“Voorspellend onderhoud met geluidscamera’s? Klinkt goed!” – Kijken naar geluid

Sorama uit Eindhoven is expert in het zichtbaar maken van geluid. Met speciale geluidscamera’s luisteren zij heel precies naar een object of omgeving om er vervolgens een nauwkeurig 3D-beeld van op te bouwen. Dergelijke beelden zijn nuttig voor het akoestisch optimaliseren van een stadion of uiteenlopende smart city-toepassingen, maar bieden ook kansen voor de industrie. Om voor dit nog relatief onontgonnen toepassingsgebied tot concrete oplossingen te komen, werkt Sorama onder andere samen met VSE.

Van de wereld om ons heen onttrekt zich veruit het grootste deel aan onze waarneming. Met onze ogen kijken we naar een beperkt deel van het elektromagnetische spectrum dat de zon over ons uitstrooit. Van violet tot rood – 380 tot 780 nanometer – kunnen we zien. En onze oren? Die kunnen ons vertellen met welke geluidsbron we te maken hebben en waar deze zich ongeveer bevindt. Mits de geluidsdruk hoog genoeg is, de frequentie zich tussen de 20 Hz en 20 kHz bevindt, en je niet te veel luidruchtige lentes telt tenminste.  Gelukkig beschikken we tegenwoordig over heel fatsoenlijke sensoren die het onzichtbare zichtbaar kunnen maken. Warmtebeeldcamera’s die kijken naar infrarood bijvoorbeeld, en echoscopen die met ultrasoon geluid (> 1 MHz) tot ver in het menselijk lichaam zien.
‘Gewoon’ geluid

Ook in het voor de mens hoorbare gebied ligt veel waardevolle informatie besloten die ons nu nog voornamelijk ontgaat, maar waar we voorzichtigjes aan naar beginnen te luisteren. Iemand die dit als geen ander weet is Rick Scholte, directeur van Sorama. Als onovertroffen geluidsexpert houdt hij zich al jaren bezig met heel goed luisteren. Luisteren naar de akoestische eigenschappen van ruimtes, luisteren naar mensen in drukke uitgaansgebieden, luisteren naar de wielen van voorbijrijdende bussen en luisteren naar de trillingskarakteristieken van hoogprecieze mechatronische systemen bij bedrijven als ASML. “We zijn acht jaar geleden begonnen als spin-off van de TU Eindhoven en hebben ons sindsdien gespecialiseerd in het visualiseren en oplossen van geluids- en trillingsproblemen. Dat doen we met door ons zelf ontwikkelde geluidscamera’s die bestaan uit een hele hoop microfoontjes die we in een grid hebben geplaatst en digitaal hebben verbonden. Een dergelijke microfoonarray stelt ons vervolgens in staat om het geluid met behulp van speciale algoritmes helemaal naar de bron terug te rekenen. Het resultaat is een nauwkeurig 3D-beeld van frequenties en geluidsintensiteit dat we vervolgens in een soort ‘heatmap’ visualiseren.” Volgens Scholte heeft Sorama een unieke positie in de wereld van de geluidscamera’s. Op de eerste plaats staat ‘3D luisteren’ nog redelijk in de kinderschoenen en zijn er weinig aanbieders en gebruikers. En in vergelijking met de enkele aanbieders die er zijn is de Sorama-oplossing sneller, nauwkeuriger en veel laagdrempeliger. “Onze CAM1K staat in het Guiness Book of Records en wordt door Stanford University genoemd als grootste, snelste en meest nauwkeurige geluidscamera ter wereld.”

Far Field
Een array met 1024 microfoons die met één ethernetkabel (PoE) worden gevoed en die bovendien over een geïntegreerde HD-camera beschikt, klinkt indrukwekkend. Maar wat heb je eraan? Dat is volgens Scholte voor iedereen verschillend en de mogelijke toepassingen zijn volgens hem zo uiteenlopend, dat Sorama ze onmogelijk allemaal zelf kan uitwerken. Maar grofweg zijn ze wel in twee categorieën in te delen: zogenoemde ‘far field’ en ‘near field’-applicaties. “Bij far fieldmetingen bepalen we voor elke microfoon de amplitude en fase van een bepaalde geluidsgolf. Stel, we kijken naar een 1 kHz golf - waarvan we weten dat de golflengte hiervan 35 cm is in lucht - en alle microfoons laten op hetzelfde moment een piek zien voor deze frequentie, dan weten we dat de golf loodrecht binnen kwam. Meten we echter een faseverschil, dan kunnen we hieruit een invalshoek destilleren. Door dit voor alle golflengtes in een bepaalde bandbreedte te doen, hebben we in feite een richtingsgevoelig filter gemaakt waarmee we naar hele specifieke dingen kunnen luisteren. Dat kan de akoestiek van de Arena zijn, waarbij je actief met pink en white noise-reflecties in beeld brengt, maar ook het gericht luisteren naar verschijnselen in de omgeving.” Van deze categorie weet Scholte er heel wat te noemen, waarvan er momenteel diverse in Eindhoven worden getest. “Een van de projecten waaraan we meewerken is het Livinglab in Stratumseind. In dit drukke uitgaansgebied hangen niet alleen beeldcamera’s, maar ook enkele van onze geluidscamera’s. Hiermee maken we een zogenoemde noisemap waarmee de politie kan monitoren of agressie ontstaat, of er ergens glas breekt of een niet toegestane scooter rijdt. Grote voordeel is dat we alleen volledig anoniem geclassificeerde events detecteren en lokaliseren zodat de privacy niet in het geding is. Ook kunnen we, in tegenstelling tot gewone camera’s wel onder de luifel kijken, of om de hoek in dat obscure straatje luisteren, ook al is het daar donker. Een ander mooi ‘far field’-project doen we met VDL en Hermes. Hierbij luisteren we heel precies naar bussen die op een bepaald deel van een traject langsrijden. We kunnen precies horen of bijvoorbeeld de bandenspanning nog hoog genoeg is of hoe het met de lagers gesteld is. Horen we iets afwijkends, dan geven we door wat er met welke bus en zelfs met welk wiel aan de hand is.”

Near Field
Een tweede tak van sport waar Sorama haar sporen meer dan verdiend heeft, is met zogenoemde ‘near field’-metingen. Samen met klanten als ASML en NXP gebruikt Sorama hun geluidscamera’s hier om het trillingsgedrag van producten te verbeteren. Want wie op nanoniveau produceert, heeft liever geen trillingen. Scholte: “Het grote verschil tussen far field- en near fieldmetingen is dat je bij near field ook de uitdovende veldgolven meet, die op grotere afstanden door akoestische kortsluiting niet waar te nemen zijn. Deze nabije veldgolven geven altijd meer details over trillingskarakteristieken dan propagerende golven en geven inzicht welke componenten een rol spelen bij een trilling en hoe ze onderling interacteren. Deze informatie gebruik je om producten zowel stiller als robuuster te maken. Typisch plaats je de geluidscamera bij near fieldmetingen enkele centimeters van het te meten object. Te ver weg - zeg 50+ cm - dan neem je de veldgolven niet meer waar. Te dicht bij dan beïnvloed je de meting door het toevoegen van een impedantie.” Volgens Scholte is Sorama de enige partij die in staat is om alle trillingsinformatie vanaf het hologramvlak (= 2D-meetveld) tot aan het object als transiënt proces – dus in het tijddomein – in één klap 3D akoestisch door te rekenen. Dus, in iets gemakkelijker Nederlands, van alle punten tussen geluidscamera en object zijn voor elk tijdstip alle akoestische getallen bekend.

Industriekansen
Hoewel bedrijven als ASML en NXP natuurlijk ook tot de Nederlandse maakindustrie behoren, is volgens Scholte juist de industrie een nog grotendeels onontgonnen luistergebied. In bijna alle fabrieken ligt waardevolle geluidsinformatie voor het oprapen. Het boven water krijgen van deze informatie is voor Sorama in haar eentje echter een lastige aangelegenheid. “In een tijd van Smart Industry en Industrie 4.0 worden we er nogal eens op geattendeerd dat voorspellend onderhoud en geluidscamera’s een mooie match zijn. En dat is natuurlijk ook zo. Je kan met één array bijvoorbeeld naar meerdere lagers tegelijk luisteren. Bovendien is meten met een geluidscamera, in tegenstelling tot de accelerometer, contactloos. Maar het ontwikkelen van dit soort applicaties en het maken van de vertaalslag wat dit precies voor het productie- en onderhoudsproces betekent, is voor een bedrijf als Sorama een brug te ver. Wij maken geluidscamera’s en visualisatietools. Voor de industriële toepassingen doen we graag een beroep op partners.

We zijn dan ook erg blij dat industrieel automatiseerder VSE uit Schoonhoven deze handschoen met ons wil oppakken. Naast veel ervaring met systeemintegratie zijn ze ook erg creatief gebleken in het bedenken waar de geluidscamera nog meer waarde kan toevoegen. Zo is er het idee om met onze camera’s lekken op te sporen. Dat kunnen lekken zijn die in persluchtleidingen tot energieverliezen leiden, maar ook lekken in verpakkingen. In de voedselverwerkende industrie worden deze bijvoorbeeld gevuld met een beschermgas om de producten te beschermen en vers te houden. Door zachtjes op een zakje te tikken kun je horen of het lek is of niet. Een perfect plan voor 100 procent inline kwaliteitscontrole lijkt mij. Ik ben erg benieuwd welke VSE-ideeën ik nog meer te horen krijg.”