Luchtakoestiek: theoretisch en praktisch onderzoek (1929 – 1936)

Luchtakoestiek: Theoretisch en praktisch onderzoek (1929 – 1936)

Na de negatieve resultaten van een eerste onderzoek aan luistertoestellen en het afwezig zijn van literatuur over onderzoek aan luistertoestellen in 1928,  is Van Soest in 1929 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 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.

"luisterslang" gebruikt tijdens beproeving met een vrijwilliger
“luisterslang” gebruikt tijdens beproeving met een vrijwilliger

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 tien 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. 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.

Plankje met gebitsafdruk voorkomt knarsen van de tanden
Plankje met gebitsafdruk voorkomt knarsen van de tanden

In het museum liggen twee plankjes met aan de bovenzijde een dot was met daarin een gebitafdruk. Het archief 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.

Van Soest in de ton met de tandklem in zijn mond
Van Soest in de ton met de tandklem in zijn mond
Gevoeiligheidsprofielen van een oor van Van Soest en Groot
Gevoeiligheidsprofielen van een oor van Van Soest en Groot

 

Het eerste experimentele luistertoestel van het Meetgebouw gemonteerd op een Goerz onderstel
Het eerste experimentele luistertoestel van het Meetgebouw gemonteerd op een Goerz onderstel
Experimenteel luistertoestel type van Soest
Experimenteel luistertoestel type van Soest

In het Meetgebouw bouwden Van Soest en Groot Van Soest’’s kantoor om tot akoestisch dode kamer door wanden, plafond en vloer te beplakken 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.

25 punten in de dode kamer op 0, 10 en 20 graden
25 punten in de dode kamer op 0, 10 en 20 graden

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”)

Gemeten positiegevoeligheid in de dode kamer
Gemeten positiegevoeligheid in de dode kamer

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.

Invloed van de temperatuurgradiënt (stijgend met hoogte)
Invloed van de temperatuurgradiënt (stijgend met hoogte)

Bij het bovenstaande figuur is sprake van een temperatuur die naar boven toeneemt, bij de onderstaande figuur neemt de temperatuur naar boven af.

Invloed van de temperatuurgradiënt (dalend met hoogte)
Invloed van de temperatuurgradiënt (dalend met hoogte)

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; in 1932 een elektromagnetische spanbandmicrofoon. De proeven beantwoordden uiteindelijk niet aan het gestelde doel, het menselijk oor bleek veel gevoeliger te zijn. 

Elektromagnetische spanbandtelefoon (20x12x24 cm)
Elektromagnetische spanbandtelefoon (20x12x24 cm)

Referenties

Artikel “STEREAOCOUSTISCHE GELUIDSBEELDEN EN KLEINST WAARNEEMBARE TIJDSVERSCHILLEN” door J. L. van Soest en P. D. Groot, 05-02-1929 (ingescande versie)

Artikel “RICHTINGSHOOREN BIJ SINUSVORMIGE GELUIDSTRILLINGEN” door J. L. van Soest en P. D. Groot (ingescande versie)

Artikel “HET RICHTINGSHOOREN IN DE RUIMTE” door J. L. van Soest en P. D. Groot (ingescande versie)

Artikel “DAS MINIMUM AUDIBILE UND DIE KONTRASTSCHWELLE” door J. L. van Soest en P. D. Groot (ingescande versie)