Tussen virtuele fluit en trippende compressor

'Het zou belachelijk zijn om te denken dat je elektronisch een echte fluit kunt nabootsen. Je kunt iets maken dat de karaktertrekken heeft van een fluit, maar een virtuele fluit is geen fluit. Het is een nieuw muziekinstrument dat de bespeler een ongekende flexibiliteit geeft zonder dat het oergevoel verdwijnt dat een fluit oproept' aldus dr.ir. Mico Hirschberg, aero-akoesticus aan de Technische Universiteit in Eindhoven. Hirschberg is co-promoter van Marc-Pierre Verge die onlangs op de televisie liet zien hoe hij probeert aan het IRCAM in Parijs, het Mekka voor elektro-instrumentele muziek, de blokfluit in de computer te vangen. Verge doet bij Hirschberg het 'harde' deel van zijn onderzoek. Samen proberen ze, letterlijk, de toonvorming in een fluit in beeld te brengen en op basis daarvan een zo nauwkeurig mogelijk computermodel ervan te ontwikkelen. Voor het experimentele werk gebruiken ze wat ze noemen een 'blokfluitachtige orgelpijp' die noch op een orgelpijp, noch op een blokfluit lijkt. Het is een vierkante, korte pijp van messing die op meerdere plaatsen voorzien is van drukmeters en ter hoogte van het labium, de lip, van glazen venstertjes is voorzien. Dat maakt het mogelijk licht door de pijp te sturen en de luchtstroom in beeld te brengen. De experimentele orgelpijp is een idee van Bram Wijnands, technicus, liefhebber van renaissancemuziek en bouwer van muziekinstrumenten. Hij liet de pijp lang geleden maken om beter het 'blok' van de blokfluit te doorgronden en misschien te verbeteren. Hij had nooit kunnen vermoeden dat van zijn fysische model van een blokfluit nog eens een computerversie op de harde schijven in het IRCAM terecht zou komen.

Dit is niet de enige merkwaardige manier waarop het balletje in het gebouw Warmte en Stroming op de Eindhovense campus is gerold. Hirschberg zelf zegt 'geen verstand van muziek te hebben, niet goed te horen en vals te zingen.' Zijn deskundigheid is de stromingsakoestiek, die hij laat in 1952 beginnen met Sir James Lighthill in Cambridge. 'Een fenomenologisch fysica waarbij we niet vanuit de moleculaire structuur van de materie redeneren, maar het systeem van buitenaf beschrijven met experimenteel-empirische wetten. Lighthill maakte duidelijk hoe het niet-lineaire, 'chaotische' aspect van de geluidsproductie wiskundig zo efficiënt mogelijk aangepakt kan worden. Het is onmogelijk zoiets als het klinken van een toon in een dwarsfluit.' De muziek is dan ook maar een nevenactiviteit van Hirschberg en zijn groep. 'Het voornaamste werk van ons laboratorium is technisch. Daar kunnen we met de benaderingen uit de voeten. De muziek-akoestiek dwingt ons de modellen te verfijnen.'

Een zijtak in een gastransportleiding kan beschreven worden als een orgelpijp. De hoek waar het gas omheen moet, is de lip, de zijtak de pijp. Deze trillingsbron kan grote gevolgen hebben. De leidingen gaan bewegen, er kunnen sterke drukgolven in ontstaan, soms van een atmosfeer of vijf op de normale zestig. En dat is onveilig. 'Een probleem? Nee, ik zou het een verschijnsel noemen' zegt ir. J. Gorter van de Gasunie. 'Als het niet trilt, werkt het niet. Maar als het extreem wordt, is het vervelend. De druk- en temperatuurmeters kunnen kapot gaan, een compressor kan gaan trippen, zoals wij dat noemen. Laatst hebben we het meegemaakt, zeer uitzonderlijk, want een Herz of tien is de regel, dat er een 200 Hz-trilling in de leidingen van een mengstation ontstond. Dat hoor je. Daar moet je wat aan doen.' De Gasunie steekt geld in fundamenteel onderzoek in de hoop dat het ertoe zal bijdragen de 'verschijnselen' beperkt te houden. De Technisch Physische Dienst van TNO heeft er baat bij, maar ook de groep van Hirschberg. Met schaalmodellen (1:10) van gastransportleidingen worden de stromingen zichtbaar gemaakt. De resultaten worden wiskundig beschreven. Relaties tussen vorm van de hoek die het gas om moet en de lengte van de pijpen enerzijds en de frequentie en amplitude van de trillingen anderzijds kunnen gekwantificeerd worden. Het leidt tot de ontwikkeling van ad hoc oplossingen als spoilers en fundamentele inzichten over de ontwerpregels voor leidingnetten die de problemen kunnen voorkomen. Soms worden de experimenten op ware grootte herhaald op het Bernouilli-lab van de Gasunie om schaaleffecten te onderzoeken. Gorter: 'Het onderzoek stelt ons in staat akoestisch resonante pijplengtes berekend te verstemmen. Inkorten, zo u wilt. Maar dat is gevolgbestrijding. Belangrijker is dat we nu zo kunnen ontwerpen dat de trillingsbronnen niet meer ontstaan en, mochten er toch wervelingen optreden, de gevolgen minimaal zijn. TNO heeft prachtige simulaties waarop wij onze 'gezond verstand'-ontwerpen fijntunen. De resultaten van Hirschbergs' onderzoek zijn en worden in die computerprogramma's verwerkt. Nee, klaar is het systeem niet. De demping in de leidingen bijvoorbeeld, puur energieverlies, kunnen we nog niet goed kwantificeren.'

'De theorie waarmee we de Gasunie-problematiek te lijf zijn gegaan is gebaseerd op Howe's Contribution to the theory of aerodynamics sound, with application to excess jet noise and the theory of the flute, op de fluit dus.' vertelt Hirschberg lachend. 'En Gorter heeft gelijk, die demping is een theoretisch probleem. Marc-Pierre Verge, Bram en ik hebben de demping in onze orgelpijp kunnen meten en die is onder bepaalde omstandigheden aanzienlijk. Er werd altijd maar vanuit gegaan dat de trilling van de lucht in de orgelpijp geen invloed had op de snelheid waarmee de lucht de pijp in wordt geblazen, maar die invloed is behoorlijk groot. Alleen weten we nog niet hoe we dat allemaal theoretisch moeten verwerken. We zijn ermee bezig, maar de oplossing zal nog wel even op zich laten wachten.'

Het is geen eenrichtingverkeer tussen techniek en muziek. Bij het technisch onderzoek op laboratoriumschaal is gebleken dat in uitzonderlijke omstandigheden een schokgolf in de gastransportleidingen kan ontstaan. 'Het over de kop gaan van een drukgolf' noemt Hirschberg het. In het gastransport in Nederland zal het niet gebeuren, tenzij voorgenomen druk- en snelheidsverhoging ondoordacht zou worden ingevoerd. Maar het bracht Hirschberg wel op een idee om de knuppel maar weer eens in het hoenderhok van de muziek-akoestiek te gooien. 'Een muziekinstrument wordt beschreven als een soort rondzingende versterker. Het riet van een rietblaasinstrument of de lippen van de koperblazer brengen lucht in trilling en de trillende lucht versterkt de de trilling van de trillingsbron enz. Het houdt natuurlijk ergens op, anders zouden de trillingen zo sterk worden dat het instrument zou ontploffen. Er is altijd vanuit gegaan dat het in een instrument nooit tot schokgolven komt. Voor een klarinet spreekt dat voor zich. Die is te kort. Maar voorzover ik kan nagaan, zou in een trombone - zo'n ding is drie meter lang - het verschijnsel schokgolf kunnen optreden. Misschien is het wel essentieel voor de klank. Ik wil nog eens de stromingen in een trombone visualiseren in de hoop dat ik een schokgolf kan aantonen. De trombone heb ik al. Van m'n franse collega Joël Gilbert gekregen. Als mijn idee klopt, zal ik zeker proberen het verschijnsel te modelleren voor het IRCAM.'

Het is wonderlijk om heen en weer geslingerd te worden tussen muziekinstrumenten en gaspijpen. Alsof beiden zo maar onder een hoedje gevangen kunnen worden. Maar één ding moet niet uit het oog worden verloren. Bij de muziekinstrumenten gaat het erom toon te krijgen. Ze moeten door de stroming worden 'aangesproken', zoals het heet. Maar de gaspijpen moeten door de stroming juist niet worden 'aangesproken'. Ze dienen te zwijgen. Afgesproken?