Je leest:

Met een robot kijken naar geluid

Met een robot kijken naar geluid

Auteur:

Rick Scholte (1979) werkte tijdens zijn afstudeerstage bij Philips Applied Technologies in Eindhoven aan het wereldwijd eerste systeem dat geluid in beelden met hoge resolutie kan omzetten. Binnen Philips bleek er zoveel vraag naar te zijn, dat er meteen meerdere projecten baat bij hadden.

Small
dr.ir. Rick Scholte, winnaar van de Simon Stevin Gezel 2009
technologiestichting STW

Scholte: “Op een gegeven moment kwam iemand naar mij toe met een schermpje van een nieuw mobieltje. Daar zat een vervelende pieptoon in. Niemand wist waar die pieptoon vandaan kwam. Met de bestaande geluidsanalysemethodes kwam niemand achter de oorzaak. Maar met mijn meetopstelling vonden we al snel de boosdoener: een piepkleine piëzo-elektrische condensator.”

De praktische ervaring die Scholte had opgebouwd bij Philips vormde een goede basis voor theoretische verdieping, met als doel het zogenoemde near-field sound imaging system nog verfijnder te maken. De bestaande methoden voor het reconstrueren van een geluidsbron gaven over het algemeen een grof beeld van het geluid. Bovendien waren deze methoden zeer rekenintensief, en dus ongeschikt voor industriële toepassingen. Zo was het plan voor de promotie geboren. In de zomer van 2004 begon Scholte zijn onderzoek aan de Technische Universiteit Eindhoven, aan de faculteiten Elektrotechniek en Werktuigbouwkunde.

Dode kamer

In het eerste jaar van zijn onderzoek richtte Scholte het akoestisch lab van de faculteit werktuigbouw in: een dode kamer, ter grootte van een huiskamer, waarvan de wanden zodanig met dempend materiaal zijn uitgerust, dat geluidsgolven er niet op terugkaatsen. Het duurde niet lang of er stond een verbeterde versie van de apparatuur die Scholte had gebruikt bij Philips in het lab. Scholte: “De verwachtingen waren meteen hooggespannen. Ik zou uitgebreid moeten gaan publiceren in allerlei tijdschriften. Maar ik wilde eerst een goede basis voor mijn onderzoek leggen. Ik ben blij dat ik dat ook heb gedaan, en eerst een pas op de plaats gemaakt heb, om de theoretische basis uit te breiden.”

Medium
technologiestichting STW

Scholte ontwierp eerst een geautomatiseerde akoestische meetrobot, die alle metingen zelfstandig kon uitvoeren. De robot werd gebouwd door Philips Drachten; de besturing ontwikkelde Scholte zelf in samenwerking met de robotbouwers. De robot ziet eruit als een grote doos, die zichzelf over een assenstelsel van buizen heen en weer kan schuiven. In de doos zit meetapparatuur. Aan de voorkant steekt er een hengel uit, die op en neer kan. Aan het uiteinde van die hengel zit een microfoontje. Doordat de robot de microfoon over drie assen kan bewegen, kan hij van een kubieke meter lucht op iedere positie de geluidsdruk meten.

Microfoon close up
Het sound imaging hologram van een harde schijf wordt gemeten met een 20-kanaals microfoonsysteem op een robot.
technologiestichting STW

Het resultaat is een holografische meting. Die meting gaat uit van een groot aantal geluidsdrukmetingen met microfoons op een vastgestelde afstand tot de bron in een tweedimensionaal vlak. Vervolgens worden er berekeningen op het ontstane beeld uitgevoerd waarmee een driedimensionaal geluidsdrukveld bepaald kan worden.

Scholte: “Zo kon ik precies uitrekenen waar de bron van de geluidsgolven zit. Dat is te vergelijken met het gooien van een steentje in een vijver. Als je aan de rand van de vijver op maar een enkele plaats kijkt naar het wateroppervlak, dan zie je alleen golffronten langskomen. Je weet niet waar deze vandaan komen. Als je meerdere punten meet, dan kun je met vrij eenvoudige berekeningen precies bepalen waar het steentje in het water is gekomen.”

Om van het opgevangen geluid tot op de millimeter nauwkeurig de bron te kunnen uitrekenen, is het essentieel om de geluidsmetingen goed digitaal te filteren. Hoe zuiverder het meetsignaal, hoe nauwkeuriger de oorsprong van de bron te reconstrueren valt. Het was nog niet eerder mogelijk geweest om het inregelen van de filters automatisch uit te voeren – voor iedere meting moest de apparatuur met de hand opnieuw worden ingeregeld. Maar Scholte slaagde erin om dat met software automatisch te doen verlopen.

Scholte: “Ik kom uit de elektronische signaalverwerking, minder vanuit de natuurkunde. Dat levert nieuwe mogelijkheden op, vooral als je de kruisbestuiving met digitale beeldbewerking zoekt. Je moet vooral spelen met allerlei waarden die je meetopstelling levert: ruis, vervormingen, versterking, enzovoorts. Als je het probleem helder in beeld hebt, dan ga je doorwerken op dat ene punt waar het spaak loopt.”

Medium
Driedimensionaal geluidsbeeld van de bovenkant van een harde schijf.
technologiestichting STW

Uitvoerig rekenwerk

Een van de grootste problemen kwam in het derde onderzoeksjaar naar voren. Het ging om vervormingen die optreden, onder meer doordat het geluid wordt omgezet van analoog naar digitaal. Scholte: “Vooral als het geluidssignaal dicht tegen de frequentie aanzit waarop je je signaal digitaliseert, krijg je een vervorming die ‘aliasing’ wordt genoemd. Dat levert geluidsafbeeldingen op die wazig zijn of rare patronen vertonen.”

Small
technologiestichting STW

Na uitvoerig rekenwerk lukte het om hiervoor een oplossing te vinden. Scholte: “In de regeltechniek gebruik je vensters, waarbinnen je signalen toestaat, en waarbuiten je alle meetwaarden nul maakt. Het probleem met die vensters zijn de grensgebieden. Ik heb een methode ontwikkeld, waarbij die grensgebieden zich op een intelligente manier instellen op het geluidssignaal.” Deze nieuwe methode werd border-padding gedoopt, en Scholte vroeg er direct patent op aan.

Na zijn promotie ging het snel in de richting van commerciële toepassingen. Scholte: “Bij een valorisatieworkshop van STW won ik met een collega-promovendus de eerste prijs voor het beste businessplan. Begin 2009 richtten we ons eigen bedrijf Sorama op en haalden de eerste en tweede fase van de STW Valorisation Grant binnen.” De tweede fase leverde twee ton startkapitaal op.

Scholte: “Vanaf de eerste dag hebben we klanten vanuit de industrie gehad. De afgelopen maanden hebben we voor zeker vijftien verschillende bedrijven gewerkt. Onze apparatuur levert heel intuïtieve plaatjes op: we maken filmpjes waarbij het geluid over afbeeldingen van de geluidsbron zijn gelegd. Daarna adviseren we bedrijven hoe ze verschillende geluids- en trillingsproblemen kunnen oplossen. Het geeft me een enorme kick om te zien hoe breed deze methode toegepast kan worden.”

Het promotieonderzoek van Rick Scholte is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van STW.

Dit artikel is een publicatie van Technologiestichting STW.
© Technologiestichting STW, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 23 januari 2010

Discussieer mee

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE