Vliegtuiglawaai treft natuurlijk allereerst de omwonenden van Zaventem en Schiphol, maar voor de luchtvaartmaatschappijen is minstens zo relevant dat ook de passagiers van het vliegtuig er last van hebben – zij betalen tenslotte. Dikke wanden met lagen schuimwol ertussen zijn geen oplossing, want in een vliegtuig telt elke kilo en elke kubieke centimeter. Andere manieren zijn nodig om de rust in de cabine te laten terugkeren zonder het vliegtuig zwaarder te maken.
Dikke muren, schuimwol en geluidsschermen naast snelwegen vormen een passieve manier van geluidsreductie. Er bestaat ook een actieve methode, die het geluid dooft door trillingen op te wekken die precies tegen de geluidstrillingen van de lawaaischopper ingaan. Dat is het principe van antigeluid.
Theoretisch is het een solide verhaal, maar in de praktijk blijkt antigeluid verduiveld moeilijk te gebruiken. Daarom onderzoeken we sinds 1 januari 2000 bij TNO, in samenwerking met de TU Delft (faculteit Lucht- en Ruimtevaart) en de Universiteit Twente, een nieuwe methode van actieve geluidsreductie; we ontwikkelen zogenoemde smart materials.
Stel voor dat je in een schip in de ruimte naast de machinekamer zit. Van dichtbij hoor en voel je het dreunen van de zware dieselmotor. Een gesprek voeren is niet mogelijk en je koffiekop trilt van tafel. Toch bevindt de dieselmotor zich achter een tussenwand van stalen platen. Het lawaai in de machinekamer brengt de wanden aan het trillen, die op hun beurt fungeren als luidspreker in de naastgelegen ruimten.
Geluid dooft door trillingen die precies tegen de geluidstrillingen ingaan.
Herrie plus herrie is stilte
Geluid, bijvoorbeeld een loeiende sirene, is niets anders dan een trilling van de lucht. Je kunt dit geluid doven met een tegengestelde trilling. Dat is enigszins paradoxaal: met een luidspreker moet je precies dezelfde herrie produceren als die je aan het bestrijden bent, alleen tegengesteld. Eigenlijk is het ‘anti-herrie’ – en herrie plus anti-herrie levert doodse stilte.
Dat klinkt te mooi om waar te zijn – en dat is het ook. Een microfoon vangt steeds een stukje van het brongeluid op. Als het geluid een beetje voorspelbaar is (dus binnen een korte periode niet te sterk verandert), dan kan een kleine computer berekenen hoe de volgende trilling er ongeveer uitziet. Bij een lage toon van honderd hertz duurt zo’n trilling tien milliseconden. Binnen die tijd moet de computer de volgende geluidstrilling berekenen en opwekken. Hij moet zich dus wel een beetje haasten.
Bij een bromtoon van honderd hertz gaat het prima. De technologie neemt het geluid vrijwel geheel weg. Bij hogere frequenties (hogere tonen) wordt het geluid veelal complexer en is de elektronica niet snel genoeg. In de praktijk werkt het principe van antigeluid tot ongeveer vijfhonderd hertz.
Antigeluid
Antigeluid is eind jaren tachtig hier en daar toegepast, bijvoorbeeld in hoofdtelefoons voor militaire piloten of in luchtbehandelingsystemen. Inmiddels is de techniek niet meer populair. Het systeem bleek voor veel toepassingen onpraktisch. Waar laat je in een auto, in ramen of in constructiepanelen microfoons en luidsprekers? Bovendien zijn deze losse onderdelen kwetsbaar en wil niemand ze in het zicht hebben.
Smart windows. Ramen die het geluid actief tegenhouden.
We proberen nu te voorkomen dat de wanden gaan trillen door een tegentrilling in de wanden op te wekken, die de netto geluidsafstraling zo klein mogelijk maakt. Dat kan door sensoren en actuatoren in de wanden in te bouwen. De sensoren vangen net als microfoons geluid op; de actuatoren brengen net als luidsprekers de wand in trilling.
Het verschil met de productie van antigeluid is dat de sensoren en actuatoren plaatjes zijn die in dit geval in de isolerende wand zijn geïntegreerd. Je ziet er dus niets van, ze zijn niet kwetsbaar en ze worden al bij de productie van de wandpanelen ingebouwd.
De sensoren ‘horen’ wat er met de wand gebeurt: het zijn de vingertoppen van het systeem, die op elke plek van de wand voelen welke trillingen er plaatsvinden. Hun informatie spelen ze door naar de regelelektronica, die het complexe patroon van golven en trillingen in de wand analyseert. Milliseconde na milliseconde berekent de elektronica hoe het patroon verandert. Ook al lijkt de scheepsmotor een constante dreun te produceren, toch vinden er voortdurend subtiele veranderingen plaats. Reflecties aan andere wanden en kleine variaties in de omgevingstemperatuur zijn al van invloed.
Het is niet voldoende als de computer slechts de benodigde ‘tegentrilling’ berekent. Hoe snel dat ook gaat, ingrijpen is altijd te laat. Daarom moet de computer vooruit rekenen en voorspellen hoe het trillingspatroon er over een milliseconde uitziet. Dat lukt niet voor alle soorten lawaai, maar gelukkig juist wel voor machines als auto- en scheepsmotoren en ventilatoren.
Het toepassingsgebied voor actieve panelen is bijna zo groot als de verbeelding toelaat. Overal waar de behoefte aan stilte hand in hand gaat met optimale benutting van de beschikbare ruimte en lichtgewicht bouwen, komen smart materials van pas. Zeer dunne, geluidswerende wanden in cruiseschepen maken het mogelijk om meer hutten te bouwen. In vliegtuigen kunnen de actuatoren in de actieve wanden tevens dienst doen als luidspreker. We kunnen ook denken aan constructiedelen voor de bouw en aan ramen.
Gasaanstekers en kerstkaarten
Wat zijn ‘sensoren’ en ‘actuatoren’ nu voor geheimzinnige apparaatjes, die tegelijkertijd microfoon en luidspreker zijn en wanden en ramen laten trillen? Het antwoord is minder mysterieus dan het lijkt: het zijn piëzo-elektrische materialen, stoffen die een beetje uitrekken of inkrimpen als je er een elektrische spanning op zet en, omgekeerd, onder spanning komen te staan als je er druk op uitoefent.
Materialen met deze eigenschap zijn al langer bekend. Ze zitten bijvoorbeeld in gasaanstekers, waar mechanische druk een spanning veroorzaakt en een vonk geeft. Je vindt ze ook in goedkope luidsprekers in kerstkaarten en in laptops. Daar brengt een elektrische spanning het materiaal in trilling.
Zowel keramische materialen als polymeren kunnen piëzo-elektrische eigenschappen bezitten. Wij gebruiken plaatjes van lood-zirkoon-titanaat (PZT), een keramisch materiaal; ze buigen als je er een spanning op zet. Het is ook mogelijk om PZT in de vorm van flexibele vezels te maken. De vezels veranderen onder invloed van een elektrisch veld van lengte. Ze zijn eenvoudig aan te brengen op gekromde platen en minder kwetsbaar dan de harde, brosse PZT-plaatjes, die voor ons onderzoek echter prima voldoen.
Voor transparante stoffen gebruiken we PVDF (polyvinyldifluoride) in plaats van PZT. Actieve ruiten behoren dan ook tot de mogelijkheden. De piëzo-elektrische werking van PVDF is weliswaar wat minder krachtig, maar het polymeer is makkelijker als coating aan te brengen, wat in de productie weer allerlei voordelen heeft.
Knappe wand. De wand trilt mee met bepaalde frequenties. Bij sommige van die frequenties passen de bijbehorende golven in de lucht en in de wand op elkaar; die frequenties kan de wand doorgeven en moeten dus gedempt worden. Sensoren vangen de trillingen op en geven die door aan de computer. Die berekent welke trillingen hij moet opwekken om de geluidsoverdracht tegen te gaan. Hij geeft het resultaat door aan de actuatoren, die de trillingen opwekken. Sensoren en actuatoren zijn plaatjes, gemaakt van materiaal met piëzo-elektrische eigenschappen. Als je dat materiaal in elkaar drukt, produceren ze een kleine elektrische spanning. Daarmee kun je de uitgeoefende druk meten, je kunt dus meten hoe de wand trilt. Het effect werkt ook andersom: als je ze onder spanning zet, dan krimpen of rekken ze en doen de wand bewegen. Sensoren zetten druk om in een elektrisch signaal, bij actuatoren gebeurt het omgekeerde. Elk plaatje kan zowel als sensor als actuator zijn.
Gitaarsnaar
In feite moeten de actuatoren niet zozeer de trilling, als wel de geluidsproductie van de wand zo klein mogelijk maken. Dat is heel iets anders. Een trillende wand kun je vergelijken met een gitaarsnaar. De wand kan, net zoals de snaar, maar op een beperkt aantal manieren trillen. Een gitaarsnaar heeft een zogenaamde grondtoon (dat is de toon die je wilt laten klinken) en boventonen, die meeklinken. De boventonen hebben kortere golflengtes die in de golflengte van de grondtoon passen. Wat in de muziek grondtoon en boventonen heten, noemt de natuurkundige eigenmodes.
Als je de snaar in het midden aanslaat, breng je de grondtoon maximaal ten gehore. Pluk je er met je nagel aan, of sla je de snaar aan vlakbij het punt waar hij zit ingeklemd, dan breng je vooral de boventonen (die hoger zijn) voort. Een wand is een (tweedimensionaal) oppervlak en heeft een complexer patroon van eigenmodes dan een (eendimensionale) gitaarsnaar, maar het principe is hetzelfde.
Om de geluidsafstraling van de wand te minimaliseren, moet de computer eerst weten hoe sterk elk van de eigenmodes van de wand trilt. Eén enkele sensor meet alleen de totale trilling, die de som van alle eigenmodes is. Door nu op verschillende plaatsen sensoren aan te brengen, stel je de computer in staat te achterhalen hoe sterk elk van de eigenmodes trilt.
Bij elkaar passen
Dan komt het lastige gedeelte: de computer moet bepalen hoe sterk de geluidsafstraling van een bepaald trillingspatroon is. Niet elke eigenmode brengt de lucht namelijk even sterk in trilling. Dat drukken we uit in de afstraalefficiëntie, een grootheid die afhangt van de frequentie of toonhoogte.
De golflengten van dezelfde toon in de wand en in de lucht verschillen; ze passen soms wel, soms niet op elkaar. Neem de lage a: die heeft een frequentie van 440 hertz. Hij correspondeert met een trilling van een gitaarsnaar die 440 keer per seconde op en neer gaat.
De golflengte van een geluidsgolf die uit deze trilling voortkomt, bereken je aan de hand van de voortplantingssnelheid van geluidsgolven in lucht, oftewel de geluidssnelheid; de golflengte is de geluidssnelheid gedeeld door de frequentie. In lucht, waar de geluidssnelheid zo’n 340 m s–1 is, heeft die lage a een golflengte van 80 cm. In lucht hangt de voortplantingssnelheid niet af van de frequentie en je kunt dus elke golflengte eenvoudig uitrekenen als je de frequentie van een toon weet.
In wanden is dat niet zo eenvoudig: de voortplantingssnelheid van buiggolven (golven die de wand doen buigen en zo de lucht in trilling brengen) hangt op een ingewikkelde manier af van de frequentie. Het gevolg is dat bij sommige toonhoogten de golven in de wand en in de lucht goed bij elkaar passen en bij andere toonhoogten niet. Als ze goed bij elkaar passen, is de afstraalefficiëntie hoog, waardoor de wand veel lawaai produceert.
Bij toonhoogten waar de golflengten niet goed passen, straalt de wand weinig geluid af. De actuatoren moeten uiteraard juist de trillingen met hoge afstraalefficiëntie tegenwerken.
Stille ramen gemeten. Op een geluiddichte doos hebben we een ‘smart’ paneel met actuatoren en sensoren gemonteerd (60 × 75 cm). In de doos zit een luidspreker die een ruisachtig geluid maakt. Het paneel, verbonden met een computer, verzwakt dat geluid.
Dichtgemetseld
We hebben een proefopstelling gebouwd met dunne, lichte panelen waarin sensoren en actuatoren in de vorm van PZT-plaatjes zijn geïntegreerd. Elk plaatje is met een draad verbonden met de computer. Het voordeel van het piëzo-elektrische materiaal is dat je het naar believen als sensor of actuator kunt gebruiken. De computer kan op elk moment beslissen of een plaatje als sensor of actuator dienst doet.
Actief paneel dempt geluid. We meten het geluidniveau op korte afstand buiten de doos met een aantal microfoons, en berekenen het niveau bij verschillende frequenties. Als het paneel uit staat, komt er meer geluid door de wand (rode lijn) dan als het paneel actief is (blauwe lijn). Als de microfoon uit staat, vangen we alleen achtergrondgeluid op (groene lijn). Dr ir Arthur Berkhoff (tno-tpd)
De proefopstelling functioneert goed. De panelen hebben uitstekende geluidsreducerende eigenschappen. Een geluidsreductie van twintig decibel op de eigenmodes van de plaat is haalbaar. Bij zuivere tonen kan dat zelfs wel veertig tot vijftig decibel zijn. Dat zijn forse getallen. Kun je het trompetgeschal van je moeder die in de kamer naast je haar oefeningen zit te blazen niet meer aanhoren, dan bereik je zonder slimme wand veertig decibel geluidsreductie pas als je het deurgat dichtmetselt.
Nu de basisprincipes van de technologie werken, willen we zo snel mogelijk beginnen met de ontwikkeling van echte producten. Belangrijkste opgave is dan de integratie van sensoren, actuatoren en regelelektronica in het paneel. In de proefopstelling bevindt die regelelektronica zich in een apart kastje, maar in de praktijk moet dat een compact en robuust ‘plakje’ elektronica worden, dat gewoon aan de rand of aan de achterzijde van het actieve paneel zit. We moeten nog vele hobbels nemen, maar de vooruitzichten zijn veelbelovend.