Er is zelden tijd om over elk goed wetenschappelijk verhaal te schrijven dat op ons pad komt. Daarom lanceren we dit jaar opnieuw een speciale serie Twelve Days of Christmas-posts, waarin één wetenschappelijk verhaal wordt belicht dat in 2020 door de mazen van het net viel, elke dag van 25 december tot 5 januari. Vandaag: de verrassend complexe fysica van twee eenvoudig geconstrueerde instrumenten: de Indonesische bundengan en de Australische Aboriginal didgeridoo (of didgeridoo).
De Bundengan is een zeldzaam, bedreigd instrument uit Indonesië dat het geluid van metalen gongs en koeienhuidtrommels (kendanga) in een traditioneel gamelanensemble kan imiteren. De digeridoo is een iconisch instrument dat geassocieerd wordt met de Australische Aboriginal-cultuur en dat een enkele, laag zoemende toon produceert die continu kan worden volgehouden door ervaren spelers. Beide instrumenten zijn een onderwerp van wetenschappelijk belang omdat hun relatief eenvoudige constructie verrassend gecompliceerde natuurkunde oplevert. Twee recente onderzoeken naar hun akoestische eigenschappen werden begin december gepresenteerd tijdens een bijeenkomst van de Acoustical Society of America, gehouden in Sydney, Australië, in samenwerking met de Acoustical Society of Australia.
Bundengan is ontstaan door Indonesische eendenjagers als bescherming tegen regen en andere ongunstige omstandigheden terwijl ze in het veld waren, en fungeerde ook als muziekinstrument om de tijd te doden. Het is een semi-koepelvormige structuur geweven uit bamboespleten om een traliewerk te vormen, aan de bovenkant gekruist om een koepel te vormen. Die koepel wordt vervolgens bedekt met lagen bamboe omhulsel die op zijn plaats worden gehouden door suikerpalmvezels. Muzikanten zitten meestal met gekruiste benen in een koepelvormige resonator en tokkelen aan snaren en maten om te spelen. De snaren produceren metaalachtige geluiden, terwijl de platen binnenin percussieve geluiden creëren zoals een trommel.
Gea Oswah Fatah Parikesit van de Universitas Gadja Mada in Indonesië bestudeert al enkele jaren de natuurkunde en akoestiek van Bundengan. En ja, hij kan een instrument bespelen. “Ik moest leren onderzoek doen”, zei hij tijdens een persconferentie. “Het is heel moeilijk omdat je voor rechts en links twee verschillende stijlen van blokkeren hebt. De rechterhand is voor de melodie, voor de snaar, en de linkerhand is voor het ritme, voor het tokkelen van de akkoorden.”
Veel van Parikesit’s eerdere onderzoek naar de bundengan heeft zich geconcentreerd op het ongebruikelijke metaalachtige/percussieve geluid van de snaren, met name de cruciale rol die wordt gespeeld door de plaatsing van de bamboerieten. Hij gebruikte computersimulaties van snaartrillingen om inzicht te krijgen in hoe het specifieke gongachtige geluid werd geproduceerd en hoe deze trillingen werden veranderd door bamboeclips toe te voegen die op verschillende delen van de snaar waren geplaatst. Hij ontdekte dat het toevoegen van de zuigers twee trillingen met verschillende frequenties op verschillende locaties op de draad produceerde, waarbij het langere deel een hogere frequentietrilling had vergeleken met de lagere frequentietrilling van het kortere deel van de draad. Dit is de sleutel tot het creëren van een gongachtig geluid.
Deze keer was Parikesit geïntrigeerd door het feit dat veel Bundengan-muzikanten merkten dat het instrument nat klonk. Een paar jaar geleden woonde Parikesit in de zomer zelfs een Bundengan-concert bij in Melbourne, toen het erg heet en droog was – zo erg zelfs dat de muzikanten hun eigen watersproeiflessen meebrachten om ervoor te zorgen dat de instrumenten (bij voorkeur) volledig nat bleven.
Gea Oswah Fatah Parikesit
“Het belangrijkste element tussen de droge en natte versies van de bundengan zijn de bamboe schedes – het materiaal dat wordt gebruikt om de wand van het instrument te bedekken”, aldus Parokesit. “Als de bundengan droog is, gaan de bamboe-omhulsels open en dit resulteert in lossere verbindingen tussen aangrenzende omhulsels. Als de bundengan nat is, hebben de omhulsels de neiging een gedraaide vorm te vormen, maar omdat ze bij elkaar worden gehouden door touwen, vormen ze stevige verbindingen tussen aangrenzende omhulsels.”
Door de resulterende spanning kunnen de enveloppen samen trillen. Dit heeft een aanzienlijk effect op het geluid van het instrument; het krijgt een meer “rare” kwaliteit als het droog is en meer een metaalachtig gonggeluid als het nat is. Parikesit probeerde bundengans te maken van andere materialen: papier, bladeren en zelfs plastic. Maar geen van hen produceert dezelfde geluidskwaliteit als een bamboe schede. Hij is van plan om hierna andere muziekinstrumenten van bamboe te verkennen. “Als Indonesiër heb ik extra motivatie omdat bundengan deel uitmaakt van ons cultureel erfgoed”, aldus Parikesit. “Ik doe mijn best om het behoud en de documentatie van de bundengan en andere Indonesische instrumenten die in gevaar zijn te ondersteunen.”
Koppeling met het menselijke stemkanaal
Ondertussen is John Smith van de Universiteit van New South Wales net zo geïntrigeerd door de fysica en de akoestiek van de didgeridoo. Het instrument is gemaakt van de stam of grote takken van de eucalyptusboom. De truc is om een levende boom te vinden met veel termietenactiviteit, zodat de stam wordt uitgehold en alleen de levende bast van het spinthout overblijft. Een geschikte holle stam wordt vervolgens gesneden, schoongemaakt, de bast verwijderd, de uiteinden bijgesneden en de buitenkant tot een lange cilinder of kegel gevormd om het uiteindelijke instrument te produceren. Hoe langer het instrument, hoe lager de toonhoogte of het toetsenbord.
Spelers zullen hun lippen trillen om de didgeridoo te bespelen op een manier die vergelijkbaar is met lipinstrumenten zoals trompetten of trombones, behalve dat ze een klein mondstuk gebruiken dat als interface aan het instrument is bevestigd. (Soms wordt er een bijenwasrand aan het uiteinde van het didgeridoo-mondstuk toegevoegd.) Spelers gebruiken doorgaans cirkelvormige ademhaling om die aanhoudende lage toon enkele minuten vast te houden, waarbij ze in feite door de neus inademen en de lucht in de opgeblazen wangen gebruiken om het geluid te blijven maken. . De combinatie van het instrument met het menselijke stemkanaal maakt de natuurkunde volgens Smith zo complex.
Smith was geïnteresseerd in het onderzoeken hoe veranderingen in de configuratie van het stemkanaal leiden tot veranderingen in de klankkleur van het ritmische patroon van de geproduceerde geluiden. Om dit te doen, “moesten we een techniek ontwikkelen die de akoestische eigenschappen van het stemkanaal van een speler tijdens het spelen kon meten”, zei Smith tijdens dezelfde persconferentie. “Hierbij werd een breedbandsignaal in de mondhoek van de speler geïnjecteerd en een microfoon gebruikt om de reactie op te nemen.” Hierdoor konden Smith en zijn cohorten de impedantie van het stemkanaal in verschillende configuraties in de mond registreren.
Kate Callas
De resultaten: “We hebben aangetoond dat sterke resonanties in het stemkanaal frequentiebereiken in het uitgangsgeluid kunnen onderdrukken”, zei Smith. “De resterende sterke frequentiebereiken, formanten genoemd, nemen we waar met ons gehoor, omdat ze in hetzelfde bereik vallen als de formanten die we gebruiken bij het spreken. Het lijkt een beetje op een beeldhouwer die marmer verwijdert, en we observeren de delen die achterblijven.”
Smit et al. hij merkte ook op dat variaties in timbre het gevolg zijn van het zingen van de speler tijdens het spelen, of het imiteren van dierengeluiden (zoals een dingo of kookaburra), wat veel nieuwe frequenties in het uitgangsgeluid produceert. Om het contact tussen de stembanden te meten, plaatsten ze elektroden aan weerszijden van de keel van de speler en staken deze aan met een kleine hoogfrequente elektrische stroom. Tegelijkertijd maten ze de beweging van de lippen met een ander paar elektrische apparaten boven en onder de lippen. Beide soorten trillingen beïnvloeden de luchtstroom om nieuwe frequenties te produceren.
Wat betreft wat een aantrekkelijke didgeridoo is die spelers aanspreekt, leverden akoestische metingen op een set van 38 van dergelijke instrumenten – waarbij de kwaliteit van elk werd beoordeeld door zeven experts in zeven verschillende subjectieve categorieën – een nogal verrassend resultaat op. Je zou denken dat spelers de voorkeur zouden geven aan instrumenten met zeer sterke resonanties, maar het tegenovergestelde bleek het geval. Instrumenten met sterkere resonanties worden het slechtst beoordeeld, terwijl instrumenten met zwakkere resonanties hoog gewaardeerd worden. Smith vindt dit bijvoorbeeld logisch. “Dit betekent dat de resonantie van hun eigen stemkanaal het timbre van de noten kan domineren”, zei hij.