Luchtakoestiek: Theoretisch en praktisch onderzoek (1928 – 1936)
Luchtakoestiek: Theoretisch en praktisch onderzoek (1928 – 1936)
Na de negatieve resultaten van een eerste onderzoek aan luistertoestellen en het afwezig zijn van literatuur over onderzoek aan luistertoestellen, is Van Soest in 1928 begonnen met het uitvoeren van systematische geluidsmetingen. Vanaf 1932 tot in 1935 werkte het Meetgebouw aan fundamentele research op het gebied van stereo-acoustiek.
Van Soest onderscheidde drie belangrijke onderwerpen:
- het menselijk vermogen tot richtinghoren,
- het vermogen van luistertoestellen om goed richtinggevoelig te detecteren, en
- de invloed van de atmosfeer op het geluidtransport.
Van Soest begon met de eenvoudigst mogelijke middelen het onderzoek van het menselijk vermogen om de richting van een geluidsbron vast te stellen. Bedenk dat elektronische middelen òf niet beschikbaar òf primitief waren.
Testen van een proefpersoon met de luisterslang, reeds bij de krijgsmacht in gebruik voor aanwezige fabriekstoestellen, geeft een beeld over de geschiktheid als luisteraar om met een luistertoestel de richting van een geluidsbron te kunnen bepalen. Van Soest stelde het grote belang vast van het tijdverschil tussen de signalen op ieder oor voor het horen van richting. Met de luisterslang (‘kaoetjoekslang’ = slang gemaakt van ‘gummi elasticum’. 20 meter lang en een doorsnede van 12 mm) kon men vaststellen in welke mate een proefpersoon goed kon richtinghoren. De luisterslang, waarvan één exemplaar in het museum aanwezig is, is een van de componenten waarvan we vóór de archiefstudie de betekenis niet begrepen. Het is een slang van ongeveer een meter lengte met aan het uiteinde twee houten doppen en op het midden van de slanglengte een streep. Op de foto is te zien hoe de test werkt. De proefpersoon links zet de doppen op zijn oren, sluit zijn ogen en luistert. De keurmeester rechts tikt met een voorwerp op de slang. De proefpersoon moet zeggen of het geluid van links, van rechts of van recht vooruit komt.
Bij de testen die Van Soest en zijn eerste medewerker Piet Groot hebben uitgevoerd, stelde Van Soest vast dat Groot zo’n goed richtingsgevoel had, dat hij de nauwkeurigheid van zijn richting horen niet kon vaststellen. Even naast de streep gaf Groot de goede richting aan. In de museumverzameling is echter een stukje messing staaf aanwezig waarop om de 2 mm een streepje staat. Van Soest zaagde de luisterslang op de streep door en schoof de nieuw ontstane uiteinden een stukje over de messing staaf. De geluidssnelheid is in messing ongeveer 10.5 maal zo hoog als in de lucht in een slang. Gaat men nu tikken op het messing dan is een schaalvergroting met een factor tien verkregen, 1 mm op de slang is tien mm op de messing staaf. Van Soest stelde vast dat Groot een tijdverschil van 1 microseconde in de aankomst van het geluid tussen linker- en rechteroor kon horen, wat overeenkomt met een richtingsgevoeligheid van ongeveer 1 graad in kaarthoek.
Later komt een experiment met een 60 cm lange messing staaf met een 2 mm schaalverdeling “op een rustige Zondag nadat we volledig rust hadden genomen” op een nulpuntsbepaling van 2.5 en 2.4 miljoenste seconde voor respectievelijk van Soest en Groot.
Volgens het jaarverslag 1928 van de Commissie zou dat ‘voor een Goertz luistertoestel een nauwkeurigheid tussen de 1/8 en 1/80 graad betekenen. Het bereiken van deze nauwkeurigheid wordt in de praktijk belet door de weersinvloeden die afwijkingen tot zelfs +/- 10 graden kunnen geven. Om die reden wordt gezocht naar correctiemiddelen gezocht om de door wind, temperatuursinvloeden ontstane afwijkingen van de geluidsstraalen zoo veel mogelijk op te heffen‘.
Van een veteraan, die in 1939 – 1940 bij de Krijgsmacht heeft gediend, hebben we later gehoord dat bij de test met de luisterslang bij de troepen de slang bij de proefpersoon achter zijn rug omliep en deze dus zijn ogen open kon houden.
In het museum liggen twee plankjes met aan de bovenzijde een dot was met daarin een gebitafdruk. Het museumarchief gaf uitkomst; het waren de afdrukken van de gebitten van Van Soest en van Groot en deze plankjes werden bij de tonproef gebruikt. In het duin was een grote ton ingegraven waar een van hen gehurkt in kon zitten waarbij het hoofd net boven de rand uitstak. Op de rand van de ton was om de dertig graden een vastzetinrichting voor de plankjes aanwezig. Op enige afstand van de ton stond een geluidsbron. De proefpersoon hurkend in de ton zette zijn tanden in zijn wasafdruk van het op de rand van de ton vastgezette plankje, stak een vinger in een van zijn oren en luisterde met het andere oor naar de geluidsbron die langzaam langs een rechte lijn van de ton af werd bewogen. Als het geluid niet meer te horen was, stak de proefpersoon een vinger op en werd de afstand genoteerd. Met de tandklem vervolgens ingeklemd op de andere hoeken werd zo het gevoeligheidsprofiel rondom het hoofd van beide oren gemeten. Een van de resultaten van het onderzoek was dat de gebruikelijke grote afstand tussen twee geluidopvangende elementen van een luistertoestel voor de gemiddelde goede luisteraar onnodig was.
Het theoretische bereik van akoestische luistertoestellen was zo’n 3.500 meter. Een bommenwerper had rond die tijd een kruissnelheid van 225 km/u. Men hoorde een vliegtuig dus op een plaats waar die een aantal seconden eerder was of te wel op een plaats hetzelfde aantal keer 62.5 meter achter het vliegtuig.
In het Meetgebouw bouwden Van Soest en Groot Van Soest’s kantoor om tot akoestisch dode kamer door wanden, plafond en vloer te behangen met jute en het aanbrengen van een kooi bekleed met poetskatoen. In deze ruimte deden ze metingen met als doel de richtingsgevoeligheid van de oren van henzelf vast te stellen. De waarnemer zat met het hoofd recht vooruit geheel stil in het midden van een denkbeeldige bol met een straal van drie meter. Op een deel van dit boloppervlak liggen 25 punten zoals aangegeven in de figuur. Het middelste punt op de ooglijn en de andere punten horizontaal en verticaal maken ten opzichte hiervan een hoek van 10º c.q. 20º.
Aan ieder van deze punten werd beurtelings een geluidgever gehangen, die periodiek korte geluidsimpulsen voortbracht. Terwijl de geluidgever in actie was, bepaalde de waarnemer met gesloten ogen de richting van waaruit hij het geluid meende te horen komen. Hij wees er met de rechter wijsvinger naar. Met geopende ogen werd de waargenomen richting vastgelegd en vergeleken met de ware richting. De afwijkingen in graden werden nauwkeurig geschat en genoteerd. De resultaten van Van Soest en Groot zijn in een figuur vastgelegd. (zie artikel “RICHTINGSHOOREN BIJ SINUSVORMIGE GELUIDSTRILLINGEN”)
In augustus 1929 werd aan de Commissie gevraagd om de Genie een apart loodsje voor akoestische proeven te laten bouwen op zo’n 175 m afstand van het Meetgebouw omdat de acoustische proefnemingen te veel storingen ondervonden van ‘mechanische trillingen en electrische invloeden, die het gevolg zijn van de nabijgelegen schietbanen (Kamp Waalsdorp), den transformator en de werkzaamheden van den instrumentmaker‘.
Bij waarnemen in elevatie heeft van Soest proeven gedaan door de oren af te dekken met een plaat waarin een klein gat zat. Het waarnemen in kaarthoek was even nauwkeurig als zonder afdekplaat, maar de elevatiewaarneming was niet meer goed mogelijk. Hieruit werd de conclusie getrokken de oorschelpen een belangrijke rol spelen bij het verticaal richting horen.
Van Soest heeft een theorie opgezet, die op basis van het tijdverschil dat het geluid bij de twee oren aankomt – de kaarthoekwaarneming – en de waarneming van het intensiteitsverschil voor beide oren – de elevatiewaarneming – aangeeft hoe de hersenen deze informatie verwerkt tot de richtingwaarneming. (zie artikel “HET RICHTINGSHOOREN IN DE RUIMTE”)
Een tweede uitkomst van zijn onderzoek was de ontdekking van het schadelijke effect van het geluidtransport door metalen en rubberpijpen. Deze veroorzaakten verzwakking en vervorming waardoor het geluidsbeeld verstoord werd.
Van Soest combineerde beide vondsten. Hij verkreeg een parabolische geluidsspiegel met een cirkelvormige doorsnede van ongeveer 120 cm, gemaakt van gips aan beide zijden bedekt met een papierlaag. Deze werd in tweeën gedeeld en elk oor van de luisteraar werd geplaatst in het brandpunt van een van beiden. Vergelijkende proeven op de Waalsdorpervlakte toonden aan dat deze opstelling betere resultaten opleverde dan de eertijds in gebruik zijnde buitenlandse luistertoestellen.
Van Soest concludeert dat de brekingswet van Snellius gebruikt kan worden voor de voortplanting van geluid in lucht waar druk-, vocht- en temperatuurgradiënten breking van de voortplantingsrichting van geluid veroorzaken. Verder treedt er door windinvloed breking op doordat windsnelheden vlak boven de grond vanaf het maaiveld van nul toenemen tot de maximaal optredende windsnelheid op zekere hoogte. In verband met de luistertoestellen waren deze atmosferische onderzoeken nog nimmer uitgevoerd. Van Soest heeft een team, bestaande uit Prof. Elias, Prof. Zwikker, Dr Zijlstra en hemzelf, bij elkaar gebracht met als doel wiskundige theorieën te ontwikkelen die de diverse brekingsaspecten beschrijven. Het resultaat van het onderzoek geeft bijvoorbeeld voor de temperatuurgradiënt de resultaten weergegeven in de volgende figuren.
Bij het bovenstaande figuur is sprake van een temperatuur die naar boven toeneemt, bij de onderstaande figuur neemt de temperatuur naar boven af.
In de gearceerde gebieden van het bovenstaande figuur kan de bron niet worden waargenomen. Tijdens praktische metingen is gebleken dat bij optredende gradiënten grote hoekafwijkingen in de waarnemingsrichting en de werkelijke richting van een geluidsbron kunnen optreden. Deze hoekafwijkingen kunnen veel groter zijn dan de afwijkingen die optreden door de onnauwkeurigheid in het waarnemen met luistertoestellen.
Parallel aan dit onderzoek is in 1929 onderzoek gestart naar verschillende typen microfonen voornamelijk om te zien of zij in luistertoestellen een verbetering van het menselijk gehoororgaan konden betekenen voor zover het intensiteit en drempelwaarde betrof. Het museum beschikt over meetgrafieken en apparatuur waarmee onderdelen van microfonen gemaakt werden. In 1930 werd een eigen condensatormicrofoon gebouwd (aanschaf van een bestaand Siemens product a fl. 800 – 900 was te duur bevonden); in 1932 een elektromagnetische spanbandmicrofoon. De proeven beantwoordden uiteindelijk niet aan het gestelde doel, het menselijk oor bleek veel gevoeliger te zijn.
Plotten van vliegsnelheid en afstand
In navolging van de vlakke planchet corrector, die ook bij de Duitse Richtungshöhrer werd gebruikt, werd geëxperimenteerd met een vlakke plaat planchet. Hierbij kon uit enkele om de 20 seconden vastgelegde waarnemingen van elevatie en azimuth de vliegsnelheid, afstand en richting worden bepaald bij een geschatte hoogte van het vliegtuig.
Het museum beschikt over een ontwerptekening ‘spinweb-blad’ van een 1 bij 1 meter groot planchet dat later in een koperen plaat gegrafeerd is. De afmetingen komen overeen met de schaal 1: 25.000 van de gebruikelijke militaire stafkaarten. Het centrumpunt was de positie van de waarnemer. Bij een vlieghoogte van 1000 m “zijn alle aantekeningen op het spinwebblad onmiddellijk goed geplaatst op de onderliggende kaart. Bij andere vlieghoogten moeten de afstanden waarnemer-vliegtuig (beter gezegd: middelpunt spinwebblad tot punt van den vliegweg) vermenigvuldigd worden met een factor uit de tabel, waardoor het vliegtuig // [paralllel aan] zich zelf wordt verplaatst.”
De poolafstand van het web is 40 mm voor eene vlieghoogte van 1000 m, en 10 cm voor eene vlieghoogte van 2500 m. Er zijn 64 segmenten van 100 mrad ieder. De concentrische ringen op de tekening zijn aangebracht voor iedere elevatiegraad tussen de 1 en 20 graden; daarna per 5 graden.
Een berekeningstabel en de bovenstaande tekst zijn toegevoegd aan het ‘spinweb-blad’. Bij het narekenen met een computer blijken enkele van de handmatig berekende waarden eertijds anders afgerond te zijn. Dit is aangegeven met de rode waarden.
Berekening:
V= vliegtuigsnelheid in km/h.
In 20 seconden is de vliegweg 20 * 1000/3600 * V meter.
H is de vlieghoogte in meters.
Bij een poolafstand van 40 mm van het planchet is de vliegweg op het planchet 20 * 1000/3600 * V * 40/H = 2000/9 * V/H mm.
In de praktijk bleek dit idee slecht toepasbaar. Bij de luistertoestellen werden verschillende geschatte vliegsnelheden gebruikt en slechts twee verschillende vlieghoogten naast de doelrichting. De commandant sergeant van het luistertoestel moest deze getallen ophoesten waarbij meer dan twee vlieghoogtes niet mogelijk was. Het gebruik van zes vlieghoogten zoals die in de tabel staan was in de praktijk niet bruikbaar.
Referenties
- Soest, J.L. van (1928). Stereoacoustische metingen, Handelingen van het XXIIe Nederlandsch Natuur- en Geneeskundig Congres gehouden op 2,3 en 4 april 1929 te Rotterdam.
- Soest, J. L. van en Groot, P. D. (1929). Artikel “STEREAOCOUSTISCHE GELUIDSBEELDEN EN KLEINST WAARNEEMBARE TIJDSVERSCHILLEN”, 05-02-1929 (ingescande versie)
- Soest, J. L. van en Groot, P. D. (1929). Artikel “RICHTINGSHOOREN BIJ SINUSVORMIGE GELUIDSTRILLINGEN”, Physica 1929, pp.271—282. (ingescande versie)
- Soest, J. L. van en Groot, P. D. (1931). Artikel “HET RICHTINGSHOOREN IN DE RUIMTE”, Physica 11, pp. 103-116. (ingescande versie)
- Artikel “DAS MINIMUM AUDIBILE UND DIE KONTRASTSCHWELLE” door J. L. van Soest en P. D. Groot, Physica Volume 2, Issues 1–12, 1935, pp. 196-200. (ingescande versie)
- Nationaal Archief, Den Haag, Ministerie van Defensie: Commissie voor Physische Strijdmiddelen, 1929-1932, 1938-1940, nummer toegang 2.13.94, inventarisnummers 1 & 2