EO

Hoe 12 camera's en 2176 microfoons de ventilator iets leren over de kolibrie

18 maart 2021 om 09:53 uur

De kolibrie vliegt in de experimentele setup, drinkend uit een nepbloem met suikerwater. Foto: Lentink Lab / Stanford University.

De kolibrie staat bekend om zijn lage en prettige ‘hum’-toon, een geluid dat voortkomt uit zijn snelle vleugelslag tot wel 40 slagen per seconde. Maar hóe de vleugel dat kenmerkende geluid maakt, is nu pas opgehelderd. Onderzoekers van de TU Eindhoven, TU/e-spin-off bedrijf Sorama en Stanford University observeerden de vogel daarvoor minutieus met 12 hogesnelheidscamera’s, 6 drukplaten en 2176 microfoons. De nieuwe inzichten kunnen bijdragen aan het stiller maken van apparaten als ventilatoren en drones.


Het vleugelgeluid van een kolibrie blijkt te ontstaan door het drukverschil tussen de boven- en onderkant van de vleugels, dat in grootte en oriëntatie varieert als de vleugel op en neer slaat. Deze drukverschillen zijn essentieel, omdat ze de netto aerodynamische kracht leveren waarmee de vogel opstijgt en stil in de lucht kan hangen.

 

In tegenstelling tot andere vogelsoorten, wekt de kolibrievleugel zowel tijdens de opwaartse vleugelslag, als tijdens de neerwaartse vleugelslag een sterke aerodynamische kracht naar boven op. Dus twee keer per slag. De opwaartse lift blijkt nu de grootste bijdrage te leveren aan het hum-geluid van de kolibrie.

 

Zoemen, brommen, hummen en wooshen

Hoogleraar David Lentink van Stanford University: "Daarom maken vogels en insecten zoveel verschillende geluiden. Muggen zoemen, bijen brommen, kolibries hummen en grotere vogels whoosen. De meeste vogels zijn relatief stil omdat ze maar één keer, bij de neerwaartse vleugelslag, de meeste lift genereren. Kolibries en insecten zijn luidruchtiger omdat ze dat twee keer per vleugelslag doen."

 

Die resultaten brachten de onderzoekers samen in een 3D-geluidsmodel van vogel- en insectenvleugels. Het geeft biologisch inzicht in hoe vleugels geluid maken en voorspelt ook hoe de aerodynamische prestaties van een flappende vleugel het geluid zijn volume en ‘kleur' geeft. "Het kenmerkende geluid van de kolibrie wordt als prettig ervaren door de vele ‘boventonen' die ontstaan vanwege het variëren van de aerodynamische krachten op de vleugel. De kolibrievleugel is daarom vergelijkbaar met een heel mooi gestemd muziekinstrument", aldus Lentink.

 

High-tech geluidscamera

Om tot hun model te komen, onderzochten de wetenschappers zes ‘Anna's' kolibries, die veel voorkomen rondom Stanford. Ze lieten de vogels één voor één uit een nep-bloem met suikerwater drinken. Rondom, voor de vogel niet zichtbaar, stonden de camera's, microfoons en druksensoren opgesteld om elke vleugelslag tijdens het stilhangen voor de bloem minutieus vast te kunnen leggen.

 

Wat een ventilator kan leren van een kolibrieDe kolibrie vliegt in de experimentele setup. Foto: Lentink Lab / Stanford University

 

CEO Rick Scholte van Sorama over de apparatuur waarmee de kolibrie is bekeken: "Om het geluid zichtbaar te maken en gedetailleerd te kunnen onderzoeken, gebruikten we door ons bedrijf ontwikkelde geluidscamera's. Optische camera's zijn daarvoor verbonden met een netwerk van 2176 microfoons. Samen werken zij een beetje zoals een warmtecamera waarmee je een warmtebeeld kunt tonen. Wij maken het geluid zichtbaar in een ‘heatmap', waarmee je de 3D-geluidsvelden in detail kunt zien."

 

Nieuwe aerodynamische druksensoren

Om die 3D-geluidsbeelden te kunnen interpreteren, moet je weten welke beweging de vogelvleugel maakt op elk geluid-meetpunt. Daarvoor kwamen de twaalf hogesnelheidscamera's van Stanford van pas, die frame-voor-frame de exacte vleugelbeweging vastlegde.

 

Wat een ventilator kan leren van een kolibrieRondom de experimentele setup, staan 12 hogesnelheidscamera's and 2176 microfoons opgesteld om iedere vleugelslag van de kolibrie nauwkeurig te bestuderen. Foto: Sorama.

 

Lentink: "Maar daarmee ben je er nog niet. We wilden ook de aerodynamische krachten meten die op de vleugel van de kolibrie inspeelden tijdens de vlucht. Daar moesten we speciale apparatuur voor ontwikkelen." Zes erg gevoelige drukplaten wisten uiteindelijk de lift en de weerstandsdruk bij het op en neer bewegen van de vleugels vast te leggen tijdens een vervolgexperiment.

 

De terabytes aan gegevens moesten vervolgens worden gesynchroniseerd. De onderzoekers wilden namelijk precíes weten bij welke vleugelpositie welk geluid en welke druk ontstond. Scholte: "Omdat licht zoveel sneller reist dan geluid, moesten we elk frame voor zowel de camera's als de microfoons apart kalibreren zodat de geluidsopnames en de beelden steeds precies overeenkomen." Bovendien stonden de camera's, microfoons en sensoren natuurlijk allemaal op een andere plaats in de ruimte, waardoor de onderzoekers ook nog moesten corrigeren voor de plaats in de ruimte.

 

Algoritme als compositietekenaar

Heb je uiteindelijk per frame de vleugelplaats, het bijbehorende geluid én de druk naast elkaar gelegd, dan kan het interpreteren van de gegevens beginnen. Dat deden de onderzoekers met kunstmatige intelligentie, iets waarop promovendus Patrick Wijnings van de TU/e zich toelegde.

 

Wijnings: "We ontwikkelden daarvoor een algoritme dat uit de metingen een 3D-geluidsveld kan interpreteren. Hiermee bepaalden we het meest waarschijnlijke geluidsveld van de kolibrie. De oplossing voor dit zogenoemde inverse-probleem lijkt op wat een compositietekenaar bij de politie doet: met behulp van enkele aanwijzingen de meest betrouwbare tekening van de dader maken. Op die manier voorkom je dat een kleine verstoring in de metingen het resultaat verandert."

 

Al die resultaten wisten de onderzoekers uiteindelijk terug te brengen tot een simpel 3D-geluidsmodel, geleend uit de vliegtuigwereld en wiskundig aangepast naar flappende vleugels. Het model voorspelt accuraat welk geluid een flapperende vleugel maakt, niet alleen van de kolibrie, maar ook van andere vogels, vleermuizen, insecten en zelfs bij robots met flapperende vleugels geïnspireerd op dieren.

 

Wat een ventilator kan leren van een kolibrie Ook drones kunnen op dezelfde manier worden bestudeerd, om ze stiller te maken. Foto: Sorama.

 

Drones stiller maken

Hoewel het niet de focus van dit onderzoek was, kan de opgedane kennis ook vliegtuigen, drones en ventilatoren van laptops en stofzuigers verbeteren. Als je namelijk weet hoe de complexe aerodynamische krachten van een dier geluid produceren, dan kun je die kennis gebruiken om vliegende of bewegende apparaten die complexe krachten genereren, stiller te maken.

 

Dat is dan ook precies wat Sorama beoogt: "Wij maken geluid zichtbaar om apparaten geluidsarmer te kunnen maken. Geluidsvervuiling wordt een steeds groter probleem. En alleen een decibelmeter gaat dat niet oplossen. Je moet weten waar het geluid vandaan komt en hoe het wordt geproduceerd, om het weg te kunnen nemen. Daar zijn onze geluidscamera's voor. Dit onderzoek naar de kolibrievleugel geeft ons een compleet nieuw en zeer accuraat model als uitgangspunt, om nóg beter ons werk te kunnen doen", concludeert Scholte.

 

Het onderzoek is gepubliceerd in eLife

 

Gerelateerd nieuws

Van inbraakalarm tot zwarte gaten detector

Van inbraakalarm tot zwarte gaten detector

Is zwaartekracht een kwantumfenomeen? Dat is een van de grote open vragen in de natuurkunde. Vorig jaar is aan de RUG een experiment bedacht dat deze vraag kan beantwoorden. Dit jaar laten de onderzoekers zien dat…

ABN Amro: 'Aantal cyberaanvallen stijgt explosief; risicobewustzijn bedrijven daalt '

ABN Amro: 'Aantal cyberaanvallen stijgt explosief; risicobewustzijn bedrijven daalt '

Hoewel tijdens de coronacrisis sprake was van een explosieve toename van het aantal cyberaanvallen, schatten bedrijven het risico op cybercriminaliteit veel lager in dan vóór de crisis. Dat melden ABN Amro en MWM2, die…

Oplaadbare batterijen op basis van cement

Nieuw concept maakt compleet gebouw tot batterij

Stel je een volledig betonnen gebouw van twintig verdiepingen voor dat energie kan opslaan als een gigantische batterij. Dankzij onderzoek van de Chalmers University of Technology, Zweden, kan dit werkelijkheid worden.…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

7 juni 2021, online

Vision, Robotics & Motion business event

Het online alternatief voor de vakbeurs Vision, Robotics & Motion.

29 juni 2021, online

Behoud onderhoudskennis – en ervaring in de energiesector met behulp van Mixed Reality

Hoe kunnen energiebedrijven voorkomen dat waardevolle kennis de deur uitloopt door vergrijzing en andere...

29 juni 2021

Webinar: Hoe machinegegevens te verzamelen en te gebruiken via on-site oplossingen

Gericht op het bruikbaar maken van machine- en procesdata via lokale systemen

Meer agendapunten »