Invloed van de vloerbekleding op de akoestische kwaliteit in klaslokalen Ing. Jan Van de Merckt, Dr.Ir. Pierre De Fonseca Bureau De Fonseca bvba (www.defonseca.be)
Inleiding De Vlaamse regering besliste om de achterstand in degelijke schoolgebouwen weg te werken tegen 2014. 211 scholen zullen de komende 5 jaar gebouwd of gerenoveerd worden, voor een totaal investeringsbedrag van 1 miljard Euro. De aandacht richt zich in dit verbeteringsproject steeds op een energiezuinige schoolinfrastructuur. De praktijkervaring toont echter aan dat moderne technieken voor energiezuinige gebouwen vaak een extra uitdaging zijn voor het realiseren van een goed akoestisch comfort. Technieken als betonkernactivering maken gebruik van warmteoverdracht door straling, veeleer dan door (al dan niet geforceerde) convectie in de meer traditionele koeltechniek. In deze toepassingen moet het plafondoppervlak vrij blijven voor straling, en is het derhalve niet mogelijk een akoestisch plafond aan te brengen. Niettemin is een goede akoestiek in onderwijsruimtes van uitzonderlijk groot belang voor kwaliteitsvolle leeromgevingen [1]. Achtergrondgeluid en nagalm kunnen problemen veroorzaken bij leerlingen, vooral dan bij de jongere leerlingen die nog onvoldoende vaardigheden hebben kunnen ontwikkelen om een onderscheid te maken tussen wat de leraar zegt en het ‘concurrerende’ achtergrondgeluid. Sleutelwoorden, zinnen of ideeën gaan verloren voor de leerlingen. Leerlingen met gehoorproblemen hebben moeite om te luisteren en zich te concentreren in klaslokalen met een slechte akoestiek. En zeker voor leerlingen met een andere moedertaal dan de taal van de leraar vormt een niet-aangepaste akoestiek een extra barrière om de leraar te begrijpen. Dit artikel onderzoekt daarom de invloed van het type vloerbekleding, en haar eigenschappen, op de akoestische kwaliteit van klaslokalen.
De akoestische kwaliteit van klaslokalen De akoestische kwaliteit van een klaslokaal wordt best geëvalueerd in functie van de verbale communicatie tussen de leerkracht en de leerlingen. In een klas met een goede akoestiek zullen de leerlingen gemakkelijk begrijpen wat de leerkracht zegt, zal de leerkracht zijn stem niet moeten verheffen (onder normale omstandigheden) en zullen de leerlingen minder verstrooid worden door lawaai van buiten (bv medeleerlingen in de gangen of op de speelplaats) Kortom, de efficiëntie van het leerproces zal drastisch verbeteren, hetgeen zorgt voor leerlingen met een hoger competentieniveau en meer gemotiveerde leerkrachten.
De nagalmtijd Het geluid van de menselijke stem weerkaatst op harde oppervlakken, zoals (geverfde) muren en plafonds of harde vloeren (linoleum, vinyl et cetera). Daardoor horen de luisteraars 2009R083b
verschillende, niet te onderscheiden, overlappende versies die het originele stemgeluid uitsmeren. Dit soort geluid dat een tijdje blijft duren, en reflecteert nadat de geluidsbron gestopt is, wordt ‘nagalm’ genoemd. De tijd die verstrijkt tot deze nagalm is uitgestorven, wordt de ‘nagalmtijd’ genoemd. Geluid sterft sneller uit in een ruimte naarmate er meer geluidsabsorberend materiaal in de ruimte aanwezig is. De ideale nagalmtijd voor een bepaald lokaal hangt onder meer af van het volume van dat lokaal *7+. Voor spraak is vooral de ‘vroege’ nagalmtijd van belang: de snelheid waarmee het eerste deel van het geluid wegebt. Voor de evaluatie van de akoestische kwaliteit van een klaslokaal is daarom de parameter EDT (Early Decay Time [4]) of de parameter RT15 ([4]) van belang. Als de nagalmtijd te lang is, zal het reflecterende (weergalmende) geluid het directe geluid maskeren of vervormen. Daardoor kan een toehoorder het originele 1
geluid niet goed meer begrijpen. Een zekere hoeveelheid gereflecteerd geluid is goed om te begrijpen wat iemand heeft gezegd, omdat de reflecties het originele stemgeluid wat kunnen versterken, maar bij teveel reflecties gaat de verstaanbaarheid sterk achteruit. Het is dus kwestie van een gezond evenwicht te bereiken. De combinatie van veel achtergrondlawaai met een lange nagalmtijd kan leiden tot een situatie die gekend is als het ‘cocktail party effect’. Een spreker gaat zijn stem verheffen om boven het achtergrondlawaai uit te komen. Als iedereen dat doet, en probeert te spreken ‘boven’ het volume van alle anderen, neemt het achtergrondlawaai verder toe. Het resultaat is een zeer lawaaierige omgeving, waarin het moeilijk is om te begrijpen wat mensen zeggen. Ondanks de naam komt het ‘cocktail party effect’ niet alleen voor op feestjes of recepties. Het kan ook voorkomen in klassen, vooral tijdens activiteiten met groepswerk of in klassen met kleinere kinderen. Zeker in klassen met een lange nagalmtijd wordt dit effect verder versterkt, en is het bijzonder vermoeiend voor de leerkracht.
De stem van de leerkracht De signaal-ruis-verhouding ‘SRV’ is de verhouding van de stem van de leerkracht ten opzichte van het niveau van het achtergrondlawaai. De aanbevolen minimale signaal-ruis-verhouding is +12 tot +15 dB opdat leerlingen efficiënt zouden horen in een klaslokaal, met een voorkeur voor +20 dB in het geval van leerlingen met gehoorproblemen. Een signaal-ruisverhouding van +15 dB betekent dat, als het achtergrondgeluid bijvoorbeeld 55 dB bedraagt, de leerkracht aan ongeveer 70 dB zou moeten spreken (wat al bijna roepen is). Dus hoe hoger het achtergrondlawaai in de klas, hoe luider de leerkracht moet spreken opdat de leerlingen hem duidelijk zouden kunnen verstaan.
De spraakverstaanbaarheid De spraakverstaanbaarheid in een ruimte kan geëvalueerd worden met een aantal parameters. De verhouding tussen het deel ‘vroeg’ geluid en het deel ‘laat’ geluid bepaalt 2009R083b
in grote mate de spraakverstaanbaarheid. ‘Vroeg’ geluid verspreidt zich van de spreker naar de toehoorder in minder dan 50 msec (al dan niet via een paar reflecties tegen de muren). Dit ‘vroeg’ geluid is nodig om de spraak te verstaan. ‘Laat’ geluid, dat de spreker bereikt na meer dan 50 msec, heeft een nadelig effect op de spraakverstaanbaarheid. De Deutlichkeit ‘D50’ (%) geeft het percentage van het ‘vroeg’ geluid in het totale geluid dat de toehoorder bereikt. De Speech Transmission Index ‘STI’ (%) *6+ is een berekende maat voor de spraakverstaanbaarheid, en varieert van 0 (volkomen onverstaanbaar) tot 1 (perfect verstaanbaar). De RASTI (RApid Speech Transmission Index) is een vereenvoudigde versie van de STI (vanuit berekeningsoogpunt), maar geeft ongeveer hetzelfde resultaat als de STI. De RASTI en de STI hangen rechtstreeks af van het niveau van achtergrondlawaai, de nagalmtijd en de omvang van de ruimte. Volgende tabel geeft de betekenis weer van RASTI (en STI) waarden: RASTI Spraakverstaanbaarheid < 30% Slecht 30% – 45% Beperkt 46% – 60% Redelijk 61% – 75% Goed 76% – 100% Zeer goed Tabel 1: Interpretatie van RASTI waarden
De geluidsisolatie Een goede geluidsisolatie zorgt ervoor dat mogelijk lawaai van buiten het klaslokaal minder storend is voor leerkracht en leerlingen. Muren, plafonds, ramen en deuren spelen een belangrijke rol in de isolatie tegen luchtgeluid (bijvoorbeeld van stemmen, verkeer). De vloerbekleding echter heeft een grote impact op de isolatie tegen contactgeluiden, zoals voetstappen, schuivende stoelen en tafels et cetera.
Vaststellingen in de praktijk In een eerste stap van dit onderzoek is het effect van een tapijt vloerbekleding op de akoestische kwaliteit in een klaslokaal opgemeten in de Vrije bassischool Sint2
Figuur 1: foto van het betreffende klaslokaal a) met de originele tegelvloer, en b) na het plaatsen van de tapijt vloerbekleding Vloerbekleding
Tegels
Tapijt
Nagalmtijd
2,0 sec
1,2 sec
61 dB(A)
56 dB(A)
Achtergrondgeluid
Tabel 2: Gemeten nagalmtijd en achtergrondgeluid in het klaslokaal, met de originele tegelvloer en na het plaatsen van tapijt vloerbekleding Annacollege in Antwerpen-Linkeroever. Van 26 tot 30 april 2010 is het achtergrondgeluid gemeten in een typische klas met een klassieke tegelvloer. Daarna zijn tapijttegels van het type Desso Tree Soundmaster geplaatst in het klaslokaal, en is de meting van het achtergrondgeluid herhaald van 19 tot en met 26 mei 2010. In beide situaties is eveneens de nagalmtijd opgemeten. Tabel 2 geeft de resultaten van deze metingen weer. Daaruit blijkt dat de nagalmtijd, gemiddeld over de octaafbanden van 500 tot 2000 Hz (bereik waarin de menselijke spraak zich situeert), beduidend daalt van 2 tot 1,2 seconden. Dit betekent wat een gevoelige verbetering van de akoestische kwaliteit. Met een dergelijke daling van de nagalmtijd komt een daling van het galmveld van ongeveer 2 dB overeen. In werkelijkheid is echter een 2009R083b
veel grotere daling van het achtergrondgeluid in de klas gemeten van 5 dB, gemiddeld over 5 lesdagen. Deze aanzienlijke verbetering van het akoestisch comfort in de klas is dus niet alleen het gevolg van een verminderde galm in de klas, maar ook en vooral van een verminderde geluidsopwekking: voetstappen, schuivende stoelen, bewegende kindervoetjes et cetera maken allemaal veel minder lawaai op een tapijt vloerbekleding dan op een tegelvloer. Door deze rustiger atmosfeer in de klas hoeft de leerkracht ook minder luid te spreken, met een minder vermoeide stem tot gevolg [8].
Verdere analyse berekeningsmodel
met
een
De akoestische eigenschappen van het klaslokaal zijn verder geanalyseerd met de 3
Figuur 2: Berekeningsmodel van het klaslokaal in de CATT Acoustic software [4] CATT Acoustic software voor zaalakoestische voorspellingen en auralisatie [4]. Het klaslokaal is 3,5 m hoog en heeft een vloeroppervlakte van 8 bij 7,9 m. Het meubilair bestaat uit 6 rijen van 4 individuele tafels, elk met een stoel. Ook het bureel en de stoel van de leerkracht zijn mee opgenomen in het model. De wanden, het plafond en het bord zijn voorgesteld als akoestisch harde oppervlakken, met absorptiecoëfficiënten van 2 tot 8% in de octaafbanden van 125 Hz tot 4 kHz. De klas heeft één inkomdeur en 3 ramen in één wand, en 5 ramen in de tegenoverliggende wand. De deur en de ramen zijn ook hard in de hogere octaafbanden, maar hun beperkte geluidsisolatie in de lagere frequenties is voorgesteld door een licht hogere absorptiecoëfficiënt, tot 15%. Figuur 2 toont dit klaslokaal vanuit 2 verschillende hoeken. De leerkracht staat voor het bord, en is voorgesteld door een geluidsbron op 1,6 m hoog boven de vloer, en met de kenmerkende directiviteit voor menselijke spraak gericht naar de leerlingen. De stem van de leerkracht heeft een vrouwelijk stemspectrum (gedefinieerd volgens de norm IEC 2003 60286-16) met een geluidsdrukniveau van 66,5 dB(A) op 1 m afstand. 5 ontvangers zijn gedefinieerd aan verschillende tafels verspreid over het klaslokaal.
2009R083b
Figuur 3: Positie van de bron en de ontvangers in het berekeningsmodel Het achtergrondlawaai in een klas wordt veroorzaakt door verschillende geluidsbronnen: 1) Het buitenlawaai, bv in de straat, dat vooral via de ramen en eventuele ventilatieroosters in de gevel binnen komt in het klaslokaal, en 2) Het lawaai binnen in het lokaal afkomstig van het ventilatiesysteem, en 3) Het lawaai van de bewegende, en soms pratende leerlingen. Jelíneka et al. [5] tonen aan dat de invloed van de ruimtelijke variatie van dit achtergrondgeluid op de akoestische kenmerken van het klaslokaal beperkt zijn, vooral in het geval dat vooral buitenlawaai via grote ramen het binnenlawaai bepaalt. Daarom veronderstelt deze analyse dat het achtergrondlawaai uniform verdeeld is over het klaslokaal.
4
Invloed van de vloerbekleding op de akoestische kwaliteit De akoestische kwaliteit van het klaslokaal wordt geëvalueerd met drie verschillende vloerbekledingen: een tegelvloer, een linoleum vloer, en een tapijtbekleding met bijzondere geluidsabsorptiewaarde (Desso Tree Soundmaster). Tabel 3 vat de berekeningsresultaten samen voor deze verschillende vloerbekledingen. De weergegeven waarden zijn een gemiddelde over de 5 ontvanger-punten verspreid over het klaslokaal. De waarden voor de nagalmtijd zijn ook hier de gemiddelden over de octaafbanden van 500 tot 2000 Hz. Deze berekeningsresultaten bevestigen dat een gepast tapijt de akoestische kwaliteit in het klaslokaal gevoelig verbetert. De nagalmtijd daalt met ongeveer 30%. Daardoor verbetert de spraakverstaanbaarheid van ‘beperkt’ met een tegel- of linoleumvloer tot ‘redelijk’ met het tapijt. Het achtergrondlawaai in de klas daalt met 5 dB van 61 dB(A) tot 56 dB(A). Merk op dat dit achtergrondlawaai zelf ook afhangt van de nagalmtijd: met een lange nagalmtijd zal een gegeven niveau van buitenlawaai een hoger binnenlawaai veroorzaken dan met een korte nagalmtijd. Het tapijt heeft dus een drieledig positief Parameter
effect op de spraakverstaanbaarheid in de klas: 1) Het beperkt de galm in de klas en daardoor de late reflecties, 2) Het vermindert de opwekking van stoorgeluiden veroorzaakt door bv schuivende stoelen of bewegende kindervoeten, en 3) Het vermindert het achtergrondlawaai veroorzaakt door externe geluidsbronnen. Om de nagalmtijd verder te verlagen tot in de buurt van de ideale waarde van 1 à 0,8 sec, kunnen een aantal geluidsabsorberende panelen aangebracht worden op de achterwand van het lokaal. Dit soort ingrepen wordt best per geval geanalyseerd. Naast de akoestische kwaliteit van het klaslokaal in de 5 ontvanger-punten, is ook de ruimtelijke verdeling van de spraakverstaanbaarheid onderzocht. Figuur 4 geeft de RASTI weer in een vlak op dezelfde hoogte als de hoofden van de leerlingen. De vergelijking van de drie figuren toont aan dat de significante verbetering van de akoestische kwaliteit door de tapijt vloerbekleding uniform verdeeld is over gans het klaslokaal. Overal stijgt de spraakverstaanbaarheid van ‘beperkt’ tot ‘redelijk’.
Tegelvloer
Linoleum
Tapijt
Vroege nagalmtijd EDT
1,9 sec
1,8 sec
1,1 sec
Nagalmtijd RT15
1,9 sec
1,8 sec
1,3 sec
Spraakverstaanbaarheid RASTI Beperkt Beperkt Redelijk Tabel 3: Samenvatting van de berekeningsresultaten van de akoestische kwaliteit in het klaslokaal met 3 types vloerbekleding
Figuur 4: Spraakverstaanbaarheid over het klaslokaal met verschillende vloerbekledingen a) met een tegelvloer b) met een linoleumvloer c) met een tapijtbekleding 2009R083b
5
Deze gevoelige verbeteringen tonen duidelijk aan dat zelfs in zeer energiezuinige gebouwen, waar technieken als betonkernactivering verhinderen om het (harde) betonplafond te bekleden met geluidsabsorberend materiaal, toch een goed akoestisch comfort kan gerealiseerd worden met een oordeelkundige tapijtkeuze.
Invloed van de vloerbekleding op de contactgeluidsisolatie Contactgeluiden worden in een school bijvoorbeeld veroorzaakt door schuivende stoelen, voetstappen of rollend speelgoed. Dit zijn allemaal zaken die de vloerplaat rechtstreeks in trilling brengen. Deze vloerplaat geeft zijn trillingen door onder de vorm van geluid aan de onderliggende of naastliggende ruimtes. De opbouw van een vloer bepaalt daarom de mate waarin die vloer de onder- en naastliggende ruimten isoleert tegen contactgeluiden. Deze contactgeluidsisolatie wordt gekwantificeerd door het geluidsniveau dat opgemeten wordt in een onderliggende ruimte wanneer een standaard contactgeluid wordt opgewekt in het bovenliggende lokaal. Dit geluidniveau wordt het contactgeluidniveau van de vloer genoemd. De onderstaande tabel toont de resultaten van zulke berekening voor twee boven elkaar liggende klaslokalen met dezelfde afmetingen als vermeld hoger in deze tekst. De draagvloer is opgebouwd uit beton van 15 cm dik. De berekening werd uitgevoerd voor een draagvloer met 5 verschillende Vloeropbouw Betonnen draagvloer met tegels
vloerbekledingen. Hoe lager het contactgeluidniveau, hoe beter de voorgestelde vloer isoleert tegen contactgeluiden. De derde kolom in deze tabel geeft de winst in contactgeluidsisolatie van een andere vloerbekleding ten opzichte van de basissituatie met de tegelvloer. Uit deze vergelijkende berekening blijkt de toepassing van linoleum (van 2,5 mm dik), zelfs met een speciale akoestische onderlaag, weliswaar al een aanzienlijke verbetering geeft, maar nog steeds onder het niveau blijft van een standaard tapijt (Desso Libra Lines). Het tapijt met een akoestische basislaag (Desso Tree Soundmaster) levert een reductie op van de contactgeluidsisolatie van 36 dB ten opzichte van de referentievloer met tegels. Dit betekent dat er in praktijk geen enkel contactgeluid uit een aangrenzend lokaal meer hoorbaar zal zijn.
Besluit Deze studie onderzoekt de invloed van de vloerbekleding op de akoestische kwaliteit in klaslokalen. Deze akoestische kwaliteit wordt geëvalueerd vanuit het oogpunt van de spraakoverdracht van de leerkracht naar de leerlingen. Deze spraakoverdracht verbetert naarmate de stem van de leerkracht minder weergalmt in de klas en naarmate er minder stoorgeluiden zijn. Daartoe zijn enerzijds geluidsmetingen uitgevoerd in een representatief klaslokaal, eerst met een standaard tegelvloer en naderhand met een tapijt vloerbekleding. Daarnaast is ook de ruimtelijke verdeling van de spraakverstaanbaarheid in dit klaslokaal Contactgeluidniveau 70 dB
Winst in contactgeluidsisolatie referentie
Betonnen draagvloer met linoleum 61 dB 9 dB Betonnen draagvloer met linoleum met een aangepaste 46 dB 24 dB onderlaag Betonnen draagvloer met een standaard tapijt 44 dB 26 dB Betonnen draagvloer met een tapijt met akoestische 34 dB 36 dB basislaag Tabel 4: Samenvatting van de berekeningsresultaten van de contactgeluidsisolatie in het klaslokaal met verschillende types vloerbekleding 2009R083b
6
berekend met de CATT Acoustic software voor zaalakoestische berekeningen. Drie soorten vloerbekleding zijn onderzocht: een tegelvloer, een linoleum en een akoestisch tapijt. De berekeningsresultaten tonen duidelijk aan dat de spraakverstaanbaarheid over het ganse lokaal toeneemt van ‘beperkt’ tot ‘redelijk’ door de tapijt vloerbekleding. Het gemeten achtergrondgeluidniveau in het klaslokaal daalt met 5 dB. De gemeten nagalmtijd daalt van 2,0 naar 1,2 sec. Verdere verbeteringen zijn mogelijk met bijkomende akoestische maatregelen, maar deze dienen geval per geval onderzocht te worden. Daarnaast geeft de tapijtvloerbekleding ook een aanzienlijke vermindering van de contactgeluiden in de onderliggende lokalen. Globaal gezien levert tapijt dus volgende voordelen voor de akoestische kwaliteit van de klaslokalen:
1) Het beperkt de galm in de klas, waardoor de spraakoverdracht verbetert, 2) Het vermindert de opwekking van stoorgeluiden veroorzaakt door bv schuivende stoelen of bewegende kindervoeten, 3) Het vermindert de overdracht van contactgeluiden naar onderliggende lokalen, en 4) Het vermindert het achtergrondlawaai in de klas veroorzaakt door externe geluidsbronnen. Deze vaststellingen geven aan dat zelfs bij gebruik van betonkernactivering voor zeer energiezuinige schoolgebouwen toch een voldoende akoestisch klimaat kan gerealiseerd worden met een tapijt op de vloer. Deze techniek laat dus toe om tegelijk duurzame en efficiënte leeromgevingen te creëren: de kwaliteit van de kennisoverdracht verbetert, en de rustiger omgeving spaart de stem van de leerkracht.
Referenties 1. Ministry of Education, New-Zealand, Designing quality learning spaces: Acoustics, WEB ISBN: 0-478-13627-7, 2007. 2. L. Nijs, G. Vermeir, Akoestische kwaliteit in klaslokalen in België en Nederland, Enkele aanbevelingen voor het bouwkundig ontwerp, Bouwfysica, Vol. 17, n°4, 2004. 3. G. Vermeir, L. De Geetere, Classrooms acoustics in Belgian schools: experiences, analysis, design, Proceedings Inter-Noise 2002. 4. B. Dalenbäck, CATT Acoustic v8.0i, www.catt.se, 2009. 5. M. Jelíneka, M. Rychtáriková and G. Vermeir, Distribution of Background Noise in the Classroom and it’s Influence to Speech Intelligibility, Proceedings Inter-Noise 2007. 6. H. J. M. Steeneken, T. Houtgast, A physical method for measuring speech-transmission quality, Journal of the Acoustical Society of America, 67, 318–326, 1980. 7. Ministerie van openbare werken, Bestuur der Gebouwen, TYPE-BESTEK 110 van 1979, geldend als vaste bijlage bij de bijzondere bestekken betreffende offerteaanvragen voor geïndustrialiseerde gebouwen (administrative and technical regulations). 8. Klasse, Een op de drie Vlaamse leraren heeft last met zijn stem, Persbericht 29 maart 2010.
2009R083b
7
