Dichterbij geluidloze luchtvaart met het visualiseren van vliegtuiggeluid

Alhoewel het geluid van vliegtuigmotoren in de afgelopen decennia drastisch is afgenomen, lopen de honderden miljoenen mensen die bij vliegvelden wonen nog steeds een verhoogd risico op gehoorproblemen en hart- en vaatziekten. Tegenwoordig zijn het, bij de landing, niet meer de motoren die het meeste geluid produceren, maar de romp en vleugels. Verbeteringen in de akoestische beeldvorming, en de bijbehorende algoritmes, wijzen de weg naar wat nu de belangrijkste geluidsbronnen zijn om te temmen.

“Aeroakoestiek is een relatief nieuw onderzoeksgebied binnen de luchtvaarttechniek,” zegt Roberto Merino-Martinez, die onlangs cum laude promoveerde bij de Aircraft Noise and Climate Effects groep (ANCE). “De huidige modellen voor het voorspellen van het geluidsniveau van nieuwe vliegtuigontwerpen zijn gewoon niet goed genoeg. Ze geven niet voldoende detail en voorspellen vaak een te laag geluidsniveau. Ze houden ook geen rekening met zogenoemde parasitaire geluidsbronnen, zoals luchtstroming door kleine openingen in de vliegtuigromp. Het is heel belangrijk dat deze modellen en hun voorspellingen met experimenten gevalideerd worden.”

Een array van microfoons

Een enkele microfoon volstaat om globaal het geluidsniveau te meten. Voeg een tweede microfoon toe en je kan ook enigszins de richting bepalen waar het geluid vandaan komt. Omdat wij mensen twee oren hebben, kunnen wij dit ook. “Maar om vliegtuiggeluid echt te begrijpen, om met een hoge resolutie te bepalen waar alle geluidsbronnen zitten, daar heb je een microfoon array voor nodig,” legt Merino-Martinez uit. Zo’n array bestaat uit een ondersteunende constructie met daarop een grote hoeveelheid microfoons op grotere en kleinere afstand van elkaar. De geluidsgolven van een geluidsbron zullen elke microfoon op een net iets ander moment bereiken. Met een computer algoritme kunnen vervolgens de karakteristieken van de verschillende geluidsbronnen worden gereproduceerd – frequentie, intensiteit en locatie. “In de jaren ’90 zijn zulke arrays voor het eerst gebruikt voor metingen aan laag overvliegende vliegtuigen,” legt Merino-Martinez uit. “Tegenwoordig worden ze ook in veel windtunnels geïntegreerd.”

Irritant gefluit

De eerste helft van zijn promotie heeft Merino-Martinez zich vooral beziggehouden met zulke metingen aan laag overvliegende vliegtuigen op Schiphol. Hiervoor gebruikte hij een array van 32 microfoons. Na correcties voor achtergrondgeluid, het Doppler-effect en de verplaatsing van de vliegtuigen gedurende een-tiende seconde van de meting, viel hem op dat veel vliegtuigtypes een grote geluidspiek produceerden met een frequentie rond de 1720 Hz. Dat is een irritante hoge fluittoon, vergelijkbaar met die van een hartmonitor die een hartstilstand aangeeft. “De fluittoon was met name bijzonder luid bij de Airbus A320, een van de meest populaire passagiersvliegtuigen aller tijden,” zegt Merino-Martinez. “Het bleek veroorzaakt te worden door een opening in het neuslandingsgestel, dat zich als een fluit gedroeg. Het is mijn meest geciteerde onderzoeksartikel tot nu toe en volgens mij gaat Airbus dit bij de nieuwere modellen oplossen.”

Een lijn van geluid weergeven

Het grootste deel van zijn promotie heeft Merino-Martinez echter gewerkt aan het integreren van een veelzijdige microfoon array in de bestaande laminaire windtunnel van de TU Delft. “Met onze oplossing kunnen we de microfoons eenvoudig herschikken, al naar gelang de vereisten voor het experiment,” zegt hij. “Soms wil je dat ze verder van elkaar af staan zodat je de locatie van de geluidsbronnen met een hogere resolutie kunt weergeven, soms wil je ze dichter bij elkaar hebben voor meer detail in het frequentiebereik van de array.” Daarnaast heeft hij ook veel tijd gestoken in het verbeteren van het algoritme voor het reconstrueren van de geluidsbronnen. “Ik wilde het geluid van vleugelprofielen nauwkeurig kunnen meten, zoals de vleugels van een vliegtuig of de wieken van een windturbine. Instabiliteiten in de luchtstroming aan de achterzijde van zo’n vleugelprofiel kunnen tot veel geluidshinder leiden. Bij windturbines veroorzaakt dit het typische zwoesj-geluid.” De meeste algoritmes voor akoestische beeldvorming gaan uit van puntbronnen omdat deze wiskundig eenvoudiger zijn. Merino-Martinez herschreef het algoritme zodat het ook mogelijk was om lijnbronnen van geluid nauwkeurig weer te geven. “Onze aanpak geeft betere resultaten dan bestaande oplossingen, zelfs dan die ontwikkeld door de NASA.”

Nog geen stille vliegtuigen

Merino-Martinez en zijn collega’s voerden met de nieuwe array en het verbeterde algoritme metingen uit aan variaties van twee geluid-reducerende technieken. “Beiden zijn geïnspireerd op de geruisloze vlucht van uilen,” licht hij toe. “Met hun veren creëren ze een zogenoemd zaagtandprofiel, wat de verstrooiing in de luchtstroom aan de achterzijde van hun vleugels gunstig beïnvloedt.” De onderzoekers bestudeerden ook het toevoegen van inzetstukken aan de achterzijde van de vleugelprofielen, bestaand uit poreuze materialen en metalen ‘schuim’. Dit beïnvloedt de luchtstroom op een soortgelijke manier. “Wetenschappelijk gezien is het een interessante oplossing,” zegt hij, “maar daadwerkelijke toepassing is nog ver weg omdat deze materialen vies kunnen worden of zelfs bliksem aantrekken.” Fabrikanten van windturbines maken al gebruik van de zaagtandprofielen, maar het kan nog wel tien jaar duren voordat de conservatieve vliegtuigindustrie hieraan toe is. “Veiligheid boven alles.”

Psychoakoestiek

Met zijn woning dicht in de buurt van Rotterdam Airport is het misschien niet alleen zijn professionele interesse die het onderzoek van Merino-Martinez voortstuwt. Op dit moment is hij, als driejarig postdoctoraal onderzoeker aan de TU Delft, bezig met het kwantificeren van de irritatiegraad van geluidshinder. “Niet alleen het geluidsvolume is hierbij belangrijk,” zegt hij. “De duur van het geluid speelt ook een rol, en met name de hoge tonen zijn voor het menselijk gehoor heel irritant. Er bestaan al modellen die een geluidslandschap kunnen terugbrengen tot een enkel getal die de psychoakoestische irritatiegraad uitdrukt. Ik zou deze modellen graag valideren door een groep mensen in een geluidssimulator aan verschillende geluiden bloot te stellen.” Zulke data kan ontwerpers van vliegtuigen en windturbines bijvoorbeeld inspireren oplossingen toe te passen die de frequentie van het geproduceerde geluid aanpassen, in plaats van het geluidsvolume.