DE ESTHETIEK VAN DE KLANK
Een provocerende titel, waarbij men zich alles en niets kan voorstellen. Simpeler gezegd kunnen we het ook over klankschoonheid hebben. Om te beginnen: dat begrip klank. Waarom gaat het daarbij? Om een hogere vorm van geluid. Bij voorkeur in de vorm van regelmatige trillingen die bijvoorbeeld door een akoestisch muziekinstrument worden voortgebracht, of zoals we die kennen van een mooie, gearticuleerde spraak.
Om te beginnen is het goed om het nader te hebben over geluid. Wat is geluid, hoe en wat horen we daarvan. In tweede instantie kan meer worden gezegd over klank, klankverschillen en klankschoonheid.
Geluid
Om te beginnen dus de elementaire vraag: wat is geluid? Geluid is wat we horen als een door de lucht voortgeplante geluidsgolf onze oren bereikt. Psychologen zeggen dat we zo een stimulus krijgen. Onze reactie op die stimulus is dat we geluid horen. Een paar andere omschrijvingen: een toon is een muzikaal geluid met een bepaalde toonhoogte; een zuivere toon heeft het karakter van een sinusvormige golf.
Geluid werd van meet af aan met beweging geassocieerd.
De wereld van het geluid ervaren we via onze oren. Via het oor worden geluidsgolven hoorervaringen in de vorm van bijvoorbeeld spraak en muziek, maar ook van lawaai en herrie. Esthetisch en emotioneel geeft geluid dus ook heel tegenstrijdige indrukken door.
Van al onze zintuigen is het oor het ‘intellectueelste’. In de wereld van de antieken gold het oor als de zetel van het geheugen. Voor Paracelsus betekenden grote oren niet alleen dat je goed kon horen, maar ook dat je een uitstekend geheugen en een scherp verstand had.
In de wereld van de Grieken en de Romeinen namen muziek en wat men wist over akoestiek een hoge positie in bij wetenschap en filosofie. Pythagoras van Samos ontwikkelde de eerste muzikale notenreeks; men ontdekte in die tijd de harmonie en ontwikkelde een theorie over kosmische sferenmuziek.
Oog en oor als waarnemingszintuigen
Het oor was eerst duizenden jaren bovenal een poort waardoor de communicatie van mens tot mens plaatsvond. Voor de ontwikkeling van de spraak vormde het oor als klankanalysator een onmisbare schakel.
In de zestiende eeuw, na de uitvinding van de boekdrukkunst, verloor het oor zijn grote betekenis als belangrijkste medium om gedachten, kennis en wetenschap over te dragen.
Tegenwoordig, vooral onder invloed van de tv, de film, video en het stripverhaal, geldt het ook als het edelste zintuig. Over dergelijke verschijnselen van een meer eenzijdige communicatie via het gedrukte woord en langs diverse wegen aangeboden beelden zijn interessante cultuurkritische discussies te voeren.
Het oog is in vergelijking met het oor veel actiever: het kan bewegen, fixeren, ronddwalen, verstolen blikken werpen en het kan ook worden gesloten, een faculteit die het oor van nature helaas niet is gegeven. We moeten daarvoor dus tijdelijk onze toevlucht zoeken in hulpmiddelen als oordoppen en gehoorbeschermers.
Normaal is het oor dus voortdurend open, steeds bereid om informatie uit alle richtingen op te vangen, om in bepaalde situaties ook te waarschuwen, zelfs wanneer we slapen.
Met het oog beheerst de mens de wereld, fixeert hij de doeleinden van zijn handelingen. Het oor daarentegen is als een wachter, het laat de wereld nader tot de mens doordringen. Vanaf de vijfde maand van de zwangerschap is het binnenoor volledig ontwikkeld. De stervende mens die niet meer de kracht heeft om de ogen open te houden, hoort nog wel tot de laatste ademtocht.
Het oor is een uiterst subtiel reagerend waarnemingsorgaan. Het kan de kleinste veranderen in het ons normaal omgevende medium – lucht – registreren. Die veranderingen kunnen in de orde van grootte van een waterstofatoom zijn.
HIER HOORT EEN AFBEELDING VAN DE DOORSNEE VAN HET OOR
Fysiologie van het oor
De bouw van het menselijk gehoororgaan kan worden verdeeld in het uitwendig oor, het middenoor en het binnenoor. Het uitwendige deel bestaat uit de oorschelp (pinna) en de gehoorgang. Dat is een kanaal waardoor een geluidsgolf het afsluitende trommelvlies kan bereiken. Zo’n geluidsgolf brengt het trommelvlies in trilling en fungeert zo als het membraan van een microfoon.
Achter het trommelvlies betreden we het middenoor; we vinden daar allereerst het met het trommelvlies verbonden eerste gehoorbeentje: de hamer. Met de twee gekoppelde volgende gehoorbeentjes, naar hun vorm aambeeld en stijgbeugel genaamd, zetten zij de grote uitwijkingen van het trommelvlies met behulp van hefboomwerking om in een kleinere uitwijking. De gehoorbeentjes worden door spieren op hun plaats gehouden. Door het spannen van deze spiertjes kan het doorgeven van een trilling worden gedempt. Zo wordt een bescherming van het binnenoor verkregen wanneer sprake is van een trilling met een te grote amplitude zoals die zich bij hoge geluidsniveaus voordoet.
De op deze manier verkrijgbare verzwakking bedraagt 10 à 20 db (decibel). De decibel is geen eenheid, maar een logaritmische maat om onder meer verhoudingen van geluidssterkten aan te geven, waarbij 1dB globaal overeenkomt met het geringst waarneembare luidheidsverschil. Wanneer het om luidheid gaat, betekent elke 3dB meer een verdubbeling van het niveau.
Voor ontluchting en drukaanpassing is het middenoor via de buis van Eustachius met de neusholte verbonden. Dat dit zo is, weet iedereen die regelmatig vliegreizen maakt of van een erg snelle lift gebruikmaakt. Pas na wat slikken verdwijnt de dan optredende kortstondige doofheid.
Achter de stijgbeugel die de trillingen rechtstreeks overdraagt aan het ovale venster bevindt zich het slakkenhuis (of cochlea) dat aan het andere uiteinde wordt afgesloten door het ronde venster. Het slakkenhuis is een met een alkalische vloeistof gevulde opgerolde buis die taps oploopt. Deze buis wordt door een vlies, het basilair membraan – in de lengterichting in tweeën verdeeld. Op het basilair membraan bevinden zich duizenden zintuigcellen. De doorsnee van het slakkenhuis neemt dus toe naarmate we er dieper in doordringen. Hierdoor wordt net als bij een vioolsnaar of de luchtkolom in een orgelpijp elk punt op deze weg gevoelig voor een bepaald frequentiegebied. Elk groepje zenuwcellen is op een bepaalde frequentie afgestemd en dient zo meteen als filter. De zenuwcellen zetten de bewuste trillingsfrequentie om in minieme elektrische spanningen in de gehoorzenuwen die deze aan de hersens doorgeven om de sensatie van geluid op te roepen.
Met het klimmen der jaren afnemend hoorvermogen
Zelfs wie zuinig is met zijn oren ontkomt er niet aan dat met toenemende leeftijd de oorgevoeligheid voor hoge tonen geleidelijk afneemt. Als dertigjarige horen we gemiddeld nog maar 50% van een heel hoge 16kHz toon; als vijftigjarige nog slechts 10% en als 65-jarige helemaal geen 16kHz toon en maar 38% van een 12kHz toon; het echt waarnemen van een 8kHz toon begint dan ook al problematisch te worden.
Lawaaivervuiling: geen bijkomstigheid
Waarmee we bij het thema geluidsoverlast zijn aangekomen. Daarvan is helaas in steeds toenemende mate in de directe woonomgeving sprake. Bescheiden beginnend bij mechanische hulpmidden rond de huishouding met de bladblazer als luxe voorbeeld en eindigend bij het (vlieg)verkeer en bouwactiviteiten. Voor gedoseerder, maar ook vaak irritante geluidsoverlast zorgt de muzak in winkelcentra, liften, sommige restaurants en telefonische wachtlussen.
Jongeren wagen zich bij voorkeur in de agressiefste uitingsvormen van disco’s en vlak bij de luidsprekers op popfestivals, house- en dancefeesten. Ook bij overmatig gebruik van draagbare audio apparatuur kan bij gebruik van hoofd- of oortelefoon gemakkelijk gehoorbeschadiging ontstaan. De gevaren daarvan zijn allerminst denkbeeldig, want bij overdosering kan gehoorbeschadiging ontstaan. In extreme gevallen is deze tinnitus zo ernstig dat men een permanente fluittoon waarneemt en geheel of gedeeltelijk doof wordt. Men verliest het contact met de omgeving, de medemens, vereenzaamt en raakt geïsoleerd. Operatief ingrijpen is nog vrijwel onmogelijk.
Gelukkig voorzien de ARBO wetten op de werkvloer voor beschermingsmaatregelen en niet voor niets dragen mensen die met luchtboren en -hamers werken, of luchthavenplatforms werken goede gehoorbeschermers. In de wet is precies voorzien hoe lang men zich maximaal aan een bepaald geluidsniveau mag blootstellen zonder adequate bescherming.
Die tabel ziet er als volgt uit:
Bij ‘n continu geluidsniveau van 80 dB (A) is een maximale verblijfsduur van 8 uur p.d. toegestaan
83dB 4
86 2
89 1
92 30 min.
95 15
98 bescherming nodig
Om een idee te geven van de geluidsniveaus waarmee we in het dagelijks leven te maken hebben, kan onderstaand lijstje een idee geven:
Gehoordrempel 0dB
Ruisende bladeren 10
Motregen 15
Fluisteren 30
Straatlawaai 40
Normaal radio/tv geluid 50
Tram 70
Persluchtboor 90
Knalpot motorfiets 100
Koperslager 110
Straaljager 120
Pijngrens 130
Geluidsniveaus zijn gemakkelijk meetbaar, bijvoorbeeld met een geluiddrukmeter als de Brüel & Kjaer K 2219.
Reeds in 1966 vaardigde de UNESCO een besluit uit waarin het recht op stilte is vastgelegd. In ons milieurecht is stilte nog niet opgenomen als te beschermen goed naast grond, water en lucht.
Wat gebeurt bij permanente gehoorbeschadiging wordt op met een elektronenmicroscoop gemaakte opnamen van het basilair membraan getoond. De ‘stammetjes’ van de zenuwcellen staan dan niet langer fier rechtop, maar liggen plat als een korenveld nadat daar een storm overheen is geraasd.
Geluid, muziek: ontdekking en waardering
Bij de vrije kunsten uit de Middeleeuwen was muziek een deel van het hogere quadrivium, samen met de wiskunde, de geometrie en de astronomie. Muziek was hoger geplaatst dan grammatica, retorica en logica die samen het lagere quadrivium vormden dat zich meer met woorden dan met getallen bezighield.
Nadat de voortplantingssnelheid van geluid (344m/s bij 20ºC) rond 1625 door Mersenne was vastgesteld, legde Sauveur rond 1700 het verband tussen toonhoogte en frequentie en legde hij verband tussen grond- en boventonen (harmonischen).
In de negentiende eeuw verrichtte Helmholtz met heel simpele middelen wonderen bij het analyseren en verklaren van muzikaal geluid. Juist ook in die tijd werd de status van muziek complexer. Helmholtz kwam in 1863 met zijn theorie over het horen: “Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik”.
Fourier legde nog weer wat later de basis voor de harmonische analyse, een methode om complexe periodieke trillingen in hun afzonderlijke componenten te ontleden. In 1963 publiceerde Von Békésy zijn “Wanderwellen Theorie”.
Na de uitvinding van de telefoon door Bell in 1878 heeft de sprongsgewijs verder ontwikkelde elektronica kwantitatief en kwalitatief subtieler onderzoek en experimenteren mogelijk gemaakt. Tegenwoordig wordt dat onderzoek natuurlijk vergemakkelijkt door de komst van de computer en digitale technieken.
We hebben ontdekt dat er ontzettend veel aan de hand is. We weten wat de beperkingen van de oude geluidsbronnen zijn, we kunnen ze corrigeren. We kunnen langs elektronische weg akoestische instrumenten imiteren, we kunnen heel nieuwe klanken scheppen.
Wat nadere kwalificaties
Ter wille van een betere indeling van de diverse geluidsoorten en om niet afhankelijk te zijn van individuele indrukken, zijn deze nader ingedeeld en gedefinieerd. Volgens de normbladen DIN 1320 en DIN 5488 moeten we onderscheiden tussen:
Toon een sinusvormige trilling binnen het hoorbereik
Toonmengsel een uit tonen van verschillende frequenties samengesteld geluid
Klank hoorbaar geluid, bestaande uit grond- en boventonen
Harmonische klank hoorbaar geluid dat bestaat uit een reeks deeltonen waarvan de frequentie uit veelvouden van de laagste frequentie bestaat. Deze boventonen hebben eenvoudige relaties 2:1m 3:2, 4:3, 5:4 enzovoorts. Ze kenmerken de muzikale intervallen: octaaf, kwint, kwart, terts enz.
Klankmengsel hoorbaar geluid dat is samengesteld uit harmonische klanken van willekeurige grondtonen.
Ruis klanksignaal dat is samengesteld uit zeer vele niet-harmonische afzonderlijke tonen
Knal geluidstoot met grote geluidsintensiteit
Lawaai elke vorm van hoorbaar geluid die de gewenste stilte verstoort.
Wat is lawaai? Ongewenst geluid! Wanneer we even helemaal die wereld van het lawaai, de herrie, het ongecorreleerde geluid buiten beschouwing laten: wat zijn dan de belangrijkste kenmerken van geluid?
Frequentie of toonhoogte, bepaald door het aantal trillingen per seconde (bijvoorbeeld A=440Hz) en de golflengte
Periode en periodeduur (sinusgolven, herhalingsfunctie)
Amplitude (luidheid en dynamiek, de maximale waarde van de sinusgolf; uitgedrukt in foon en dB)
Resonans (grond- en boventonen)
Timbre (aanvulling op de toonhoogte en de luidheid; bijvoorbeeld de aanslag bij een piano of het verschil tussen een goede en een slechte viool)
Fase (van belang bij het gelijktijdig optreden van twee dezelfde trillingen
Maskering (bv. het verdoezelende cocktail party effect dat onverstaanbaarheid veroorzaakt)
Galm (echo, nagalmtijd van zalen en studio’s. Volgens studies van Sabine en Beranek afhankelijk van het aantal kubieke meters van de zaalinhoud. Met optimale waarden van 0,5s voor spraak in radiostudio’s, 0,7-0,9s voor een conferentieruimte, 1,6-2,5s voor symfonische muziek en 2,1-3,5s voor een groot orgel in een kathedraal. Met digitale geluidprocessoren is dit alles te simuleren.
Ruimtelijk (binauraal) horen met beide oren (afstand en richting bepalen)
HIER HOORT EEN FREKWENTIE/AMPLITUDE DIAGRAM HOORBEREIK
Toonhoogte. Het jonge, gezonde menselijk gehoor is in staat om per seconde minimaal 20 en maximaal 20,000 trillingen waar te nemen. We spreken dan van een frequentieomvang van 20-20.000Hz. Deze grootheid is op de horizontale as uitgezet. Trillingen onder de 20Hz gelden als infrageluid of subsonisch. We nemen ze niet met ons gehoororgaan, maar voelen ze, vaak rond het middenrif. Trillingen boven de 20kHz gelden als ultrageluid of supersonisch. Veel dieren nemen die hogere frequenties wel waar. Zoals gezegd: bij ouderen neemt de hoorbaarheid van de hoogste tonen gestaag af.
Toonbereik. Het toonbereik van akoestische muziekinstrumenten omvat in zijn totaliteit ongeveer negen octaven en reikt in het grondtoonbereik van 25Hz tot circa 10.000Hz. Het boventoonbereik van de harmonischen loopt door tot ongeveer 18.000Hz.
In de illustraties liggen de geluidsniveaus tussen 20 en 100dB. De dynamiek bedraagt derhalve 80dB.
Periodiciteit. Periodieke trillingen vertonen in de tijd gezien een constant beeld. De eenvoudigste periodieke trilling is sinusvormig. Als deze binnen het hoorbare bereik valt, spreken we van een zuivere toon. Akoestische muziekinstrumenten en vogels produceren dergelijke zuivere tonen.
Ontbreekt de periodiciteit dan spreken we van ruis: geluiden van wind en water, ritselen van bladeren, donder. Ook machines produceren aperiodisch geluid.
Resonans. Ieder akoestisch muziekinstrument en ook de menselijke stem heeft een bereik aan grond- en boventonen (ook harmonischen genaamd). Deze boventonen zijn veelvouden van de grondtoonfrequentie. In de eenvoudigste vorm heeft dus een 100Hz grondtoon boventonen van 200Hz, 300Hz, 400Hz en verder oplopend. Elk van die boventonen heeft een eigen amplitude die soms naar de hogere frequenties afneemt, maar soms ook juist toeneemt of een piek en dal spectrum te zien geeft.
Het spectrum (reeks en amplitudes) van de boventonen bepaalt het timbre van ieder instrument en elke stem. Anders zou de stemtoon A = 440Hz steeds hetzelfde klinken, ongeacht of hij op een piano, een hobo, een cello of een xylofoon wordt gespeeld.
Behalve de frequentie van een trilling is ook zijn amplitude een belangrijke grootte die de luidheid bepaalt. De amplitude staat in verband met de geluidsdruk, de geluidsintensiteit, het verschil tussen luid en zacht. Hoe groter de amplitude, des te luider het geluid.
Als we naar een soloviool luisteren kunnen we een indruk krijgen van de geluidssterkte waarmee we deze waarnemen. Uit onderzoek is gebleken dat voor een verdubbeling van de subjectieve geluidssterkte (om het geluid dus tweemaal zo luid te laten klinken) tien violisten die allen even luid spelen noodzakelijk zijn. Voor nog een verdubbeling zijn 10x10, dus 100 violisten nodig. Daarom zijn de zestien eerste- en zestien tweede violisten in een vol bezet symfonie orkest geen luxe. Hier vinden we het eerder aangestipte logaritmische verband terug.
Om iedere toon bij elke willekeurige frequentie hoorbaar te maken, is een ondergrens van toepassing. Die ondergrens noemen we de gehoordrempel en deze is zoals uit het diagram blijkt sterk frequentieafhankelijk. Aan het andere uiteinde van de schaal stuiten we op een grens waarboven een dosis geluid schadelijk wordt: de pijngrens, die ook, maar aanzienlijk minder frequentieafhankelijk is; hij verloopt rond de 120dB.
Onze oorgevoeligheid is in de middenfrequenties tussen 500 en 5000Hz het grootst. Uit het diagram blijkt tevens dat de dynamiekomvang van ons gehoor globaal 120dB bedraagt.
Isofonen zijn curven van gelijke luidsterkte. Ze geven aan hoe hetgeen we horen zowel afhankelijk is van de toonhoogte als van de luisterkte. Naar de lagere en hogere frequenties toe nemen we zachte geluiden minder goed waar.
Met het begrip fase krijgen we te maken wanneer twee trillingen met dezelfde frequentie en amplitude niet ‘in de pas lopen’. Dat kan heel verschillende effecten oproepen. In het extreme geval wanneer twee sinussen 180º ten opzichte van elkaar verschillen, doven ze uit en wordt het stil. We krijgen er in nadelige zin mee te maken bij muziekopname en weergave. Tijdens de opname is een fasemeter op het mengpaneel geen luxe. Bij muziekweergave thuis moet worden opgelet dat de luidsprekers juist op de versterker zijn aangesloten: plusklem of steker aan plusklem, minklem aan minklem. Gebeurt dat niet zorgvuldig dan wordt de basweergave verzwakt en ontbreekt het aan definitie in het geluid; men kan de plaats, de lokalisatie van de geluidsbron niet meer goed bepalen.
Tegenfase kan echter ook zijn nut hebben. Vooral bij de lawaaibestreiding door het ene geluid door het andere in tegenfase op te heffen. Het werkt alleen bij constante geluidsbronnen, zoals bijvoorbeeld vliegtuigmotoren.
Maskering treedt bijvoorbeeld op wanneer op zachte toon een gesprek wordt gevoerd in een omgeving met luide muziek of veel lawaai. Zo’n gesprek blijft onhoorbaar. Ook wanneer veel mensen tegelijk praten is het moeilijk om zich op één stem te concentreren. We noemen dat het cocktailparty effect.
Bekend is verder dat in orkestwerken de laagfrequente tonen bij voorkeur de hoogfrequente verdringen. Dat is de reden dat in het symfonie orkest die 2x16 violen niet meer dan 8 contrabassen tegenover zich krijgen.
Omdat ons leven zich gewoonlijk niet in het vrije veld maar binnen, in kamers thuis of muziekzalen en kerken afspeelt, hebben we te maken met reflecties en absorpties van vloer, wanden, plafond en de zich in zo’n ruimte bevindende voorwerpen (stoelen, ornamenten, verlichting). Hierbij onderscheiden we tussen vroege en late reflecties. Samen spelen deze in de vorm van (na)galm een wezenlijke rol. Gemiddeld bereikt slechts 11% van het directe geluid onze oren, de overige 89% komt via reflecties tot ons.
Afhankelijk van de grootte, de vorm, de constructie (betonnen of houten wanden en vloeren, grote glasoppervlakken of juist gordijnen) verandert die galm als parameter van de ruimteakoestiek. We spreken van een ‘droog’, ‘hard’ of juist van een ‘zacht’ of absorberend akoestisch milieu.
Omdat we over twee oren beschikken, kunnen we ruimtelijk horen. We kunnen zo intensiteits- en looptijdverschillen van geluidsgolven onderscheiden. Op deze manier kunnen we de afstand van en de richting waarin de geluidsbron zich bevindt bepalen.
Nog even terug naar de frequentie/amplitude grafiek omdat deze een misschien enigszins verscholen toegevoegde waarde heeft. Wat keert hij ons meer dan het technische en gehoorfysiologische kader van frequenties, amplitudes en isofonen? Bijvoorbeeld dat zich binnen het domein tussen gehoordrempel en pijngrens een beperkt gebied als muziekdomein bevindt en daarbinnen een nog weer beperkter dito van het spraakdomein (zolang niet wordt geschreeuwd).
Overdrachtelijk beschouwd kunnen we dit kader niet alleen de enorme mogelijkheden, maar ook de beperkingen van ons gehoororgaan zien. Hoe we te maken hebben met beperkingen en begrenzingen waar we hoe dan ook rekening mee moeten houden. Maar we kunnen het ook zien als een venster waardoor we bijvoorbeeld prachtige muziekervaringen deelachtig kunnen worden. Als we dan ook nog zorgen dat het venster helemaal open, vlak en schoon blijft, kunnen we rekenen op optimaal genot.
HIERKOMEN AMPLITUDE/FREQUENTIEDIAGRAMMEN VAN ORKESTWERKEN
Hierboven tot besluit een aantal geluidspectra van verschillende muziekwerken die de frequentie/amplitude inhoud laten zien.