Ακουστικός σχεδιασμός & χωροαίσθηση: η μετάφραση από τον ανθρώπινο εγκέφαλο: η επιρροή των πλάγιων ανακλάσεων (Lateral Reflections) στην αντίληψη της χωροαίσθησης (Spaciousness) σε αίθουσες μουσικής και ομιλίας. Νευρολογική, ψυχοακουστική και φυσιολογική προσέγγιση, με σκοπό την πρακτική εφαρμογή στην αρχιτεκτονική τεχνολογία

Abstract

The primary objective in the architectural design of concert halls is the creation of acoustic and spatial conditions that enable listeners to experience a profound sense of immersion in the music—an effect often described as acoustic envelopment. Starting from this premise, the present dissertation explores novel design principles for concert halls, aiming to achieve acoustic envelopment through an interdisciplinary approach that integrates architecture, psychoacoustics, and neuroscience, in response to contemporary design and acoustic requirements. Adopting a cross-disciplinary methodology, the present PhD Thesis bridges applied architectural acoustics with insights from neuroscience and formulates key research questions regarding: (i) the neurological mechanisms underlying the phenomenon of acoustic envelopment—herein proposed to be rendered in Hellenic as Periíchisi (Περιήχηση); (ii) the architectural composition methods that foster this effect; (iii) the potential existence and formulation of a unified, singular index to quantify Periíchisi; (iv) the impact of orchestral size on the experience of Periíchisi; (v) the possible influence of the listener’s emotional response on the phenomenon; and (vi) whether, and to what extent, specific acoustic parameters (Strength – G, Clarity – C80, Bass Ratio – BR) contribute to the generation of Periíchisi. The study is grounded in an ex-post facto analysis of data collected from the psychoacoustic evaluation of 131 individuals of varying ages and genders, all regular attendees of classical music concerts and spoken word performances. To ensure objectivity and inclusiveness, the sample deliberately includes non-expert listeners and individuals without formal musical training. Rejecting the subjectivity inherent in semantic differential scales (such as SDC or SCSDS), the research employs the Two-Alternative Forced Choice (2AFC) method to capture perceptual distinctions with adequate precision. The key contributions of the present work include: (i) The introduction of the term Periíchisi into the Hellenic acoustical lexicon, offering a linguistically precise translation of Acoustic Envelopment; (ii) The development of a new mathematical acoustic parameter (the Periíchisi Index) for measuring and quantifying the phenomenon; (iii) The design, construction, and operational development of AuroLab, a semi-anechoic chamber for psychoacoustic experimentation, newly established at the School of Architecture, National Technical University of Athens (NTUA).The originality of this work is underlined by its scale—as the largest psychoacoustic study of its kind ever conducted in Hellas, and among the most extensive in Europe—and by its methodological innovation, marking the first Hellenic dissertation in this field based exclusively on data from real-world concert halls, without reliance on computational models. At a practical level, the dissertation offers novel architectural design methodologies applicable from the earliest phases the architectural design, along with detailed technical guidelines for environments intended for natural speech and classical music. Secondary findings point towards future research directions, including: EEG-based observation of brain activity during Periíchisi state; strategic optimisation of G, C80, and BR to enhance Periíchis; and the extensive pedagogical application of AuroLab, especially in anticipation of the construction of NTUA’s first anechoic chamber, as proposed in the Extension of the Acoustics Laboratory - School of Architecture N.T.U.A. (Timageni A., 2019).

Πρωταρχικό στόχο του αρχιτεκτονικού σχεδιασμού των αιθουσών συναυλιών αποτελεί η διαμόρφωση ακουστικών και χωρικών συνθηκών τέτοιων ώστε οι ακροατές να βιώνουν την αίσθηση πλήρους εμβύθισης στην μουσική - ένα φαινόμενο, που συχνά περιγράφεται, ως «ακουστικός εναγκαλισμός». Με αφετηρία το δεδομένο αυτό, η παρούσα διατριβή διερευνά νέες αρχές σχεδιασμού των αιθουσών συναυλιών, επιδιώκοντας την επίτευξη «ακουστικού εναγκαλισμού», μέσω μιας διαθεματικής προσέγγισης, που συνδυάζει αρχιτεκτονική, ψυχοακουστική και νευρολογία, ανταποκρινόμενη στις σύγχρονες ανάγκες σχεδιασμού και ακουστικής. Υιοθετώντας μία διεπιστημονική μεθοδολογία, η έρευνα γεφυρώνει την εφαρμοσμένη αρχιτεκτονική ακουστική με γνώσεις από τη νευροεπιστήμη και διατυπώνει ερευνητικά ερωτήματα σχετικά με: (i) τους νευρολογικούς μηχανισμούς που προκαλούν τον ακουστικό εναγκαλισμό - ο οποίος προτείνεται να αποδίδεται ως Περιήχηση, (ii) τις μεθόδους αρχιτεκτονικής σύνθεσης που τον δημιουργούν, (iii) την πιθανή ύπαρξη και τη διαμόρφωση ενός ενιαίου και μοναδικού δείκτη για την ποσοτικοποίηση της Περιήχησης, (iv) την επίδραση του ορχηστρικού μεγέθους στην πρόκληση της Περιήχησης, (v) την τυχόν επιρροή της συναισθηματικής απόκρισης του ακροατή στην Περιήχηση και (vi) το εάν και σε ποιο βαθμό καθορισμένες ακουστικές παράμετροι (Ισχύς – G, Διαύγεια – C80, Λόγος Μπάσων – BR), επιδρούν στην δημιουργία της Περιήχησης. Η διατριβή βασίζεται στην μεταγεγονοτική (ex-post facto) ανάλυση δεδομένων που ελήφθησαν από την ψυχοακουστική αξιολόγηση 131 ατόμων διαφορετικής ηλικίας και φύλου, τακτικών ακροατών αιθουσών κλασικής μουσικής και ομιλιών. Για να διασφαλιστεί η αντικειμενικότητα και η συμπερίληψη, το δείγμα δεν περιορίζεται σε εξειδικευμένους ακροατές ή αποκλειστικά σε άτομα με μουσική κατάρτιση. Απορρίπτοντας την υποκειμενικότητα των σημασιολογικών διπολικών κλιμάκων αξιολόγησης (Semantic Differential – είτε SDC, είτε SCSDS), η έρευνα χρησιμοποιεί τη μέθοδο εξαναγκασμένης επιλογής, μεταξύ δύο εναλλακτικών επιλογών (Two-Alternative Forced Choice – 2AFC) για να καταγράψει τις διακρίσεις με μεγαλύτερη ακρίβεια. Οι βασικές συνεισφορές της διατριβής περιλαμβάνουν: (i) την εισαγωγή του όρου «Περιήχηση» στην ορολογία της ακουστικής, αποδίδοντας με μονοσήμαντη γλωσσολογική ορθότητα τον όρο “Acoustic Envelopment“, στην Ελληνική γλώσσα (ii) την ανάπτυξη μιας νέας μαθηματικής ακουστικής παραμέτρου (δείκτης Περιήχησης) για την μέτρηση και ποσοτικοποίησή της (iii) τον σχεδιασμό, την κατασκευή και την λειτουργική ανάπτυξη του AuroLab, ενός ημι-ανηχοϊκού θαλάμου ψυχοακουστικών πειραμάτων, που δημιουργήθηκε για πρώτη φορά στις εγκαταστάσεις του ΕΜΠ (Σχολή Αρχιτεκτόνων Μηχανικών). Η πρωτοτυπία αυτής της εργασίας υπογραμμίζεται από την κλίμακα της —η μεγαλύτερη ψυχοακουστική μελέτη του είδους της που έχει διεξαχθεί στην Ελλάδα, και από τις πιο εκτεταμένες στην Ευρώπη— και την μεθοδολογική της καινοτομία, καθώς αποτελεί την πρώτη ελληνική διατριβή σε αυτόν τον τομέα που βασίζεται αποκλειστικά σε δεδομένα από πραγματικές αίθουσες συναυλιών, χωρίς προσφυγή σε υπολογιστικές προσομοιώσεις. Σε πρακτικό επίπεδο, η διατριβή προσφέρει νέες μεθοδολογίες αρχιτεκτονικού σχεδιασμού που εφαρμόζονται από τα πρώτα στάδια του σχεδιασμού αιθουσών ακροατηρίου, μαζί με λεπτομερείς τεχνικές οδηγίες για την αρχιτεκτονική εφαρμογή σε χώρους σχεδιασμένους για φυσική ομιλία & φυσική μουσική. Τα δευτερογενή ευρήματα, υποδεικνύουν ερευνητικές κατευθύνσεις, σχετικά με την παρατήρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας σε κατάσταση αυξημένης αίσθησης Περιήχησης μέσω ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (EEG), στρατηγικών βελτιστοποίησης για την εξισορρόπηση G, C80 & BR για την πρόκληση της Περιήχησης και εκτεταμένη παιδαγωγική χρήση του AuroLab, εν αναμονή της υλοποίησης του πρώτου Ανηχοϊκού θαλάμου στο ΕΜΠ, όπως προτείνεται στο Σχέδιο Επέκτασης του Εργαστηρίου Ακουστικής (Τιμαγένη Α. 2019).

L’objectif principal de la conception architecturale des salles de concert est la création de conditions acoustiques et spatiales permettant aux auditeurs de vivre une immersion profonde dans la musique — un effet souvent décrit sous le terme “enveloppement acoustique”. Partant de ce postulat, la présente thèse explore de nouveaux principes de conception des salles de concert, visant à atteindre cet enveloppement acoustique au moyen d’une approche interdisciplinaire intégrant l’architecture, la psychoacoustique et les neurosciences, en réponse aux exigences contemporaines en matière de conception et d’acoustique.

En adoptant une méthodologie transdisciplinaire, cette thèse doctorale établit un pont entre l’acoustique architecturale appliquée et les apports des neurosciences, en formulant des questions de recherche clés portant sur : (i) les mécanismes neurologiques à l’origine du phénomène d’enveloppement acoustique — ici proposé d’être traduit en grec par “Periíchisi” (Περιήχηση) ; (ii) les méthodes de composition architecturale favorisant son émergence ; (iii) l’existence potentielle et la formulation d’un indice unifié permettant de quantifier la Periíchisi ; (iv) l’influence de la taille de l’orchestre sur l’intensité de la Periíchisi ; (v) l’éventuelle interaction entre la réponse émotionnelle de l’auditeur et le phénomène ; et (vi) la contribution, éventuelle et mesurable, de certains paramètres acoustiques (Strength – G, Clarity – C80, Bass Ratio – BR) à la génération de la “Periíchisi”.

L’étude s’appuie sur une analyse ex-post facto des données recueillies lors d’une évaluation psychoacoustique menée auprès de 131 individus de genres et d’âges variés, tous auditeurs réguliers de concerts de musique classique ou de spectacles de parole. Afin de garantir l’objectivité et l’inclusivité, l’échantillon comprend volontairement des personnes sans formation musicale spécifique. Rejetant la subjectivité des échelles sémantiques différentielles (telles que SDC ou SCSDS), la recherche s’appuie sur la méthode du choix forcé binaire (Two-Alternative Forced Choice – 2AFC), afin de capter avec plus de précision les distinctions perceptuelles.

Les principales contributions de ce travail comprennent : (i) L’introduction du terme “Periíchisi dans le lexique acoustique Hellenique, en tant que traduction linguistiquement rigoureuse du concept d’acoustic envelopment ; (ii) Le développement d’un nouvel indicateur mathématique acoustique (l’indice de Periíchisi) pour la mesure et la quantification du phénomène ; (iii) La conception, la construction et la mise en fonctionnement d’AuroLab, une chambre semi-anéchoïque dédiée aux expérimentations psychoacoustiques, nouvellement établie à l’École d’Architecture de l’Université Technique Nationale d’Athènes (NTUA).

L’originalité de ce travail est soulignée par son ampleur — il s’agit de la plus vaste étude psychoacoustique jamais menée en Hellas, et l’une des plus étendues à l’échelle européenne — ainsi que par son innovation méthodologique, cette thèse étant la première en Hellas dans ce domaine à s’appuyer exclusivement sur des données issues de salles de concert réelles, sans recourir à des modèles acoustiques.

Sur le plan pratique, cette recherche propose de nouvelles méthodologies de conception architecturale applicables dès les premières phases du projet, ainsi que des recommandations techniques détaillées pour les espaces destinés à la parole naturelle et à la musique classique. Les résultats secondaires ouvrent de nouvelles perspectives de recherche, notamment : l’observation de l’activité cérébrale en état de Periíchisi par électroencéphalographie (EEG) ; l’optimisation stratégique des paramètres G, C80 et BR pour favoriser cet état acoustique ; et une application pédagogique étendue d’AuroLab, en prévision de la construction de la première chambre anéchoïque de la NTUA, telle que proposée dans le “Extension of the Acoustics Laboratory - School of Architecture N.T.U.A. (Timageni A., 2019)”.