Een camera die geluid visualiseert - Geluidsproblemen opsporen en analyseren

Sorama heeft een oplossing bedacht voor een probleem waarvan veel mensen niet weten dat het een probleem kan zijn: geluid. Je zou denken dat het in kaart brengen van geluidsbronnen eenvoudig is. Vaak is dat ook zo; gewenst geluid uit een luidspreker bijvoorbeeld wordt doorgaans gemakkelijk herkend en je kunt bovendien horen hoe hard het is. Ongewenst geluid kun je meestal ook horen, maar daar beginnen de problemen. Waar komt die piep vandaan en waardoor wordt die veroorzaakt? Of je voelt je wat ongemakkelijk, maar hebt geen idee waardoor. Dat kan door ultrasoon of infrasoon geluid komen, dat je niet bewust hoort, maar dat wel je welzijn beïnvloedt.

Nu is het meten en analyseren van geluid niet zo makkelijk. We kunnen weliswaar de geluidsdruk meten met behulp van een microfoon, maar dat is maar op één plek en geeft verder weinig informatie over het geluid in een ruimte. Sorama heeft twee methodes om informatie over geluid en geluidsbronnen te verzamelen: meten via beamforming en meten met behulp van een techniek die near-field acoustic holography genoemd wordt.

Beamforming wordt niet alleen gebruikt om een beter wifi-signaal te ontvangen, maar kan ook gebruikt worden om de bron van geluid te lokaliseren. Zo wordt beamforming in je router en in duikboten gebruikt. De truc van Sorama is echter dat het een microfoon-array heeft ontwikkeld dat met meer dan duizend microfoons tegelijk geluid kan opvangen.

Die microfoon-array komt echter pas echt tot zijn recht als hij gebruikt wordt met de techniek waarin Sorama zich heeft gespecialiseerd: near-field acoustic holography. Die techniek zoals Sorama die geïmplementeerd heeft, is ontwikkeld aan de TU/e. Het bedrijf werd opgericht om de techniek verder te ontwikkelen en commercieel te exploiteren. Sinds oprichter Rick Scholte in 2009 Sorama oprichtte, heeft het bedrijf zijn nah-techniek verder ontwikkeld.

Hoe werkt een geluidscamera?

De near-field acoustic holography-techniek, kortweg nah, die Sorama ontwikkeld heeft, maakt gebruik van een microfoon-array. Die array bestaat uit modules van 64 microfoons, waarvoor Sorama mems-microfoons gebruikt van hetzelfde type als ook in onder meer smartphones wordt gebruikt. De modules worden aan elkaar gekoppeld tot arrays van 1024 microfoons; voor een wereldrecord heeft het bedrijf zelfs een array van 4096 microfoons gebouwd.

De pcb's van de modules klikken in elkaar, waarbij de modules in de onderste rij van elke kolom van vier modules een fpga aan boord hebben. Die zorgen voor het multiplexen van de bitstreams van de microfoons en geven de data aan een data-acquisitiemodule. Ook daar vinden we een fpga die de ruis in de opgevangen bitstream deels wegfiltert en de meetwaarden naar een geheugenmodule schrijft. Van daaruit worden de meetgegevens doorgegeven aan een laptop om naar de onlineportal van Sorama gestuurd te worden voor analyse.

Die data wordt door een clouddienst verwerkt, samen met een webcamfoto van het testobject met en zonder de microfoon-array, zodat de geluidsvisualisatie gekoppeld kan worden aan het testobject. Aan de hand van een spectrumanalyse kan een interessante frequentie vervolgens nader bekeken worden. Daarbij kan de software het geluid dankzij holografische analyse in 3d weergeven, waarbij een resolutie to 50 micrometer gehaald kan worden. Geluid kan zo worden teruggerekend naar de bron en op elk gewenst punt in een 3d-stelsel worden berekend.

Dat klinkt misschien wat abstract, maar wat het mogelijk maakt, is het bekijken van geluid en zien waar het vandaan komt. Zo kun je bijvoorbeeld het stereobeeld van een tablet bekijken en erachter komen dat een van beide luidsprekers bij bepaalde frequenties totaal niet hoorbaar is. Een praktijkvoorbeeld is een piep die zich voordeed in een touchscreen. De boosdoener bleek een smd-condensator op het flexibele pcb dat het schermpje aanstuurde. Die condensator bleek op 13kHz te trillen en dat had een vervelende piep tot gevolg, die versterkt werd doordat het hele pcb meetrilde. Met een ander type condensator werd dat probleem opgelost.

De volgende stap: meten op afstand

Naast de voorbeelden die we op de vorige pagina aanhaalden en in de video demonstreren, zijn er tal van plaatsen waarop de techniek van Sorama met near-field acoustic holography kan worden ingezet. Zo kan apparatuur voor de gezondsheidszorg stiller gemaakt worden, waardoor patiënten minder gestoord worden. Denk aan beademingsapparatuur of pompjes voor medicijnen. Ook kunnen vervelende bronnen van geluid in gebouwen, bijvoorbeeld airconditioning, gelokaliseerd en aangepakt worden.

De meest aansprekende toepassingsgebieden voor tweakers zullen echter te vinden zijn bij het ontwerpen, testen en verbeteren van hardware. Zo kunnen ventilators voor koelers stiller gemaakt worden als je eenmaal begrijpt waar het geluid precies vandaan komt en hoe het zich voortplant in de ventilator en omliggende onderdelen. Ook voor consumentenelektronica zijn de toepassingen legio, wat kan leiden tot stillere apparaten en beter geluid waar dat gewenst is, zoals bij luidsprekers.

In een toekomstige versie van de geluidscamera zal de techniek verder verfijnd worden. Waar het nu nog nodig is een persoon op locatie de camera te laten bedienen, zou een volgende versie direct op internet kunnen worden aangesloten. De benodigde signaalverwerking wordt in die versie, waarvan het bedrijf al een prototype in huis heeft, op de pcb's in de camera uitgevoerd, waarna de meetgegevens op afstand naar de portal gestuurd kunnen worden. Dat zou de inzet van de techniek zonder specialisten ter plaatse, bijvoorbeeld in fabrieken, eenvoudiger maken. Ook de portal zou nog verder uitgebouwd worden om de analyse eenvoudiger te maken.

Een van de grote voordelen van de Sorama-techniek met nah is de laagdrempeligheid ervan. Ten eerste is het dankzij de abonnementsstructuur van de portal niet nodig om dure investeringen in hard- en software te doen, en ten tweede kunnen de metingen bijna overal uitgevoerd worden. Een anechoïsche kamer is niet nodig en de metingen kunnen met een hoge resolutie geanalyseerd worden. Kortom: een mooi stukje techniek van vaderlandse bodem.