Een schat aan geluidsinformatie

Bij vliegtuigen is geluid een ongewenste bijwerking van de voortstuwing. Bij sonar is geluid juist een middel, voor nauwkeurige dieptemetingen. Ongeacht of het voortgebrachte geluid hinderlijk is of alleen maar nuttig, het zegt altijd iets over de bron en de omgeving. Als universitair hoofddocent bij de vakgroep Aircraft Noise and Climate Effects (ANCE) is Mirjam Snellen gespecialiseerd in de technieken van beeldvorming van en met geluid. Ze is pas tevreden als alle informatie uit het gemeten geluid is onttrokken, al dan niet met zelf ontwikkelde detectoren.

De ANCE vakgroep, onder leiding van Prof.dr. Dick Simons, is klein en hecht en bevindt zich met haar geluidsonderzoek doelbewust op het snijvlak van meten en modelleren. “Als je alleen meet, dan beschik je niet over de kennis om bijvoorbeeld stillere vliegtuigen te ontwerpen,” zegt Mirjam Snellen. “Andere groepen zijn juist weer gespecialiseerd in het berekenen. Zij bouwen bijvoorbeeld modellen om vanuit vorm en materiaal van een vliegtuigromp te voorspellen welk geluid het bij verschillende snelheden produceert. Dat moet dan natuurlijk wel gevalideerd worden met een meting.” Wat de ANCE vakgroep betreft is zelfs een nauwkeurige geluidsmeting in een windtunnel aan een schaalmodel niet afdoende. Het liefst meten ze het in de praktijk na, onder de meest realistische omstandigheden. Belangrijk bij deze metingen is dat de geluidsbron, de romp in dit geval, goed gescheiden kan worden van andere geluidsbronnen zoals de motoren. Mirjam Snellen: “Dat kunnen wij in ANCE, met onze arrays”. 

Geluid opsplitsen

Met één enkele microfoon kan je alleen volume en toonhoogte meten. Dit verandert als je een array van meerdere microfoons gebruikt, uitgespreid over een oppervlak. Het geluid afkomstig van bijvoorbeeld de neus van het vliegtuig, zal eerst de meest dichtstbijzijnde microfoon bereiken, en kort daarna pas de microfoons die iets verder weg zijn. Met software kunnen de verschillende geluidsbronnen worden gereconstrueerd. “Dit heet beamforming,” legt Mirjam snellen uit. “We kunnen hiermee het gemeten geluid over de tijd opsplitsen naar bronlocatie, toonhoogte (geluidsfrequentie) en volume. Daarbij corrigeren we onder andere voor achtergrondgeluiden, reflecties van het geluid op de grond en zo nodig het Doppler-effect.” Er zitten nog wel enkele praktische voorwaarden aan zo’n array. Zo moeten voor een goede resolutie van de lage tonen, die een lange golflengte hebben, de microfoons wat verder uit elkaar staan. Voor de hogere tonen moeten ze juist wat dichter bij elkaar staan, ter voorkoming van vervormingen. Een array heeft daarom typisch een mix van grotere en kleinere afstanden tussen de microfoons. Bovendien is de omvang van het array beperkt omdat je hem wilt kunnen vervoeren.

Een groot wit vlak

De onderzoekers in de vakgroep beheersen de beamforming techniek tot in de details. Van de zomer hebben ze voor het eerst gemeten met hun nieuw ontworpen array van 64 microfoons, over een oppervlak van vier bij vier vierkante meter. Daarmee kunnen ze ook bij kleine vliegtuigen voldoende onderscheid maken tussen de verschillende geluidsbronnen. Voordat ze gaan meten bellen de onderzoekers altijd met de luchthaven. “Je staat daar toch met een groot wit vlak. Ook nu komt er nog altijd iemand van de luchthaven langs, maar dat is uit interesse.” Zulke arraymetingen leveren indrukwekkende plaatjes op waarmee goed te zien is welk onderdeel van een vliegtuig welk geluid voortbrengt. De luchtstroming rond de vleugels resulteert typisch in wat lagere geluidsfrequenties, de motoren zelf en de straal daarachter juist in hogere frequenties. “Met onze metingen toetsen we modelvoorspellingen. Als we nauwelijks geluid van het onderstel verwachten en onze metingen laten anders zien, dan is dat aanleiding om het model te herzien.” Verschillende vliegtuigtypes hebben dus een verschillende ‘vingerafdruk’, en vereisen daardoor mogelijk een andere aanpak om de geluidsoverlast te verminderen.

Stillere vliegtuigen

De luchthavens Schiphol en Lelystad lopen tegen hun geluidslimieten aan en zetten in op toekomstige stillere vliegtuigen. Samen met het DLR (das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt) organiseerde Prof. Simons in 2014 een workshop met experts uit de hele wereld. De centrale vraag was hoeveel stiller vliegtuigen nog kunnen worden, en wat men daarvoor moet doen. “Dat valt best tegen,” zegt Mirjam Snellen. “We kunnen bijvoorbeeld naar ultra-high bypass motoren gaan. Die zijn veel stiller maar ook ontzettend groot en dus zwaar. De extra stuwkracht die je moet leveren om daarmee op te stijgen en te vliegen, vertaalt zich mogelijk weer in extra geluidsoverlast. Met gebruik van andere materialen kan er nog wel wat gewonnen worden.” De vakgroep werkt hiervoor samen met de windenergie groep binnen dezelfde faculteit, welke onder andere het gebruik van poreuze materialen voor windturbines onderzoekt. “Neus- en vleugelkleppen of het landingsgestel van een vliegtuig kunnen daarmee ook wat stiller worden.” Zulke nieuwe ontwikkelingen test men eerst in een windtunnel. Voor dit onderzoek plaatste de vakgroep een microfoon-array in de relatief stille verticale windtunnel. De muren hiervan zijn bekleed met ‘punten’ van absorberend materiaal om geluidsreflecties te minimaliseren. Mirjam Snellen: “De uitdaging is om alleen het object te meten. Het array zelf mag geen geluidsreflecties veroorzaken, en de microfoons moeten zo geplaatst zijn dat we nauwkeurig kunnen meten en beamformen.”

Virtueel geluid

Je zou hem bijna vergeten, maar ook de luisteraar speelt een belangrijke rol bij geluidshinder en daarmee bij de richting van nieuwe ontwikkelingen. Als een groep testpersonen zich niet stoort aan de brom van de romp, dan hoef je die ook niet aan te passen. Dick Simons was nauw betrokken bij het ontwikkelen van de zogenaamde Virtual Community Noise Simulator van het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR). Daarmee kan men bijvoorbeeld het geluid van een landend vliegtuig ervaren in een volledig gesimuleerde natuurlijke omgeving. Daar is nauwkeurig gemeten of gemodelleerd geluid voor nodig, wat de ANCE vakgroep kan aanleveren. Mirjam Snellen: “In een simulator is het bijvoorbeeld mogelijk om alleen het geluid van de vleugels en motoren uit te zetten, of om de toonhoogte van het geluid te veranderen.” Dat laatste klinkt als toekomstmuziek, maar er zijn groepen die dit met slimme aanpassingen van vorm en materiaal proberen te bereiken.

Scheepvaartveiligheid

Beamforming speelt ook een belangrijke rol bij echometingen van waterdieptes en daarmee bij de scheepvaartveiligheid. Een nauwkeurig inzicht in actuele waterdieptes dient bijvoorbeeld als input voor de baggerfrequentie in en rond de haven van Rotterdam, zodat deze ook voor de grootste schepen bereikbaar blijft. Dit in kaart brengen van waterdieptes kan efficiënt met zogenaamde multi-beam echo sounders (MBES). Een MBES is te zien als een echolood dat gelijktijdig meerdere smalle geluidsbundels uitzendt (een ‘ping’). Elk van deze bundels plant zich voort door het water, weerkaatst op de bodem, en wordt weer door de MBES geregistreerd. De helft van de tijd tussen het uitzenden en ontvangen van een ping geeft, samen met het geluidssnelheidsprofiel als functie van de diepte, de afstand van de MBES tot de bodem. Elke ping brengt de bodem in kaart over een brede lijn loodrecht op de vaarrichting van het onderzoeksschip. En met meerdere parallelle vaarbewegingen brengt men de hele bodem in kaart.

Mirjam Snellen: “Binnen Nederland zijn wij als een van de weinigen goed op de hoogte van alle technische details van MBES; van het systeem, de invloed van de omgeving en de algoritmes.” De MBES systemen zijn ingewikkeld en duur maar voldoen aan de door Rijkswaterstaat gewenste nauwkeurigheid van enkele centimeters bij dieptes tot enkele tientallen meters. Nieuwe systemen, en goedkopere alternatieven, moeten ook aantoonbaar aan deze criteria van Rijkswaterstaat voldoen voordat bijvoorbeeld een baggerbedrijf ze mag gebruiken. Mirjam Snellen: “Wij hebben het rekenmodel ontwikkeld dat bepaalt of metingen, gegeven een set aan meetsystemen, aan deze normen voldoen.” Bovendien kan er meer informatie gehaald worden uit de huidige systemen, bijvoorbeeld door naast de tweeweg looptijd van het echo-signaal ook naar de intensiteit hiervan te kijken. Mirjam Snellen: “De afgelopen jaren hebben wij een aantal methodes ontwikkeld om uit metingen met MBES niet alleen de waterdiepte, maar ook de bodemsamenstelling te bepalen. Is het bijvoorbeeld een gunstige bodem voor het plaatsen van een windmolenpark?”

Alle data gebruiken

Het was haar drang om alle informatie uit geluid te halen dat resulteerde in een methode om de nauwkeurigheid van dieptemetingen met MBES te vergroten. De ruwe data van een MBES-systeem moet voor veel variabelen gecorrigeerd worden, waaronder het geluidssnelheidprofiel onder water. Dit is afhankelijk van de druk (diepte), temperatuur en het zoutgehalte. Met name in riviermondingen of bij gebieden met getijdenwerking kunnen lokale variaties in de geluidssnelheid leiden tot meetonnauwkeurigheden. Mirjam Snellen: “De onnauwkeurigheid wordt groter naar de randen van de gemeten strook. Men accepteerde dat of voerde de metingen (deels) opnieuw uit. Maar dat is niet nodig als je je realiseert dat de gemeten stroken elkaar deels overlappen.” Ze ontwikkelde een algoritme dat de extra data van deze overlap gebruikt om de geluidssnelheidsprofielen te berekenen. “Het is geen schatting, het is fysica,” zegt Mirjam Snellen. “Wel af en toe nameten, he,” voegt ze er lachend aan toe.

Meten is weten

Haar algoritme voor het onder water geluidssnelheidsprofiel is recent geïmplementeerd in commerciële hydrografische software, maar stamt al uit 2009. “Net als in andere vakgebieden vinden niet alle oplossingen snel hun weg naar de praktijk,” zegt Mirjam Snellen. Een actueel onderwerp waarvoor dit ook geldt, is het berekenen van de geluidsimpact van het vliegverkeer bij luchthavens. Daarvoor gebruikt men zogenaamde ‘noise-power-distance tables’. “Niemand weet precies hoe nauwkeurig het gebruik van deze tabellen is. We leven in 2018, laten we een paar arrays bij het vliegveld plaatsen en deze geluidservaring daadwerkelijk meten.”

Bekijk hier meer informatie over de ANCE vakgroep.