Pavarotti op zijn plaats; Je hoort wat je ziet bij synthese van geluidsvelden

Geluidversterking in het theater betekent vaak dat je de stem van de operazanger van een heel andere plaats hoort dan waar je hem ziet staan. De tu Delft heeft een oplossing: golfveldsynthese.

'HA DORIEN!' schalt de stem van Kees van Kooten door het Cultureel Centrum van de TU Delft. Het geluid is geplukt van een CD en via een processor naar 96 luidsprekers gestuurd. Die zijn niet, zoals gebruikelijk, verpakt in twee geluidtorens aan weerszijden van het podium. In plaats daarvan vormen ze een dichte rij, bevestigd aan een 12 meter lange aluminium balk die op een hoogte van 4 meter over de volle breedte van het podium loopt.

Het resultaat is verbluffend. Over het podium is met touw gespannen, met daaraan nummers lopend van 1 tot 50. Iedereen in de zaal schat de positie van Van Kooten rond nummer 38. Zelfs de toeschouwers links vooraan, die bij stereoweergave zonder meer op de linkertoren zouden hebben gewezen, gaan akkoord. Ook wie wantrouwend over zoveel consensus de zaal dwars oversteekt, wijst steeds op 38. Het is alsof Van Kooten er onversterkt werkelijk zijn zegje doet.

De geluidversterking die informeel wordt gepresenteerd heet golfveldsynthese. Hieraan is binnen de vakgroep akoestiek van de TU Delft gewerkt door Evert Start, Delfts natuurkundig ingenieur en eerder op de dag gepromoveerd op Direct sound enhancement by wave field synthesis. Om te laten horen waarover hij nu precies door de hooggeleerde opponenten is doorgezaagd, heeft Start na afloop van de receptie vrienden en bekenden naar het Cultureel Centrum meegetroond, alwaar een proefopstelling met prototype gereed staat.

“Het geluid in theaters op een zo natuurlijk mogelijke manier versterken, dat is de bedoeling”, zegt Start. “Veel is al bereikt: met vervorming, kleuring, rondzingen en dynamisch bereik hebben bestaande systemen geen enkele moeite, maar de lokalisatie van geluid laat te wensen over. Neem een musical. Het toepassen van geluidversterking via twee zuilen leidt tot geluid dat uit een heel andere richting komt dan waar de acteur staat, wat een vervreemdend play back-effect geeft. In mijn systeem is die akoestische gewaarwording wel in orde.”

Het basisidee van golfveldsynthese is het Principe van Huygens: golven breiden zich bolvormig uit - denk aan de watercirkels rond een dobber. Elk punt op een golffront is het startpunt voor secundaire golven die als omhullende een nieuw golffront opleveren, enzovoort. Start: “De truc is om op het front van een geluidsgolf microfoontjes met luidsprekertjes te plaatsen die het geluid oppikken, versterken en weer uitzenden. De zo ontstane virtuele Pavarotti klinkt harder, maar nog altijd vanuit de richting van de echte Pavarotti.”

In de praktijk is het niet vereist precies op het golffront te gaan zitten: een rij luidsprekers volstaat. In zijn prototype (kosten: twee ton) heeft Start er 192 gemonteerd op een aluminium balk met staanders, een robuuste constructie van 24 meter breed die gemakkelijk is te vervoeren om in concertzalen te worden uitgetest. Door de beperkte ruimte staat in het Cultureel Centrum de helft opgesteld. De 96 luidsprekers zijn aangesloten op een digitale signaalprocessor, net als zes richtinggevoelige microfoons. Start: “Alle microfoons staan in verbinding met alle luidsprekers. Stel ik sta achter microfoon 2. De computer kent de lokatie en verdeelt mijn stem zo over de luidsprekerbalk dat het golfveld in stand blijft, zij het versterkt. Dus hoor je me vanuit de goede richting, waar je ook zit.”

Het Delftse systeem is uitgetest in diverse concertzalen, waaronder de Doelen in Rotterdam. Start: “Uit fysische metingen blijkt dat golfveldsynthese een nauwkeurige replica oplevert van de onversterkte puntbron. Ook hebben we perceptie-experimenten gedaan, met als resultaat dat de kleuring - een direct gevolg van de eindige lengte van de rij luidsprekerbalk - onderdrempelig is, wat betekent dat je haar niet merkt. Galm heeft hierop trouwens een gunstige uitwerking. Verder is het voldoende dat het systeem met tonen tot 1500 hertz goed overweg kan. Doe je het daarboven fout, dan maakt dat voor de perceptie van de geluidlokatie niet uit. Wel werkt dat nadelig op de ruimtelijkheid: je hoort geen puntbron meer maar een wolk.”

In de Opera van Malmö wordt golfveldsynthese al toegepast: de Zweden waren er als de kippen bij toen enkele jaren geleden in Delft de eerste experimenten plaatsvonden. Start: “In Malmö hangen boven het podium twaalf microfoons, geluidspots die elk een deel van de vloer aftasten. Wandelt Pavarotti in het rond, dan wordt zijn stem steeds door een andere microfoon opgepikt en de processor zorgt dat je die hoort vanuit de bijbehorende spot. Nog mooier zou zijn de acteurs/zangers ieder een draagbaar microfoontje plus zendertje mee te geven - bij musicals heel gewoon - en de computer hun posities continu op GPS-achtige wijze te melden.”

Ter uitbreiding van het prototype denkt Start aan een meerweg-systeem. “Dan splits je de zaak in tweeters voor de hoge tonen en woofers voor de lage. Omdat de speakers in een systeem van golfveldsynthese op minder dan een halve golflengte van elkaar moeten staan en hoge tonen erg kort zijn, kom je dan snel op duizenden stuks. Geluidprocessoren ontwikkelen zich zo snel dat de extra rekenkracht en geheugencapaciteit die dat vergt geen probleem zal opleveren. Maar hoe moffel je die enorme batterij luidsprekers voor het publiek netjes weg?”

Tot slot van de demonstratie in het Cultureel Centrum laat de jonge doctor de zaal zijn methode van golfveldsynthese proefondervindelijk beoordelen. Er klinken twaalf geluiden, variërend van een droog geweerschot tot het gejubel van een leeuwerik. De geluidprocessor geeft ze ieder een plaats op het podium en het is aan het publiek deze te noteren via een getal tussen de één en de vijftig. Na afloop blijkt de zaal er gemiddeld ruim drie punten naast te zitten - gelijk aan wat het proefschrift vermeldt, en dat ondanks de feestelijke stemming.