Branden den 15 april som ödelade taket på den 850 år gamla katedralen Notre Dame de Paris fick många människor runt om i världen att undra om det är möjligt att återuppbygga den på ett sätt som kan återskapa kulturikonens komplexa signaturakustik.

Andra katedraler kan tyckas ha liknande akustik, men ingen är den andra lik på det sätt som ljudet skjuter i höjden och ekar inuti. Mängder av nyanser och detaljer är unika - av vilka många sannolikt kommer att förändras under loppet av århundraden i takt med att inredning och renoveringar utvecklas.

Sex år sedan, den 24 april, 2013, Brian FG Katz, Fellow i Acoustical Society of America och CNRS forskningschef vid Sorbonne Université, och kollegor fick detaljerade mätningar av akustiken i huvudutrymmet inom Notre Dame.

Dessa mätningar och metoderna som hans team använde för att få fram dem beskrivs i flera publikationer i ASA:s flaggskeppspublikation, de Journal of the Acoustical Society of America , och en av Katz elever presenterar en del av arbetet senare denna månad vid det 177:e mötet för Acoustical Society of America i Louisville, Kentucky.

Dessa mätningar har ny betydelse nu, sa Katz. De dokumenterar de akustiska förhållandena i katedralen före branden och kan användas under dess restaurering. Han är tillgänglig för att svara på frågor från reportrar om arbetet och rekonstruktionen av den komplexa akustiken i Notre Dame.

"Akustiken i gudstjänstutrymmen har länge varit ett ämne av intresse och är ett aktivt studieområde just nu, " sa Katz. "Akustik inom kyrkor och gudstjänstlokaler, i allmänhet, varierar mycket med tillhörande religiösa sedvänjor. Vissa betonar det talade ordets förståelighet, medan andra fokuserar på de rituella aspekterna och den musikaliska naturen. En storslagen kyrkorgel, till exempel, spelas i ett torrt rum som lämpar sig för tal kan låta mer som ett dragspel - utan efterklangsmixeffekten av akustiken."

Hur de fångade akustiken i Notre Dame

"Den grundläggande praxis att mäta akustiken i rum är vanlig över utrymmen, " sa Katz. "Vi använder inga speciella katedralprotokoll. Men för den långa efterklangstiden och den avsevärda volymen, vi var tvungna att arbeta för att få vår signal-till-brusnivå till en adekvat nivå."

Mätningar gjordes med hjälp av en samling rundstrålande, 3-D (första ordningens ambisonic), och dummy head (binaurala) mikrofoner. Flera dodecahedron-högtalare var placerade på nyckelpositioner inne i katedralen, representerar antingen typiska källpositioner eller de mätpositioner för en serie mätningar som utfördes av samma labb 1987.

"Vi inkluderade också flera ballongsprängningar som ett skydd, väl medvetna om deras akustiska begränsningar, " sa Katz. Det verket publicerades 2011 i JASA (se asa.scitation.org/doi/10.1121/1.3518780).

Forskarna använder mest pro-audio-hårdvara eftersom det ofta ger ett bättre signal-brusförhållande och installationen är enklare än laboratoriemätutrustning.

"Tekniskt talat, vi använde en 20-sekunders exponentiell svepsinussignal, eller chip, och dekonvolution för att erhålla rumsimpulssvaret. Detta svar, eller den akustiska signaturen, för varje källa/mottagarepar kännetecknar i själva verket hur rummet omvandlar ljudet från källa till mottagare, " sa Katz. "När den är klar, Mätningarna tog lite mer än en timme och involverade mestadels att flytta runt mikrofoner."

Att få tillgång till ikoniska sajter som Notre Dame är alltid svårt, och tiden för att registrera mätningar går alltid fort. "En fördel med ett sådant utrymme är det relativt platta golvet, vilket gjorde att vi kunde ha merparten av vår utrustning på en vagn som kan rullas ner i gången, "Det här står i skarp kontrast till när vi gör mätningar i konserthus med olika nivåer och balkonger."

"Reverberant energy"—Notre Dames fulla ljud

Med en efterklangstid på 6 sekunder vid mellanfrekvenser, Katz beskriver Notre Dames sound som "så fullt som du kan föreställa dig, med den efterklangande energin som kommer runt omkring. När du rör dig i utrymmet, akustiken varierar på grund av förändringar i takhöjd, till exempel. Detta är mycket märkbart och kan höras på vårt online-simuleringsexempel när du reser runt katedralen."

Från mätningarna och annan dokumentation som de kunde få vid Notre Dame, Katz och kollegor skapade en geometrisk akustisk rumsmodell och kalibrerade den till de uppmätta svarens akustiska parametrar med hjälp av CATT-Acoustics (www.catt.se), en numerisk simuleringsprogramvara som används av akustiska konsulter. Det verket publicerades i JASA 2016 (se asa.scitation.org/doi/10.1121/1.4971422).

"Med den här modellen, vi simulerade nya rumsimpulssvar som motsvarar en orkesterkonfiguration av en inspelningssession med nära mikrofon gjord i katedralen av Conservatoire National Supérieur de Musique et de Danse de Paris (CNSMDP), en högskola för musik och dans, " förklarade Katz. "Genom att mata dessa inspelningar till lämpliga källpositioner i modellen, vi kunde återskapa det akustiska framförandet av denna konsert – så att lyssnaren kunde röra sig i katedralen för att utforska och uppleva den komplexa akustiken i detta stora och historiska utrymme."

För dessa simuleringar, "Katedralens stora storlek och långa efterklangstid betyder längre beräkningstider, längre impulssvar, längre handläggningstider, och fler beräkningskrav, ", tillade Katz. "Dessa krav var långt utöver vad vi upplevde med andra webbplatser, och små fluktuationer i lufttemperaturen resulterade i felinriktning av impulssvar. Detta, i tur och ordning, resulterade i artificiellt reducerade efterklangstider för genomsnittliga mätningar, så vi utvecklade en metod för att korrigera för det som också kan användas som ett sätt att mäta små förändringar i medeltemperatur."

Spela framåt:Rekonstruktionen av Notre Dame

Hur kan Katz akustiska mätningar hjälpa till med återuppbyggnaden av Notre Dame-katedralen? Först, förekomsten av akustisk dokumentation av katedralen är en stor fördel.

"Det kan vara till hjälp under renoveringsarbeten när man överväger hur effekterna av eventuella val kan förändra akustiken, som val av material, " sa Katz. "Det är inte klart ännu i vilket skick inredningen är, men träpanelerna och målningarna inom katedralen är inte alls obetydliga när det kommer till akustik. Jämfört med den råa stenstrukturen, dessa små element fungerar som möjlig akustisk absorption och diffusion och kan ha betydande inverkan på den resulterande akustiken."

Den andra fördelen är virtuell rekonstruktion – i huvudsak ger människor ett sätt att lyssna på föreställningar inom den "förlorade" akustiken. "Detta kan vara genom att arbeta med CNSMDP för att bearbeta hela inspelningen av konserten vi presenterade ett utdrag av på YouTube, eller för att behandla andra inspelningar som gjorts med samma procedur. Det här tillvägagångssättet kan också användas för att lyssna på "nya" föreställningar i katedralen som aldrig förekom där – vilket gör att även liveframträdanden kan sändas som en konsert i den virtuella Notre Dame. Dessa kan vara av intresse under återuppbyggnaden, medan byggnaden är otillgänglig för allmänheten."