Akoestische transducers, zoals luidsprekers en microfoons, zijn tegenwoordig wijdverspreid in alledaagse apparaten zoals smartphones, home-entertainmentsystemen, slimme deurbellen en infotainmentsystemen in voertuigen. Deze transducers hebben doorgaans de functie van geluidsopname en -weergave, maar ze kunnen ook worden hergebruikt om onze omgeving en menselijke activiteiten te detecteren. Dit biedt talloze mogelijkheden voor zowel de wetenschappelijke gemeenschap als de industrie, wat leidt tot innovatieve toepassingen zoals het detecteren van de nabijheid en aanwezigheid van mensen, het lokaliseren en volgen van slimme apparaten, het non-contact schatten van vitale functies, en het detecteren van middenoorinfecties. Deze innovaties tonen het onbenutte potentieel van akoestisch sensoren.

Een van de belangrijkste voordelen van het gebruik van akoestisch sensoren op bestaande consumentapparaten is de toegankelijkheid en kosteneffectiviteit in vergelijking met het implementeren van gespecialiseerde hardware-oplossingen. Het ontwerpen van dergelijke systemen vereist echter het overwinnen van uitdagingen die voortkomen uit de beperkingen van de hardware en het menselijke gehoor. Bijvoorbeeld, consumentapparaten zijn vaak niet ontworpen voor nauwkeurige sensoren, waardoor aangepaste golfvormen en signaalverwerking nodig zijn om robuuste prestaties te behalen. Ondanks deze uitdagingen heeft het veld van akoestisch sensoren de afgelopen decennia aanzienlijke vooruitgangen geboekt.

Dit boek richt zich op de technieken en toepassingen van actieve akoestische sensoren, waarbij een akoestische bron, zoals een luidspreker, wordt gebruikt om geluidsgolven te genereren. Deze golven reizen door de lucht of een vast medium en interageren met objecten en mensen in de omgeving. Door de gereflecteerde of rechtstreeks ontvangen akoestische signalen te analyseren, is het mogelijk waardevolle informatie over de omgeving af te leiden, wat diverse sensortoepassingen mogelijk maakt. Ondanks de groeiende interesse in actieve sensoren, is er nog geen uitgebreide behandeling van de kerntechnieken en nieuwe ontwikkelingen op dit gebied in de literatuur.

Het boek biedt een grondige uitleg van de basisprincipes en algoritmes voor actieve akoestische sensoren op consumentapparaten, ontwerpoverwegingen en de innovatieve toepassingen die ze mogelijk maken. Het is bedoeld voor een breed publiek: onderzoekers en ingenieurs die geïnteresseerd zijn in het ontwikkelen van actieve akoestische sensoroplossingen op consumentapparaten vinden gedetailleerde informatie over de nieuwste technieken en resultaten in het veld. Afgestudeerde studenten die dit opwindende domein willen betreden, kunnen profiteren van de fundamenten van de kennis die het boek biedt, evenals praktische implementaties van sleutelalgoritmes in Matlab. Deze implementaties zijn bedoeld om de kloof tussen theorie en praktijk te overbruggen, waardoor lezers een praktisch begrip van de besproken concepten krijgen.

Er is echter meer te begrijpen dan alleen de technologie en toepassingen van akoestisch sensoren. De rol van akoestisch sensoren in verschillende industrieën, zoals gezondheidszorg en beveiliging, blijft groeien. De integratie van deze technologie in consumentapparaten biedt enorme mogelijkheden voor het verbeteren van de levenskwaliteit en efficiëntie in de dagelijkse processen. Belangrijk is dat de ontwikkeling van dergelijke systemen de aandacht vereist voor privacy- en veiligheidskwesties, aangezien akoestische gegevens ook gevoelige informatie kunnen bevatten. Bovendien is het van belang dat de gebruiker zich bewust is van de beperkingen van akoestische sensoren, zoals hun gevoeligheid voor storende omgevingsgeluiden en de noodzaak van complexe signaleringsalgoritmes om nauwkeurige metingen te garanderen. Het ontwerp van een effectief akoestisch sensorensysteem vereist dan ook niet alleen technologische knowhow, maar ook een zorgvuldige afweging van ethische, privacy- en veiligheidsoverwegingen.

Hoe Resonantie en Nonlineariteit de Acoustische Golven Beïnvloeden

In veel fysieke systemen, waaronder akoestische resonatoren, is er een belangrijke relatie tussen frequentie, demping en de resulterende oscillaties. De steady-state oplossing voor een dergelijke dynamische toestand kan worden beschreven door de volgende uitdrukking:

x(t)=F0,m((2ωω0η)2+(ω02−ω2)2)x(t) = F \sqrt{0}, \quad m \left( (2 \omega \omega_0 \eta)^2 + (\omega_0^2 - \omega^2)^2 \right)

Hieruit blijkt dat de amplitude van de oscillatie – de maximale verplaatsing – aanzienlijk varieert bij veranderingen in de dempingsratio, zoals geïllustreerd in de figuur van het systeem. Resonantie wordt gekarakteriseerd door het bereiken van de maximale verplaatsing wanneer de aandrijf-frequentie van het systeem overeenkomt met de natuurlijke frequentie. De resonantiefrequentie kan dan worden berekend als:

ωr=ω01−2η02\omega_r = \omega_0 \sqrt{1 - 2 \eta_0^2}

Het is belangrijk te begrijpen dat akoestische resonantie niet alleen beperkt is tot vaste materialen. Verschillende soorten resonatoren, waarbij lucht als medium wordt gebruikt, bestaan eveneens. Voorbeelden hiervan zijn de Helmholtz-resonatoren, kwartgolflengte-resonatoren en membraan-resonatoren. Een veelvoorkomend voorbeeld van een Helmholtz-resonator, ook wel een holle resonator genoemd, is een lege frisdrankfles. Het akoestische fenomeen van Helmholtz-resonantie doet zich voor wanneer lucht over de opening van zo’n holte wordt geblazen. Het resulterende geluid is kenmerkend voor een veredeld akoestisch systeem, een vereenvoudigde analytische benadering waarin de eigenschappen van het systeem als geconcentreerd worden beschouwd. Deze benadering maakt vaak gebruik van de benadering van de lange golflengte, die veronderstelt dat de golflengte van het geluid veel groter is dan de afmetingen van de resonator. Onder deze veronderstelling kan het akoestische apparaat worden gemodelleerd als een harmonische oscillator met twee vrijheidsgraden: een die de massa van de lucht in de nek van de resonator representeert, en de andere die de elasticiteit van de lucht in de holte weergeeft. In het geval van een lege fles, fungeert de lucht in de nek als de massa, terwijl de lucht in het hoofdlichaam de elasticiteit biedt.

Deze componenten samen creëren een oscillatiesysteem met een specifieke resonantiefrequentie, die geactiveerd kan worden door luchtstroom over de opening. Het waargenomen toonhoogte van het geluid hangt af van de balans tussen de effectieve massa en de stijfheid van het systeem. Door het volume van de lucht in de nek en de holte aan te passen, kan deze resonantiefrequentie worden gewijzigd. Zo leidt een bredere opening tot een hogere frequentie vanwege de afname van de oscillerende luchtmassa. Omgekeerd resulteert het vergroten van het volume of de lengte van de nek in een lagere frequentie, omdat de grotere luchtmassa meer energie vereist om te oscilleren. De berekening van de resonantiefrequentie voor een holle resonator kan algemeen worden uitgedrukt als:

fresonantie=c2πsvlf_{\text{resonantie}} = \frac{c}{2 \pi} \sqrt{\frac{s}{vl}}

waarbij cc de snelheid van geluid is, ss het oppervlak van de opening, vv het volume van de holte en ll de lengte ervan vertegenwoordigen.

Deze principes zijn van cruciaal belang bij het verklaren van, of het ontwikkelen van, gespecialiseerde akoestische sensortechnologieën. Voorbeelden hiervan zijn de onderliggende fysica van het afsluitingseffect binnen de gehoorgang, of het ontwerp van specifieke resonatoren om akoestische signalen die gemoduleerd zijn door biometrische gegevens voor authenticatiedoeleinden te versterken.

Naast resonantie speelt de niet-lineariteit van akoestische systemen een belangrijke rol. Dit verschijnsel doet zich voor wanneer de output van een systeem niet lineair gerelateerd is aan de input, wat leidt tot verschillende effecten zoals harmonische vervorming, golfverscherping en intermodulatie. Niet-lineariteit is een veelvoorkomend verschijnsel in zowel luchtgedragen als structureel gedragen akoestische paden, evenals in akoestische transducers zoals luidsprekers en microfoons. In luchtgedragen kanalen wordt niet-lineariteit vooral merkbaar bij zeer intense geluiden, zoals die geproduceerd door straalmotoren of explosies, of bij hoogfrequente signalen zoals ultrasoon geluid. Deze omstandigheden veroorzaken snelle fluctuaties in luchtdruk, wat leidt tot vervormingen in de geluidsgolven en de vorming van schokgolven. Een belangrijk toepassingsvoorbeeld van dit effect zijn parametrische luidsprekers, die ultrasone golven gebruiken om een scherp gerichte bundel van hoorbaar geluid te genereren door een niet-lineaire interactie met de lucht.

In vaste materialen kan niet-lineariteit optreden door te sterke krachten die op het materiaal inwerken of door de aanwezigheid van defecten zoals imperfecties, scheuren of microfracturen. In dergelijke gevallen propaganderen geluidsgolven niet uniform, maar ervaren ze vervorming, de generatie van harmonischen en het koppelen van verschillende trillingsmodi. Niet-lineariteit in luidsprekers en microfoons komt voort uit zowel mechanische als elektrische imperfecties, waaronder niet-lineariteit in de beweging van de membraan, magnetische coil-verzadiging en vervormingen veroorzaakt door de versterkercircuits.

Deze niet-lineariteit binnen akoestische systemen kan resulteren in de combinatie van signaalcomponenten. Wanneer twee pure toonfrequenties, bijvoorbeeld in het ultrasone bereik, met elkaar interactie aangaan in een akoestisch kanaal, kan er een nieuwe frequentie ontstaan, die gelijk is aan het verschil tussen de twee oorspronkelijke frequenties. Dit effect maakt de niet-lineariteit tot een soort mixer. Het ontwerp van akoestische systemen probeert deze niet-lineariteit doorgaans te minimaliseren, maar volledige eliminatie is vaak moeilijk. Onderzoekers hebben echter geprofiteerd van niet-lineariteit voor toepassingen zoals onhoorbare aanvallen, onhoorbare akoestische communicatie en ruimtelijk gerichte akoestische bronprojectie.

De effectiviteit van akoestische sensoren is sterk afhankelijk van een goed begrip van de akoestische voortplantingskenmerken. Voorbeelden hiervan zijn de succesvolle ontwikkeling van grootschalige gedistribueerde temperatuursensoren, die afhankelijk zijn van kennis over hoe temperatuur de voortplanting van luchtgedragen akoestische signalen beïnvloedt. Evenzo is het belangrijk om de invloedrijke factoren van het dispersieve fenomeen in structureel gedragen akoestische signalen te identificeren, aangezien dit cruciaal is voor het ontwikkelen van effectieve trainingsstrategieën voor gebruikersonafhankelijke afstandsbepaling.

Hoe werkt het schatten van de tijd van aankomst in akoestische sensoren?

Wanneer een akoestisch signaal wordt verzonden, kunnen de resulterende pieken in het signaal, zelfs na kruiscorrelatie bij de ontvanger, behoorlijk opvallend zijn. Zoals te zien is in Figuur 3.2b, blijken de pieken die veroorzaakt worden door NLOS-paden (Non-Line-Of-Sight) zelfs groter te zijn dan die van het LOS-pad (Line-Of-Sight). In [1] wordt een betrouwbare methode voor preambule-detectie voorgesteld om de effecten van apparaatsdiversiteit en het near-far-probleem te verminderen. Het belangrijkste idee is om de kruiscorrelatiewaarden te normaliseren door de somintensiteit van de voorafgaande W-monsters. Dit zorgt ervoor dat de drempel dynamisch wordt aangepast op basis van de relatieve waarde van de kruiscorrelatieresultaten. Concreet wordt de methode geïmplementeerd door te controleren of de volgende voorwaarde wordt voldaan:

cj~=∑i=0Wcj−i>δ\tilde{c_j} = \sum_{i=0}^{W} c_{j-i} > \delta

waarbij δ\delta een vooraf gedefinieerde drempel is. Het is duidelijk dat de keuze van de parameters W en δ\delta leidt tot afwegingen tussen reactietijd (bijvoorbeeld hoe snel de onset kan worden gedetecteerd), valse alarmen en misdetecties.

3.3 Schatting van de Tijd van Aankomst (ToA)

Het schatten van de aankomsttijd (ToA) of het tijdsverschil van aankomst (TDoA) van de ontvangen akoestische golven op de doelontvangers is afhankelijk van onsetdetectie en speelt een cruciale rol in afstandsmeting en lokalisatie. Afhankelijk van of de doelapparaten zijn uitgerust met akoestische transceivers, kunnen bestaande technieken verder worden onderverdeeld in apparaatgebaseerde en apparaatgebaseerde benaderingen.

3.3.1 One-Way Sensing

One-way sensing verwijst naar het paradigm waarin tijdsinformatie wordt verkregen via unidirectionele transmissies. In dit paradigm kunnen zenders en ontvangers zich op meerdere ruimtelijk gescheiden apparaten bevinden, of op een enkel apparaat, zoals weergegeven in Figuur 3.3. In one-way sensing is strikte synchronisatie tussen de zender en de ontvanger vereist, zodat de ontvanger precies weet wanneer een akoestisch signaal wordt verzonden, om de vluchtijd te schatten. Vanwege de beperkingen in consumentenelektronica en het ontbreken van gedeelde klokken in gedistribueerde sensortoepassingen, wordt synchronisatie vaak bereikt door gebruik te maken van andere hoge-snelheidssignaalbronnen, zoals WiFi, Bluetooth of Zigbee, waarvan de propagatietijd vele malen korter is dan de vluchtijd van akoestische golven binnen het maximale operationele bereik.

Bij ToA-schatting worden een akoestisch signaal en een synchronisatiesignaal gelijktijdig verzonden. De ontvanger bepaalt de ToA op basis van het verschil in aankomsttijd tussen de twee signaalbronnen. In deze benadering kan timinginformatie worden verkregen zonder enige coördinatie tussen de zender en de ontvanger.

TDoA verwijst naar het tijdsverschil dat het signaal van een enkele zender nodig heeft om twee of meer ruimtelijk gescheiden ontvangers te bereiken, of het tijdsverschil van meerdere gelijktijdige zenders naar een enkele ontvanger. Voor TDoA-schatting moeten meerdere zenders of ontvangers strikt gesynchroniseerd zijn. In sommige toepassingen kunnen zenders of ontvangers fysiek op een enkel apparaat worden geplaatst.

3.3.2 Two-Way Sensing

Om de strikte synchronisatievereisten in one-way sensing te elimineren, is two-way sensing voorgesteld, hoewel dit gepaard gaat met een verhoogde hardware- en verwerkingscomplexiteit. In two-way sensing zijn bidirectionele akoestische transmissies noodzakelijk. Elke apparaat moet zowel een luidspreker als een microfoon hebben. De stappen om de ToA-informatie tussen twee apparaten te extraheren worden weergegeven in Figuur 3.4a.

Op tijd tsAt_{sA} begint apparaat A een akoestische transmissie. Apparaat B detecteert het akoestische signaal op tijd trBt_{rB} en start vervolgens een andere transmissie op tijd tsBt_{sB}, na een willekeurige vertraging. Apparaat A detecteert de tweede transmissie op tijd trAt_{rA}. Onder de aanname van reciproke kanalen (kanalen die identieke of zeer gelijkaardige eigenschappen hebben in beide richtingen) kan de ToA van apparaat A naar apparaat B worden afgeleid met de volgende formule:

ToA=(trA−tsA)+(trB−tsB)2ToA = \frac{(t_{rA} - t_{sA}) + (t_{rB} - t_{sB})}{2}

In het geval van asynchrone zenders kan de TDoA tussen signalen van zenders A en B bij ontvanger C, rekening houdend met de verschillen in transmissietijden, worden afgeleid door:

TDoA=(trA−tsA)+(trB−tsB)−(trC−tsC)2TDoA = \frac{(t_{rA} - t_{sA}) + (t_{rB} - t_{sB}) - (t_{rC} - t_{sC})}{2}

De benodigde tijdstempels kunnen niet altijd precies worden geregistreerd in gebruikersapplicaties vanwege onzekere systeemvertragingen. Om deze uitdaging te overwinnen, zijn twee technieken voorgesteld: eerst, naast transmissies van andere apparaten, registreert elk zendend apparaat ook zijn eigen transmissie via de ingebouwde microfoon. Ten tweede wordt voorbeeldtelling in de audiobufers van een apparaat gebruikt om de tijd tussen opeenvolgende akoestische ontvangsten te schatten.

In deze benadering wordt de ontvangen golfvorm van apparaat A (of B) opgeslagen in zijn audiobuffer, en de timing wordt geschat door de tijdstempels van de ontvangen signalen te vergelijken met de opgeslagen gegevens.

Deze methoden bieden een krachtige oplossing om de noodzaak voor strikte synchronisatie te elimineren en kunnen zo de tijdsresolutie en nauwkeurigheid verbeteren. Het gebruik van algemene consumentenelektronica in combinatie met slimme algoritmes maakt de implementatie eenvoudiger, hoewel de praktische toepasbaarheid van two-way sensing afhankelijk blijft van de beschikbare hardware en verwerkingscapaciteit.

Wat is de fractie die wordt schaduwd?
Hoe beïnvloedt de migratie van neutronen de lekkage in een kernreactor?
Wat is het geheim van de Handdruk van de Duivel?