Hoe kolibries hummen
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, was eigenlijk nog niet bekend. Tot nu.
Onderzoekers van de TU Eindhoven, TU/e-spin-off bedrijf Sorama en Stanford University zijn erin geslaagd om het mysterie te ontrafelen. Ze observeerden de vogel daarvoor minutieus met 12 hogesnelheidscamera’s, 6 drukplaten en 2176 microfoons. Wat blijkt? De zachte en complexe vleugels van een kolibrie maken op dezelfde manier geluid als simpelere vleugels van insecten doen. Deze nieuwe inzichten kunnen bijdragen aan het stiller maken van apparaten als ventilatoren en drones.
Het team van ingenieurs heeft voor het eerst bij een vliegend dier de precieze oorsprong van het vleugelgeluid achterhaald. 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 voor de kolibrie, 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 beweging blijkt de grootste bijdrage te leveren aan het hum-geluid van de kolibrie.
Het verschil tussen 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 whooshen. 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. Dat komt 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”, licht Lentink glimlachend toe.
Leren van de natuur
High-tech geluidscamera
Om tot hun model te komen, onderzochten de wetenschappers zes ‘Anna’s’ kolibries, een soort die veel voorkomt rondom Stanford. Ze lieten de vogels één voor één in een speciale ruimte uit een nep-bloem met suikerwater drinken. Rondom de ruimte, 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.
De apparatuur die daarvoor nodig was, is niet zomaar in iedere winkel te koop. Onderzoeker en CEO Rick Scholte van Sorama, een spin-off van de TU Eindhoven: “Om het geluid zichtbaar te maken en gedetailleerd te kunnen onderzoeken, gebruikten we een door ons bedrijf ontwikkelde geluidscamera. Een optische camera is 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.
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. Een unicum.
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 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.
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.
Door gebruik te maken van de geluiden van de kolibries kan extra onderzoek worden gedaan naar geluid.
Onze experts
-
Rick Scholte
CEO bij Sorama