100% van het geluid reflecteert).

In het bos wordt het geluid gedeeltelijk weerkaatst en vertraagd door de bodem. Dit proces hangt af van de toonhoogte van het geluid, van de eigenschappen van de bodem, en van de hoek waaronder het geluid de bodem raakt. Het uiteindelijk effect van deze reflectie op de waargenomen geluidssterkte is bovendien sterk afhankelijk van de posities van bron en ontvanger. Het gebrek aan inzicht in dit verschijnsel heeft vooral in de jaren '70 geleid tot veel misvattingen over de geluidoverdracht in bossen. Inmiddels is de bodemreflectie in het algemeen vrij goed begrepen. In bossen veroorzaken de de bomen nog een complicatie omdat ze ook geluid terugkaatsen; een verschijnsel dat U kunt waarnemen door in een bos in uw handen te klappen en de galm te beluisteren.

Deze directe effecten van bodem en vegetatie op de overdracht van geluid heb ik zowel met metingen als met computermodellen onderzocht. Ik kon daarbij aantonen dat de stammen van de bomen een belangrijke invloed hebben. Tot nog toe werd veelal alleen de reflectie door bladeren of de absorptie door naalden in ogenschouw genomen. De gemeten geluidoverdracht kon voor een groot deel met de modelberekeningen worden verklaard. Dat is een bevredigend resultaat omdat het betekent dat de belangrijkste processen nu onderkend zijn.

2. Stralenmodellen

Geluidsstralen 'bestaan' net zo min als lichtstralen; stralen zijn niet meer en niet minder dan een gemakkelijke manier om de voortplanting van een golfverschijnsel te beschrijven. Wie een steen in het water gooit ziet een ringvormige golf ontstaan; dat is eigenlijk een bult op het wateroppervlak die in alle richtingen even snel wegloopt. Wanneer we nu langs die uitbreidingsrichtingen lijnen trekken, dan zijn dat stralen.

Galmende geluidsstralen tussen onzichtbare bomenIk heb twee stralenmodellen ontwikkeld; een ter bestudering van galm in bossen en een ter bestudering van de invloed van het weer op de overdracht van geluid boven een vlakke bodem. De figuur hiernaast geeft een indruk van het galmmodel, waarin geluidsstralen onder invloed van toeval tussen de bomen heen en weer botsen alvorens de ontvanger (de gespikkelde cirkel) te bereiken. Indien deze procedure maar met genoeg stralen wordt uitgevoerd, beginnen de stralen samen zich weer te gedragen als een ononderbroken, maar wel door de stammen beÔnvloed, geluidsveld. De oude minicomputer die ik voor deze berekeningen gebruikte was een uur of twee zoet met het berekenen van de benodigde 40.000 stralen. Daarbij bleek, dat de in het dennebos gemeten galm geheel verklaard kon worden uit reflectie van geluid tegen alleen de stammen.

De werking van het andere stralenmodel is wat gemakkelijker voorstelbaar. Dit model is gemaakt om een verschijnsel te onderzoeken dat velen uit eigen ervaring kennen: de invloed van temperatuur en wind op de overdracht van geluid. De onderstaande figuur illustreert dit voor een open veld: links de voortplanting in een heldere nacht bij weinig wind, of bij veel wind in de richting van bron naar ontvanger; rechts de geluidsvoortplanting op een zonnige dag bij weinig wind, of bij veel wind in de richting van ontvanger naar de bron.

Breking van geluidsstralen in een geluidssnelheidsgradiŽnt

Hoewel de berekeningen ingewikkeld zijn, is het verschijnsel vrij gemakkelijk uit te leggen; ik zal me hier beperken tot de invloed van de luchttemperatuur. 's Nachts koelt bij heldere hemel de bodem af door de "nachtelijke uitstraling". Als gevolg daarvan wordt de luchtlaag die op de bodem rust ook afgekoeld; naarmate men hoger komt is de lucht warmer. De geluidssnelheid in warme lucht is groter dan in koude lucht; geluid dat zich door deze lucht voortplant wordt naar beneden toe afgebogen. Overdag warmt de zon de bodem op en draait de toestand om. In het eerste geval komt geluid over obstakels heen; dit is er de oorzaak van dat geluid juist 's nachts erg ver kan dragen. Als de bodem bovendien hard is (bijvoorbeeld water of asfalt) kan dit tot opvallend hoge geluidsniveaus leiden. In het tweede geval bevindt de luisteraar zich vaak in de zogenaamde geluidsschaduw (het witte gedeelte rechtsonder op het rechter plaatje), waar helemaal geen rechtstreeks geluid aankomt. Bij zonnig windstil weer is dit effect goed waar te nemen door in het open veld door de knieŽn te zakken. In het algemeen leidt het tot verlaging van de geluidsniveaus overdag.

Tot dusver zijn deze brekingseffecten en de modelbeschrijvingen daarvan al minstens een halve eeuw bekend. In mijn proefschrift worden twee aspecten nader uitgewerkt. Het eerste betreft een grondige analyse van de patronen die deze stralen vormen. Uit die patroonanalyse komen conclusies naar voren die algemeen van toepassing zijn, dus onafhankelijk van de sterkte van de temperatuursverschillen, de afstand van de ontvanger, de bronhoogte, etcetera. Het tweede aspect betreft de interpretatie van de stralenpatronen: hoe kan men daaruit de geluidsniveaus, waar het eigenlijk om gaat, berekenen? De stralenbenadering is namelijk alleen geldig voor die situaties waarin de golflengte van het geluid klein is ten opzichte van de afstanden waarover de temperatuursverschillen zich voordoen. Daar we in feite veelal met grotere golflengten te maken hebben, is een zorgvuldige interpretatie geboden. Niettemin bleek de stralenpatroonanalyse volledig in staat om de tot dan toe onbegrepen resultaten te verklaren van langeafstandsmetingen die waren uitgevoerd door onderzoekers van de Oldenburgse universiteit.

3. Wegverkeerslawaaiimmissieprognoseverbeteringsvoorstellen

Tijdens mijn onderzoek is mij regelmatig de vraag gesteld in hoeverre bos of beplanting nu gebruikt kan worden als middel om lawaai af te schermen. Vaak ging het daarbij om concrete situaties, waarbij bijvoorbeeld beslist moest worden over het voortbestaan van een rij bomen langs een weg. In dergelijke gevallen is het antwoord gemakkelijk te geven: nee, die doen niets, althans in akoestisch opzicht. Een rij bomen is simpelweg te dun om enig effect te sorteren. Het is echter veel moeilijker om te zeggen hoe diep zo'n beplanting dan wel moet zijn om serieus als lawaaidemper te kunnen worden beschouwd.

Naarmate mijn onderzoek vorderde kreeg ik meer en meer voor ogen hoe deze vraag beantwoord zou kunnen worden. De werkgroep had in de afgelopen vijftien jaar in uiteenlopende bossen de geluidoverdracht gemeten. Deze metingen waren verricht met een kunstmatige puntbron en daardoor veel betrouwbaarder dan metingen van verkeerslawaai zelf. Met behulp van de theoretische modellen konden deze meetgegevens worden geanalyseerd, om vervolgens, opnieuw met deze modellen, te worden toegepast op de situatie van autoverkeer op een rechte weg waarlangs een strook bos zou liggen.

Een dergelijke toepassingsgerichte studie leek mij een zinvolle aanvulling van mijn promotie-onderzoek; bovendien zou het een mooie gelegenheid zijn om al de meetresultaten van de werkgroep nog vlak voor haar formele opheffing samen te vatten. Het was echter een berg werk waarvoor ik zelf niet de tijd noch de mogelijkheden had. Rijkswaterstaat, een van de instanties die voor de verkeerslawaai-immissies verantwoording draagt, bleek wel met woorden maar niet met daden het onderzoek te willen steunen. Het Rijksinstituut voor Natuurbeheer was in het kader van een onderzoek naar de invloed van wegverkeer op de vogelstand wel bereid gelden hiervoor uit te trekken; hierdoor kon drs. Renťe Beekwilder worden aangesteld om de analyses en extrapolaties uit te voeren.

Effect van bos op verkeerslawaaiUit de studie komt naar voren dat bossen een beduidend groter effect hebben dan tot nog toe werd aangenomen. De figuur laat zien hoe dit effect tot stand komt. De lijnen geven voor drie situaties de geluidssterkte weer die wegverkeer zou veroorzaken op 100 m afstand van de weg: eerst de 'vrijeveldsituatie', voor het (theoretische) geval dat er in het geheel geen bodem, weersinvloeden en demping zou zijn; dan de situatie van een vlak weiland en die van het dennebos, beide voor een ontvanger op 1 m hoogte. Op de horizontale as van de grafiek staat de toonhoogte van het geluid uitgezet, vanaf zeer laag tot zeer hoog.

Hier is natuurlijk vooral het verschil tussen weiland en bos van belang; dit blijkt in twee toonhoogtegebieden (de gespikkelde vlakken) aanzienlijk te zijn. Het middenfrekwente 'boseffect' (linker vlak) wordt veroorzaakt doordat bosbodem akoestisch zachter is dan weiland; het hoogfrekwente boseffect is te danken aan de aanwezigheid van de planten zelf. Meer in het algemeen behelst het effect van bos op wegverkeerslawaai dat de immissieniveaus over alle toonhoogten opgeteld op 100 tot 300 meter van de wegas tussen de 4 en de 16 dB(A) lager zijn dan de immissieniveaus boven een weiland. Een typerende waarde is een afname van 10 dB(A) op 100 m afstand bij een ontvangerhoogte van 1.50 m.

Deze resultaten, die in grote lijnen door meetgegevens uit de literatuur bevestigd worden, zijn van belang voor de problematiek van de geluidhinder. In het algemeen laten ze zien dat een beplanting, mits voldoende breed, mede om akoestische redenen langs een weg of rondom een woonwijk kan worden aangebracht of gehandhaafd kan blijven. Voor preciese prognoses van de immissieniveaus van verkeerslawaai zijn er officiŽle Nederlandse en internationale rekenvoorschriften. In al deze voorschriften wordt het effect van bos veronachtzaamd of als zeer gering beschreven. Uit mijn onderzoek blijkt dat dit onjuist is, en dat de voorschriften op dit punt moeten worden aangepast; ik heb de resultaten zo gepresenteerd dat dit eenvoudig gebeuren kan.

 


4. SamenvattingNaar het inhoudsoverzicht

Inleiding

Bij het al dan niet binnenskamers bestuderen van de voortplanting van geluid buitenshuis kan men het bestaan van temperatuur- en windgradiŽnten, vegetatie, en akoestisch zachte bodems niet veronachtzamen noch als een bijkomstigheid beschouwen. De drie genoemde factoren beÔnvloeden elkaar, beÔnvloeden de geluidsvoortplanting, en beÔnvloeden bovendien elkaars invloed. Naast de begrijpelijke interesse die de mens heeft voor de overdracht van akoestische signalen, heeft hij een verantwoordelijkheid om de door hem teweeggebrachte vervuiling van het akoestisch milieu van mens en dier onder ogen te zien en te beheersen.

Het onderzoek heeft zich voltrokken volgens twee strategieŽn. Enerzijds werd het gedrag onderzocht van gedeeltelijk nieuw ontwikkelde theoretische modellen; anderzijds werd de overdracht van geluid gemeten te zamen met de factoren die deze overdracht kunnen beÔnvloeden. Een volledige validatie van de modellen aan de hand van de metingen is niet mogelijk gebleken. Wel konden de meeste uitspraken die voortvloeiden uit de modelstudies aannemelijk worden gemaakt met behulp van meetresultaten. Evenzo leidde de analyse van de meetresultaten op zichzelf niet tot eenduidige conclusies omtrent de effecten van de afzonderlijke factoren, maar konden deze effecten wel redelijk worden onderscheiden door modelberekeningen in de analyses te betrekken.

Geluidsvoortplanting in een dennebos

De verhoogde ligging van het thermodynamisch actieve oppervlak in een vegetatie leidt tot temperatuur- en windgradiŽnten die systematisch verschillen van die boven een open veld. Bij weinig wind komt zowel overdag als 's nachts in de vegetatie een temperatuurinversie voor, die vooral overdag bijzonder steil kan zijn. Bij sterkere wind wordt deze temperatuurgradiŽnt afgebroken en ontstaat er een windgradiŽnt die de grootste waarde heeft in de bovenlaag van de vegetatie.

Bij metingen in een vrijwel gesloten Oostenrijksedennenbos bleken de effecten van deze gradiŽnten op de over tien minuten gemiddelde geluidoverdracht over honderd meter afstand veel geringer dan op basis van berekeningen met een straalbrekingsmodel kon worden verwacht. Als verklaring hiervoor wordt aangevoerd dat in de hoge en middenfrequenties de buigende invloed van de takken en stammen het brekende effect van de gradiŽnten dusdanig overschaduwt, dat het straalbrekingsmodel niet geldig is voor geluidoverdracht in bossen. In de lage frequenties is de geldigheid van het straalbrekingsmodel beperkt tot situaties op veel grotere schaal dan waarvan hier sprake is.

Buiging van geluid rond de boomstammen werd onderzocht aan de hand van een theoretisch model waarin 'geluidsdeeltjes' weerkaatsen tegen cilinders met aanpasbare eigenschappen. Met dit model kon de in het bos gemeten galm worden verklaard, indien de effectieve doorsnee van de cilinders werd verkleind bij toenemende golflengte, en hun effectieve reflectiefactor op 0.1 werd gesteld. In deze laatste grootheid is impliciet het effect verdisconteerd van afwijkingen in plaatsing en vorm van de bomen ten opzichte van de in het model gedefinieerde ideale cilinders.

De overdracht van laagfrequent geluid in het bos bleek goed te worden beschreven door een traditioneel model voor het effect van een lokaal reagerende bodem, met de impedantie volgens een eenvoudig tweeparametermodel, waarbij de effectieve waarden van deze parameters uit de gemeten geluidoverdracht werden afgeleid. Uit metingen in de hoge frequenties bleek evenwel dat de normale interferentie tussen rechtstreeks en bodemgereflecteerd geluid geheel verstoord was door een tweede interferentiepatroon dat aan de buigende invloed van de stammen wordt toegeschreven. Om deze reden werd aan het bodemeffectmodel een deelmodel toegevoegd voor verticaal coherentieverlies, waardoor een geleidelijke overgang van geheel coherente geluidoverdracht in de lage frequenties naar geheel incoherente overdracht in de hoge frequenties werd bewerkstelligd. Bij gebrek aan een kwantitatieve fundering voor het coherentieverliesmodel moesten de benodigde parameterwaarden empirisch worden bepaald.

De gemeten geluidoverdracht werd uiteindelijk grotendeels verklaard door een samengesteld model van bodemreflectie, coherentieverlies en stambuiging, gecalibreerd met de empirisch gevonden parameterwaarden. Een niet door het model beschreven extra demping in de hoge en zeer hoge frequenties wordt toegeschreven aan de absorptie aan de naalden. De hoogte-afhankelijkheid van de gemeten overdracht wordt onvoldoende door het model omschreven. Dit duidt erop dat de interactie van de diverse factoren ingewikkelder is dan in het samengestelde model wordt aangenomen.

Stralenpatroonanalyse

In een theoretische studie werd de invloed onderzocht die realistische geluidssnelheidsprofielen uitoefenen op de geluidsvoortplanting boven een vlakke, al dan niet begroeide, bodem. Hierbij werd in eerste instantie uitgegaan van de toepasbaarheid van de geometrische akoestiek, volgens welke een geluidsveld als een bundel van geluidsstralen beschreven kan worden.

Als 'realistisch' werden de temperatuur- en windprofielen beschouwd die beschreven worden door de similariteitstheorie van Monin-Obukhov. Hieraan werd de invloed van een vegetatie toegevoegd door een nulvlaksverhoging in te voeren in combinatie met semi-empirische profielvergelijkingen voor de luchtlaag onder het nulvlak. De verdere stralenanalyse heeft evenwel betrekking op een beperkt deel van deze profielen, namelijk alleen die waarin de eruit resulterende geluidssnelheidsgradiŽnt positief is en bovendien boven de bronhoogte niet toeneemt met de hoogte. In de praktijk betreft dit de temperatuurinversies en windprofielen die 's nachts optreden bij weinig wind of bij wind in de richting van bron naar ontvanger, en daarnaast de profielen overdag waarvan de meewindcomponent voldoende sterk is om het effect van de negatieve temperatuurgradiŽnt teniet te doen. Daarbij dient de bron zich boven een eventueel aanwezige vegetatie te bevinden. Rechtstreekse invloed van de vegetatie op de geluidoverdracht wordt in deze modelstudie verwaarloosd.

Wanneer binnen de genoemde beperkingen een groot aantal stralen onder verschillende hoeken van de bron worden weggezonden, vormen deze een patroon dat kwalitatief onafhankelijk is van alle voor de straalbaan zelf relevante parameters. Daardoor valt dit patroon te analyseren in algemene termen, zoals de ligging en volgorde van de brandvlakken die gevormd worden door elkaar scherend snijdende stralen. De toestand van het geluidsveld op een bepaalde afstand van de bron wordt nagenoeg volledig beschreven door een 'toestandsruimte' gevormd door de afstraalhoek, de aankomsthoogte en de aankomsttijd van de stralen. Hieruit kunnen voor iedere straal de intensiteit, het aantal meegemaakte reflecties en het aantal geschoren brandvlakken worden afgeleid. Ook kunnen voor elke ontvangerhoogte de eigenstralen systematisch worden geÔdentificeerd; analoog hieraan kunnen de stralengroepen worden afgebakend die ononderbroken gedeelten van het golffront vormen. Uit deze analyse van het stralenpatroon blijkt, dat in realistische neerwaartsbrekende geluidssnelheidsgradiŽnten de partiŽle geluidsvelden later aankomen en een hogere intensiteit hebben, naarmate ze meer bodemreflecties ondergaan hebben; bij het optreden van tweevoudige reflectie heeft het ongereflecteerde geluidsveld al vrijwel geen betekenis meer.

Teneinde de invloed van bodemabsorptie op de aldus gemodelleerde geluidsvoortplanting te onderzoeken, werd het stralenmodel in tweede instantie uitgebreid door aan de stralen een amplitude en een fase toe te kennen. Hierdoor werd het mogelijk om de bodemreflectie frequentie-afhankelijk te beschrijven door middel van de bolgolfreflectiecoefficiŽnt. De geluidsdruk werd als functie van ontvangerhoogte en frequentie berekend door de intensiteiten van de partiŽle geluidsvelden al dan niet coherent te sommeren over een vertikaal ontvangeroppervlak van golflengte-afhankelijke grootte.

Getoond wordt dat reflectie van geluid tegen een akoestisch zeer zachte bodem zoals een zandig hooiland onder de gegeven omstandigheden leidt tot hogere geluidsdrukniveaus dan reflectie tegen een wat hardere bodem zoals weiland. De zuiver geometrisch bepaalde convergentie van de gereflecteerde stralen heeft boven de zeer zachte bodem tot gevolg dat de geluidsdruk van het gereflecteerde geluid hoger is dan die van het rechtstreekse geluid. Boven een matig zachte bodem wordt dit effect door de daar sterkere absorptie teniet gedaan, maar boven een harde bodem overheerst het convergentie-effect opnieuw.

Omdat de relevante effecten elkaar tot op zekere hoogte opheffen, wordt in het algemeen slechts een beperkte verhoging van de geluidsdruk verwacht in vergelijking tot die bij neutrale windstille omstandigheden. Niettemin kunnen in de middenfrequenties aanzienlijke niveauverhogingen verwacht worden, omdat de 'bodemdip' die onder neutrale omstandigheden in de overdrachtsfunctie optreedt, sterk wordt teruggebracht als gevolg van de samendrukking van het interferentiepatroon in het frequentiedomein. In de lage frequenties voorspelt het model slechts zeer geringe gradiŽnteffecten; het straalbrekingsmodel is voor deze frequenties echter maar zeer beperkt geldig. Gesuggereerd wordt deze problemen a priori op te heffen door de gradiŽnten waardoor de stralen vervolgd worden vertikaal te middelen op een schaal die gekoppeld is aan de golflengte.

Het model blijkt in staat om kwalitatief zowel de amplitude als de fase van een pulsantwoord te verklaren dat gemeten werd onder omstandigheden waarin meervoudige reflectie optrad.

Toepassing

In een studie naar de betekenis van de nu beschikbare inzichten voor de geluidhinderproblematiek werd een analyse gemaakt van een groot aantal geluidoverdrachtmetingen over afstanden tot honderd meter. Daarbij werd gebruik gemaakt van een theoretisch model voor bodemeffect met daaraan toegevoegd een beschrijving van het vegetatie-effect in de vorm van een empirisch te bepalen frequentie-afhankelijke absorptie.

De analyseresultaten werden vergeleken met die van enkele officiŽle frequentie-afhankelijke prognosemethoden. Daaruit bleek dat het gelijktrekken van bosbodems met andere 'zachte' bodems, zoals in deze methoden gebeurt, tot systematische fouten in de lage en middenfrequenties leidt, die meestal een onderschatting van het effect van het bos tot gevolg hebben. Het effect van de planten zelf is een hoogfrequente absorptie, waarvan de grootte door alle onderzochte prognosemethoden wordt onderschat.

Vervolgens werden deze analyseresultaten met een uitgebreide versie van het model geŽxtrapoleerd om te komen tot prognoses van het effect van bos op de immissieniveaus van wegverkeerslawaai. Daaruit bleek, dat het effect van bos op de A-gewogen immissieniveaus van wegverkeerslawaai op korte afstanden zeer gering is, maar toeneemt bij grotere afstanden totdat op 100 tot 300 meter een maximum van 8-16 dBA wordt bereikt; een representatieve waarde is 10 dB(A) op 100 meter in een normaal bos bij een ontvangerhoogte van 1.50 m. Over de invloed van bos op grotere afstanden kon geen kwantitatieve uitspraak worden gedaan daar te weinig bekend is omtrent meteorologische effecten op de geluidoverdracht in bossen.

 


5. Preface (dankwoord)Naar het inhoudsoverzicht

A dissertation is not only a compilation of scientific work; it is also a testimony of years of apprenticeship. Indeed, more than seven years ago, I began this research by considering it mainly an extension of my science study, knowing that the way to its ultimate goal would be long, nebulous and insecure.

I joined the working group 'Geluid en Groen', established by Prof. H.F. Linskens, brought into a modest but steady blossom by dr. Maurice Martens, and later, in times of budget cuts, vigorously defended by Prof. Kees Blom. Thanks to these people I have had the opportunity to do my research in great freedom and with the best means available.

Nevertheless a half-time job is not much if one wants to combine computer modelling with outdoor experiments. No experiment would even have started without the contributions of Jan van Huet, Harry Balster, Harry Verscharen, Toon van Elk, and other technical personnel of the Faculty of Sciences. And no experiment would have been performed and worked out if there hadn't been students enthusiastically working on this subject, taking part in the discussions, writing reports, and generating new ideas. Here I will mention only those who have contributed directly to my work: Waling Tiersma, Herman van Wissen, Peter Gotwalt, Frans Corten, Ruud Foppen, Ron Hochstenbach, Chris van Swaay, Stan Tummers, Geert-Jan Wolfs, Paula van Vugt, Fred van Santwijk, Jan Schoenmakers, Renťe Beekwilder, Trinette Smits, Renť Niessen, Annemarie Linders, Wilko van Asseldonk, Luc Disselhorst, and Emilia Persoon.

Still, biology and educational technology do not form a very suitable background to explore the field of acoustics; they may lead to new views on the subject or to unorthodox research methods, but these can only have a serious impact if they are acoustically sound. Therefore, I was very happy to find myself virtually adopted by two experts: dr. Keith Attenborough, The Open University, Great Britain, and Prof. Volker Mellert, Universitšt Oldenburg, Bundesrepublik Deutschland. Through the years, I spent four months working under their direct guidance as well as living in the hospitality of their families. The regular stays at their institutes enabled me to discuss the validity of my models with fellow researchers, of whom I would like to mention especially dr. Margaret Price, dr. Heather Hess, dr. Johann Wempen, and dr. Helmut Klug. For all their scientific, educational and personal attention I hope to express my gratitude most properly by completing this dissertation and publishing the papers contained in it.

In the last year, the effects of the formal dissolution of the working group were considerably alleviated by external financial support. The Rijksinstituut voor Natuurbeheer spent a grant which enabled application of the research outcomes to noise prediction; for this grant I am much indebted to drs. Rien Reijnen and drs. Ruud Foppen. Dr. Huub van Hoof of the Fysisch en Elektronisch Laboratorium TNO purchased a license for RayFlux, which enabled me to do some further work on the ray pattern analysis. Mostert + de Winter Geluidwerendgroen b.v. is acknowledged for contributing to the multiplication of the dissertation.

I am indebted to Prof. Stan Gielen and dr. Maurice Martens for supervising the preparation of the manuscript as well as for making it possible to defend the dissertation at the University of Nijmegen.

Finally I wish to thank all who have contributed to this work and haven't been mentioned here. A special word of appreciation is reserved for the patience and tolerance of my colleagues at the Dutch Open University.

But most of all, I thank Elianne Muller for all her support and sympathy.


6. Curriculum vitaeNaar het inhoudsoverzicht

Willibrord Huisman werd op 10 augustus 1956 geboren te Zeist. Tijdens zijn gymnasiumopleiding aan de Katholieke Scholengemeenschap "de Breul" bouwde hij optische instrumenten, waarover hij publiceerde in het tijdschrift 'De Jonge Onderzoekers'. Als meest veelzijdige studierichting binnen de natuurwetenschappen koos hij de Biologie, waarin hij in februari 1982 afstudeerde aan de Katholieke Universiteit Nijmegen. Hoofdvakken van de doctoraalfase waren Aquatische Oecologie, met een onderzoek naar de fauna van zeegrasvelden in Bretagne, en Algemene Botanie, met een experimenteel onderzoek naar de overdracht van geluid in bossen. In het kader van een bijvak 'Filosofie van de Natuurwetenschappen' bestudeerde hij de relatie tussen natuur en kunst in het werk van Arthur Schopenhauer. Zijn interesse in onderwijs resulteerde in het behalen van de onderwijsbevoegdheid in maart 1982, in een korte aanstelling als vervangend docent in het middelbaar onderwijs, en in een eerste begin met het vervaardigen van computerondersteund onderwijs.

In mei 1983 verkreeg hij een halve aanstelling als wetenschappelijk medewerker aan het Botanisch Laboratorium van de Katholieke Universiteit Nijmegen om het onderzoek voor dit proefschrift te verrichten. Als invulling van zijn onderwijstaak binnen de vakgroep Experimentele Plantkunde gaf hij enkele colleges modelbouw en microklimatologie alsmede een jaarlijks terugkerend veldpraktikum betreffende het meten van het fysisch milieu van de plant.

Naast zijn werk aan de KU Nijmegen raakte hij geleidelijk aan als onderwijstechnoloog verbonden aan de Open universiteit te Heerlen. Aldaar heeft hij zich gespecialiseerd in het ontwerpen van computersimulaties ten behoeve van het wetenschappelijk onderwijs.

 

© Willibrord Huisman 1990-2020
Reacties? Vragen? Graag!
Multifunctionele webstek:
permanent in ontwikkeling,
altijd wel ergens verouderd,
sinds november 2011.