Power flow metingen aan de hand van stroboscopische digitale holografie

William Keustermans
Hologrammen, lasers en geluid: een optreden van 2Pac of fundamenteel onderzoek van het gehoor?Ons gehoorIn alle zoogdieren, ook in de mens, is het trommelvlies verbonden aan een keten van drie kleine beentjes: de hamer, het aambeeld en de stijgbeugel. Deze zorgen ervoor dat geluidstrillingen in de buitenlucht op een erg efficiënte manier worden omgezet naar geluidstrillingen in de vloeistof waarmee het slakkenhuis in het inwendige oor is opgevuld.

Power flow metingen aan de hand van stroboscopische digitale holografie

Hologrammen, lasers en geluid: een optreden van 2Pac of fundamenteel onderzoek van het gehoor?

Ons gehoor

In alle zoogdieren, ook in de mens, is het trommelvlies verbonden aan een keten van drie kleine beentjes: de hamer, het aambeeld en de stijgbeugel. Deze zorgen ervoor dat geluidstrillingen in de buitenlucht op een erg efficiënte manier worden omgezet naar geluidstrillingen in de vloeistof waarmee het slakkenhuis in het inwendige oor is opgevuld. Het eerste onderdeel van deze mechanische keten is het trommelvlies, waar trillingen in de lucht worden omgezet naar trillingen in de beentjesketen. Hoe eenvoudig dit ook mag lijken, toch is er niemand die weet hoe dit exact gebeurt. Immers, als je een vliesje laat trillen, dan treden er normaal heel scherpe “resonanties” op: toonhoogten waarvoor het vlies véél sterker gaat trillen dan voor andere. In ons oor is dat duidelijk niet het geval, anders zouden we immers sommige tonen heel luid horen en andere nauwelijks.

Trillingen van een miljardste van een meter

In mijn thesis ben ik eerst op zoek gegaan naar een techniek waarmee ik niet alleen kan meten hoe het trommelvlies trilt, maar ook hoe de geluidsenergie wordt overgedragen naar de beentjes. Om de trillingen van het trommelvlies te meten had ik een techniek nodig die bewegingen kan meten die niet groter zijn dan een duizendste van de dikte van een mensenhaar. Hiervoor heb ik een opstelling gebouwd gebasseerd op “digitale holografische interferometrie”: met zo’n opstelling maak je opnamen van een voorwerp met behulp van een laser en een camera. Hierna kan je uit deze opnamen de vervormingen van het voorwerp berekenen. Zo een opname wordt een digitaal hologram genoemd en is simpel gezegd het driedimensionale equivalent van een foto. Om die techniek toe te passen op een trillend voorwerp heb je zéér korte lichtflitsen nodig. Je kan dit vergelijken met een foto die je probeert te maken van iemand die beweegt, wanneer die persoon te snel beweegt zal de foto er altijd geveegd uitzien. Dit komt doordat de flits waarmee je de foto maakt, hoe kort deze ook lijkt, toch te lang duurt. Omdat de techniek echter zulke kleine bewegingen meet en het vliesje trilt tegen een veel hogere snelheid dan een persoon beweegt, moeten deze lichtflitsen extreem kort zijn. Door die lichtflitsen tussen iedere opname een beetje in tijd te verschuiven kan ik stap per stap het hele bewegingspatroon opmeten, net zoals bij een stroboscoop op een fuif waarbij het lijkt of iedereen rondom je in stukjes beweegt.

In kaart brengen van de trillingsenergie

Eens ik de meettechniek had, heb ik een methode geprogrammeerd om uit de beelden de “power flow” van het geluid te berekenen. Met zulke power flow berekeningen kan je nagaan waar trillingsenergie binnenkomt en waar ze naartoe gaat. Zulke methoden zijn erg gevoelig aan ruis en er moeten heel wat veronderstellingen gemaakt worden over het beschouwde object om ze te kunnen toepassen. Daarom heb ik in mijn thesis de methode grondig getest. Als eerste heb ik een computermodel opgesteld van een trillend membraan waar lokaal energie aan toegevoegd en ontnomen wordt. De resultaten van dit model vormden de input voor het eigen geschreven algoritme zodat de power flow kon berekend worden. In een volgende stap is de methode getest op een echt rubberen membraantje dat ik op één plaats aan het trillen zet met een hele kleine luidspreker, en waar ik op een andere plaats een zacht stukje rubber tegen duw zodat de geluidsenergie daar verdwijnt. Door mijn opnames en berekeningen kon het pad waarlangs de geluidsenergie stroomt van de bron naar de demper gevisualiseerd worden, en de bron en demper geïdentificeerd worden.

Ik wil nu graag mijn onderzoek verderzetten in een doctoraat, en mijn methode gebruiken om uit te zoeken hoe geluidsenergie stroomt in het trommelvlies. Omdat ik momenteel de enige ben die een opstelling voor digitale holografie combineert met de power flow methode, hoop ik zo als eerste de exacte positie te vinden waar het geluid naartoe gaat dat het trommelvlies opvangt. Bij mensen waar de gehoorsbeentjes beschadigd of onderbroken zijn, proberen chirurgen het gehoor te herstellen door prothesen te plaatsen. Als we weten hoe het trommelvlies de geluidsenergie juist doorgeeft, dan zal dit een belangrijke hulp zijn om het ontwerp van zulke prothesen verder te verbeteren.

 

Bibliografie

[1] Kreis T., Handbook of Holografic Interferometry: Optical and Digital Methods. Wiley-VCH, 2005.[2] De Greef D., Volveld tijdsgeresolveerde digitale holografie: vierdimensionale beeldvorming van vibraties en vervormingen met nanometer resolutie. Masterthesis, Universiteit Antwerpen, 2011.[3] U. Schnars and W. P. O. J¨uptner, Digital recording and numerical reconstruction of holo- grams. Meas. Sci. Technol. 13 (2002) R85R101[4] S. Timoshenko and S. Woinowsky-Krieger, Theory of plates and shells. Second edition (1987)[5] R. F. Coelho and L. PYL, Structural Analysis and Finite Elements. ULB course, first edition (2014-2015)[6] Yong Zhang and J. Adin Mann III, Measuring the structural intensity and force distribution in plates., J. Acoust. Soc. Am. 99 (1), January 1996[7] Jonathan P. Fay, Sunil Puria and Charles R. Steele, The discordant eardrum. PNAS, De- cember 26 2006, vol. 103 no. 52[8] Ye Pu and Hui Meng, Intrinsic speckle noise in off-axis particle holography. J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 21, No. 7, July 2004[9] Amy B. Spalding and J. Adin Mann III, Placing small constrained layer damping patches on a plate to attain global or local velocity changes. J. Acoust. Soc. Am. 97, 3617 (1995)[10] C. Vuye, Measurement and modeling of sound and vibration fields using a scanning laser Doppler vibrometer. Doctoraatsthesis, Vrije Universiteit Brussel, 2011

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de Fysica
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden
Deel deze scriptie