Hoe zitkussens het begrip van akoestiek veranderden

Epidaurus

Duizenden jaren lang probeerden wetenschappers uit te vinden hoe de bouw-akoestiek zich gedraagt. Rond 350 voor Christus was er een Griekse beeldhouwer en architect, Polykleitos de Jongere, die de opdracht had om een amfitheater met 6.000 zitplaatsen te ontwerpen in het Griekse Epidaurus. Dit werd in twee fasen gebouwd. De eerste in de 4e eeuw voor Christus en de tweede in het midden van de 2e eeuw.

Het was een gigantisch project met 14.000 zitplaatsen, verdeeld in twee gedeeltes: de onderste rijen waren voor hooggeplaatste leden van de samenleving en de overige rijen voor het gewone publiek. Maar hoe konden de toeschouwers in de achterste rijen de lezing op het 60 meter lager gelegen podium horen?

In 2007 konden twee Belgische onderzoekers van het Georgia Institute of Technology een deel van het akoestisch mysterie ontrafelen. Er werd aangetoond dat er een verband is met de gegolfde vorm en het rotsachtige materiaal van de stoelen die dienen als filter voor het geluid dat uit het orkest komt^[1]. Het theater werd gebouwd met specifieke vormen en afmetingen volgens de wiskundige grondbeginselen van Pythagoras.

Vandaag de dag is het een van de best bewaarde theaters in zijn soort ter wereld.

Een boeiende vraag die me altijd bezig hield is:  "Kende de architect Polykleitos de Jongere de akoestische mogelijkheden van het theater of was het gewoon toeval?” Het woord "akoestiek" komt van het Griekse woord ἀκουστικός (akoustikos), wat "van of voor het horen, klaar om te horen" betekent^[2]. Dus de vraag is of Polykleitus de Jongere dan de grondlegger van de wetenschap van de akoestiek is. Geloof het of niet, daarvoor moesten we nog eens 2.300 jaar wachten.

Muziek gecomponeerd voor de concertzaal

Tussen Polykleitos de Jongere en 1895 hielden talloze wetenschappers zich bezig met de theorie van geluid, geluidsgolven, resonatoren en frequenties. Bouw-akoestiek of nog specifieker, ruimte-akoestiek, kreeg in die tijd niet echt veel aandacht van wetenschappers.

Het waren de grote componisten die het belang van de akoestiek in een zaal of ruimte inzagen. Het bracht hen ertoe om muziek speciaal te componeren voor de zaal waar hun stuk werd opgevoerd en niet andersom. Zo is bijvoorbeeld "Toccata en Fuga in d-moll"[3], geschreven door Johann Sebastian Bach – een muzikale compositie gespeeld op een orgel – ideaal voor een kathedraal met een gemiddelde nagalmtijd van 5 seconden. Aan de andere kant componeerde Mozart muziek om te worden gespeeld in compleet gemeubileerde kamers. Veel van de opera's die hij schreef worden het best uitgevoerd in ruimtes met een nagalmtijd van 1,00- 1,30 seconden [4].

Waarom zijn ze dan niet begonnen met het ontwerpen van ruimtes en concertzalen die een optimale ruimte-akoestiek hebben? De wetenschap van de akoestiek werd nog steeds gezien als een mysterieuze combinatie van diverse, ondefinieerbare factoren. Daar kwam echter aan het eind van de 19e eeuw verandering in.

Maak kennis met Wallace Sabine

In het jaar 1895 werd aan een jonge Amerikaanse assistent-professor in de natuurkunde op de Harvard University – genaamd Wallace Clement Sabine – gevraagd om een complex probleem op te lossen in de Fogg collegezaal van Harvards onlangs gebouwde Fogg Art Museum. Het probleem met de collegezaal van de universiteit was dat deze overmatig galmde. Sabine, die nooit was gepromoveerd en geen bijzondere kennis van geluid had, kreeg opdracht om de beruchte slechte akoestiek in de zaal te verbeteren. Iedereen veronderstelde dat dit onmogelijk was, maar Sabine nam zich echter voor vast te stellen wat de Fogg collegezaal zo anders maakte dan andere akoestisch aanvaardbare ruimtes.

Sabine merkte op dat het stemgeluid van een spreker in de Fogg collegezaal gedurende 5,5 seconden hoorbaar bleef, zelfs bij een normaal gesprek. Je kunt je voorstellen hoe moeilijk dit het maakte om te begrijpen wat de spreker zei.

Het viel Sabine op dat er op de campus van Harvard University nog een andere collegezaal was waar nauwelijks werd geklaagd over de akoestiek – het Sanders Theater. Deze zaal had dezelfde akoestisch complexe vorm als de Fogg collegezaal. De capaciteit was drie keer zo groot met 700 zitplaatsen meer. Hem viel echter één belangrijk verschil op: de stoelen in Sanders Theater hadden kussens.

Zitkussens

In plaats van de akoestiek te verbeteren, richtte hij zijn onderzoek op de geluidsabsorberende eigenschappen van de kussens. Dat was niet makkelijk, want er moest met veel variabelen rekening worden gehouden. Samen met zijn assistenten verplaatste hij de zitkussens van het Sanders Theater naar de Fogg collegezaal. Het viel hem op dat de geluidscondities in de zaal hierdoor veranderden. Hij deed diverse metingen met slechts een orgelpijp en een stopwatch. Hierbij luisterde hij hoe lang het duurde tot het geluid verdween. Sabine voerde de meeste van zijn experimenten middenin de nacht uit, zodat hij achtergrondgeluiden kon beheersen, die anders zijn metingen zouden verstoren. Op een gegeven moment ontdekte hij zelfs dat de uitkomst van de metingen anders was wanneer hij bepaalde kleding droeg. De overige testen voerde hij consequent uit in dezelfde outfit.

Gedurende een periode van drie jaar heeft Sabine duizenden metingen verricht met behulp van honderden zitkussens. Hij deed ook metingen in de andere zalen van Harvard University en gebruikte andere materialen zoals tapijten.

Ik heb het eindelijk gevonden!

In de enorme hoeveelheid verzamelde data zocht Saki naar het verband tussen de akoestische kwaliteit, de grootte van de zaal en het aantal absorptie oppervlakken, maar hij wist niet hoe alle puzzelstukjes in elkaar pasten. Plotseling had hij een ingeving en riep uit: “Eindelijk heb ik het gevonden!” ^[5].

Toen hij de hoeveelheid zitkussens in het Sanders Theatre (x) in kaart bracht versus de bijbehorende nagalmtijd in een ruimte (y), ontdekte hij dat de grafiek die hieruit voortkwam een rechthoekige hyperbool was – een standaard wiskundige curve die wordt gekenmerkt door de vergelijking xy = k, waarbij k de constante is^[5]. Hij besefte dat zijn ontdekking van de hyperbolische samenhang een doorbraak was voor zijn begrip van de nagalmtijd.

De uitvinder van ruimte-akoestiek

Geluid is in feite energie. Eenmaal geproduceerd in een afgesloten ruimte zal het klinken totdat het wordt overgedragen op een aangrenzende wand of wordt omgezet in een andere vorm van energie, meestal warmte. Dit proces van de afname van het geluid noemen we absorptie[6].

Deze verstoring door absorptie kan worden beschouwd als een proces van meerdere weerkaatsingen van de wanden, het plafond en de vloer. Eerst van de ene en dan van de andere. Hierbij verliest het een deel van zijn sterkte bij elke weerkaatsing, totdat het uiteindelijk onhoorbaar wordt. Dit wordt nagalm genoemd[6].

Hij definieerde de nagalmtijd als "het aantal seconden dat het duurt voordat het oorspronkelijke geluidssignaal daalt met 60 dB".

De uitkomst van het onderzoek van Sabine leverde de formule T = 0,161 V/A op.

T              = nagalmtijd (seconden)

0,161       = hyperbolische constante

V              = volume van de ruimte (kubieke meter)

A              = absorberend oppervlak (vierkante meter)

Dit groeide uit tot de Formule van Sabine die vandaag de dag nog steeds wordt gebruikt voor de bouw-akoestiek. Uiteindelijk werd Sabine decaan van de Graduate School of Applied Science van Harvard van 1906 tot 1915. In 1919 stierf Sabine op 50-jarige leeftijd in het ziekenhuis aan complicaties na een operatie.

Na zijn overlijden is de bouw-akoestiek in een stroomversnelling geraakt tot de dag van vandaag. Sabine wordt alom beschouwd als de uitvinder van de ruimte-akoestiek.

Fabels over ruimte-akoestiek

Nu we meer weten over de wetenschap achter ruimte-akoestiek kunnen we heel wat beweringen als fabels ontmaskeren.

Fabel: Je kunt een muntje horen vallen op de achterste rijen van het Theater van Epidaurus.

In 2017 brachten onderzoekers van de TU Eindhoven de akoestische kwaliteiten van het Theater van Epidaurus in kaart. De resultaten van het onderzoek toonden aan dat de geluidskwaliteit van het theater goed is, maar niet zo indrukwekkend als veel reisgidsen beweren. Het geluid van een muntje dat valt, is alleen te horen als het halverwege de stoelenrijen valt [7].

Fabel: Ruimte-akoestiek is alleen van belang in grote ruimtes die bestemd zijn voor opvoeringen.

Eerst moeten we ons de vraag stellen: "Waarom is de akoestiek belangrijk?". Akoestiek wordt vaak geassocieerd met concertzalen, opnamestudio's en collegezalen. In deze ruimtes is de akoestiek een kritische factor. Maar een goede ruimte-akoestiek verbetert ook het welzijn van mensen, verhoogt de productiviteit op het werk, verbetert het leerproces op school en verkort de hersteltijd in het ziekenhuis. Ik denk dat de meeste mensen wel weten hoe onaangenaam lawaaierige ruimtes kunnen zijn, zoals restaurants, rumoerige klassen of zelfs je eigen woonkamer. Het is dus essentieel om te kijken naar het verbeteren van de akoestische omgeving in elke ruimte waar we wonen, slapen, werken, genezen en onze vrije tijd doorbrengen.

Fabel: Voeg simpelweg tapijten en gordijnen toe voor een goede akoestiek in huis.

Het verbeteren van de akoestiek in huis kan de ruimte aangenamer en plezieriger maken wanneer je films op televisie wilt kijken, naar muziek wilt luisteren of gewoon met vrienden of familie wilt dineren. Maar een tapijt en gordijnen in je woonkamer zijn bij lange na geen complete akoestische oplossing. Dit komt door hun beperkte oppervlakte en de lage geluidsabsorberende eigenschappen in vergelijking met een akoestisch plafond. We hebben meerdere sterk geluidsabsorberende akoestische plafondconcepten voor woonkamers om voor een optimale akoestiek te zorgen.

De complexiteit van ruimte-akoestiek

De wetenschap van de ruimte-akoestiek is bijzonder complex. We kunnen een paar getallen invullen in een online calculator voor ruimte-akoestiek, maar dat is nog maar het begin. Er is een analyse nodig van de afmetingen van de ruimte, de vorm en de hoogte van het plafond. Wat is het ontwerp van de ruimte? Hoeveel mensen bevinden zich erin en wat gebeurt er precies? 

Geluidsabsorberende wandpanelen in combinatie met een volledig systeemplafond zijn vaak nodig om aan de akoestische eisen te voldoen. Combineer dat met de wetenschap van de bouw-akoestiek en het wordt nog ingewikkelder.

Ik vraag me af of Sabine wist waaraan hij begon toen hij al die kussens verplaatste...

Om een goede akoestiek te bereiken en mensen een beter gevoel te geven, kunnen we verschillende oplossingen toepassen en installeren. Bij Rockfon zijn we experts in het creëren van ruimtes die voor iedereen mooi klinken.