3. Gepopulariseerde samenvatting
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 één 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 Universität
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 beïnvloed 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.
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
beïnvloeden. 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 Renée 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 één 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 één 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.
 Ik 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 beïnvloed, 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.
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 knieën 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. Renée Beekwilder worden
aangesteld om de analyses en extrapolaties uit te voeren.
 Uit 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 officiële
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.
|
