Je leest:

Geluid uit een spotje

Geluid uit een spotje

Auteur: | 15 februari 2002

Licht kunnen we met een zaklantaarn of laser richten, maar met geluid was dat onmogelijk. Dat zinde ingenieur Frank Joseph Pompei niet. Met een slim trucje creëerde hij op het MIT in Boston een bron die in een smalle bundel geluid uitzendt: de audiospotlight. Vele toepassingen zijn mogelijk.

Een klant loopt door een supermarkt, staat stil bij de wasmiddelen en hoort een reclamespotje over nieuwe wasbuiltjes van merk X. Zij gaat even later naar de groenteafdeling en komt daar binnen het bereik van een andere geluidbundel: zij hoort dat de bloemkool deze winter nog steeds erg duur is. Er zijn legio toepassingen van de audiospotlight te bedenken. Neem een museum: bij elk schilderij krijgt de bezoeker uitleg te horen, terwijl zijn buurman die voor een ander kunstwerk staat, naar het daarbij passende verhaal luistert. Verschillenden bedrijfssectoren, waaronder attractieparken en de entertainmentindustrie, tonen al belangstelling voor deze nieuwe vinding.

Maar gericht geluid, dat hetzelfde werkt als licht uit een zaklantaarn, druist in tegen ons gevoel. Wij gaan ervan uit dat geluid zich in alle richtingen verspreidt en zich niet op een persoon richt. Zo is het straks mogelijk dat in een auto met vier passagiers iedereen zijn eigen lievelingsmuziek hoort zonder dat een ander daar last van heeft. En dan niet met een koptelefoon op.

Joseph Pompei met zijn audiospotlight. Het paarse lichtje is een laserpointer waarmee hij de luidspreker kan richten. Op een terrasje produceert hij graag het geluid van vallend glas.

Smalle geluidbundel

Hoorbaar geluid, waarvan het bereik ligt tussen 20 Hz en 20 kiloHz, heeft een golflengte in de orde van meters, dat alle kanten opgaat en daarom in de hele kamer is te horen. Ultrasoon geluid echter heeft een golflengte in de orde van millimeters. Omdat dit kleiner is dan de diameter van de geluidsbron, verspreidt het geluid zich niet in alle richtingen: er ontstaat dan een smalle geluidbundel (zie figuur 1). Voor het richten van geluid, zodat bijvoorbeeld slechts een persoon dat hoort, zijn smalle hoorbare klankbundels noodzakelijk.

Figuur 1. Tijdens de tocht door de ruimte neemt de vervorming van het ultrasoon geluid toe.

Lucht heeft niet-lineaire eigenschappen. Dit betekent dat een molecuul in de lucht een trilling niet exact doorgeeft aan de volgende. De vorm van de geluidsgolf zal hierdoor lichtjes veranderen (zie figuur 2 en 3). Bij ultrasoon geluid is deze afwijking veel sterker dan bij hoorbaar geluid. De vervorming van het ultrasoon geluid leidt tot bijgeluiden die we wel kunnen horen. ‘Door de juiste ultrasone geluidbundel te construeren kan het niet-lineair gedrag van lucht gebruikt worden om binnen de bundel een hoorbare klankbundel te creëren’, zegt Frank Joseph Pompei, onderzoeker bij het MIT in Boston. ‘Wij doen dit momenteel met een speciale versterker en luidsprekers, die op het MIT voor dit project speciaal ontworpen zijn.’ De truc is nu om het juiste ultrasoon geluid uit te zenden zodat het gewenste hoorbare geluid, zoals spraak en muziek, als bijproduct ontstaat.

Droom

Verschillende Japanse bedrijven deden in de jaren tachtig al pogingen. Nippon Columbia, Ricoh en Matsushita gebruikten amplitude modulatie (AM) van ultrasoon geluid om een bundel hoorbaar geluid te produceren. Zij slaagden hier wel in, maar de kosten van het systeem waren erg hoog, de installatie was te groot en de geluidskwaliteit verschrikkelijk. De harmonische verstoring liep zelfs op tot 50 %.

Pompei was al vanaf zijn zestiende bezig op school met akoestiek bezig. Hij kwam als technicus bij Bose Corporation te werken en haalde later zijn ingenieurstitel Elektrotechniek aan het Rensselaer Polytechnic Institute. Zijn masterstitel verkreeg hij aan de Northwestern University. Pompei had altijd al gevonden dat luidsprekers iets te kort kwamen. Terwijl we licht kunnen richten in bundels, zoals bijvoorbeeld met zaklantaarns, lasers en spotlights, leek dit bij geluid altijd onmogelijk. Hij droomde ervan hier verandering in te brengen. Pompei besloot daarom bij het MIT de audiospotlight te ontwikkelen.

Figuur 2. Terwijl het geluid van een normale box zich door de hele kamer verspreidt, beperkt het geluid van de audiospotlight zich tot een hoek van ongeveer drie graden.

Terwijl Pompei de mogelijkheden bekeek, kwam hij erachter wat er bij de eerdere pogingen om geluid te bundelen fout was gegaan. Een van de redenen was dat ultrasoon geluid ingewikkelder is dan de onderzoekers destijds dachten. Het idee van amplitude modulatie die de Japanners toepasten, was te simpel. Lucht vervormt geluid op een ingewikkelde manier. Het tweede probleem is dat de onderzoekers piezoëlektrische luidsprekers gebruikten. Deze resoneren op een bepaalde frequentie ultrasoon geluid. Het frequentiebereik van deze luidsprekers is dus erg laag.

Terugrekenen

Pompei loste het eerst probleem op nadat hij het werk ontdekte van fysicus dr. Peter J. Westervelt en akoestiek specialist dr. Orhan Berktay. Zij deden onderzoek naar de verstoring van ultrasoon geluid onder water en hadden daar vergelijkingen voor opgesteld. Pompei nam simpelweg de formules over en paste deze aan voor lucht. Hiermee kon hij uiteindelijk zijn felbegeerde audiospotlight maken. Het MIT ontwikkelde voor het project een speciale luidspreker. Hiermee was ook het tweede probleem opgelost.

In 1998 presenteerde Pompei het eerste prototype aan de sponsors van MIT. Uit de audiospotlight kwam een solo van de saxofonist John Coltrane, terwijl de geluidsbundel over het publiek zwiepte. Op de 105ste conventie van de Audio Engineering Society gaf Pompei eveneens een demonstratie en was een staande ovatie zijn deel.

Geprojecteerde geluidsbron

Bij de audiospotlight gaat een geluidssignaal via een kabel naar een signaalprocessor. Deze rekent het signaal om naar het ingewikkelde ultrasoon geluidssignaal. De vergelijkingen die de verstoring van ultrasoon geluid in lucht beschrijven, worden als het ware in omgekeerde richting gebruikt. Het apparaat rekent het hoorbare geluid terug naar wat het oorspronkelijke ultrasoon geluid had moeten zijn voor de verstoring door lucht.

Het signaal gaat vervolgens naar een versterker die het doorstuurt naar de speciale luidspreker. Deze produceert het ultrasoon geluid dat wordt uitgezonden in een bundel van ongeveer drie graden. ‘Het hoorbare geluid begint al vanaf een paar centimeter afstand van de box en het is hoorbaar tot zeker 200 m’, zegt Pompei. ‘In principe gaat het nog verder, maar het verzwakt over een lange afstand net als gewoon geluid.’ De hoorbare geluidsgolven blijven in een richting bewegen, zodat het geluid buiten de bundel niet te horen valt. Pas als het tegen een muur of object botst, zal het zich in de ruimte verspreiden. ‘De audiospotlight kan dan ook op twee manieren worden gebruikt. Geluid kan op een luisteraar gericht worden, zodat er om de persoon heen een persoonlijke geluidsruimte ontstaat. Als de bundel op een object wordt gericht, ontstaat daarop een geprojecteerde geluidsbron. Het geluid lijkt voor omstanders van deze projectie te komen, zoals dat ook het geval is bij een onzichtbaar spotje dat op een muur schijnt.’

‘Het vermogen dat de audiospotlight verbruikt, hangt af van de grootte van de luidspreker, maar het ligt onder de honderd watt en is dus vergelijkbaar met traditionele luidsprekers. Het volumebereik gaat tot 80 à 90 decibel, maar dit hangt ook af van de grootte van de luidspreker en van de frequentie.’ De totale harmonische verstoring (THD), het percentuele aandeel in ongewenste geluiden, bedraagt volgens Pompei 1 tot 3 % met een piek bij 8 kiloHz.

Figuur 3. Ultrasoon geluid wordt door de lucht vervormd. Deze figuur geeft een voorbeeld weer van een dergelijke vervorming. Het originele ultrasoon geluid is blauw weergegeven. De rode grafiek stelt het vervormde geluid voor.

Het product ligt nog niet in de winkel. DymlerCrysler heeft wel een prototype ontworpen voor in de auto. De fabrikant heeft het systeem in een proefmodel van zijn Dodge MAXXcab geplaatst. Boven elk van de vier zittingen is een audio spotlight in het dak gemonteerd. Pompei: ‘Formeel gezien hebben we het commercieel op de markt brengen van het product nog niet aangekondigd. Maar vanwege de sterke vraag zijn er wel systemen geleverd aan wat grote ondernemingen, musea en bedrijven die tentoonstellingen organiseren.’ Pompei onderhandelt nu met fabrikanten over licenties.

Dat wil niet zeggen dat de geluidsexpert zijn vinding nu gewoon op de plank laat liggen. Volgens The New York Times mag Pompei graag vanaf een balkon geluidsbundels van rinkelend glas naar een terras sturen. De verwarde obers kijken dan vaak eerst naar de grond, totdat ze Pompei en zijn collega’s horen lachen.

Dit artikel is een publicatie van De Ingenieur.
© De Ingenieur, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 februari 2002
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.