Voor het bepalen van de akoestische intensiteit van geluidsgolven (niet te verwarren met de geluidssterkte) moeten twee grootheden worden gemeten: druk (uitgedrukt in Pascal) en deeltjessnelheid of 'flow' (in meters per seconde). Geen eenvoudige klus. Druk meet je via het membraan van een 'drukmicrofoon', maar die is voor lage frequenties nogal onnauwkeurig. En de deeltjessnelheid kon je totnutoe alleen indirect berekenen via een stel drukmicrofoons en een wiskundige bewerking van de gemeten waarden.
De aan de UT ontwikkelde 'microflown' maakt de zaken een stuk makkelijker. Dit apparaatje kan de deeltjesnelheid direct meten, en wel met een gevoeligheid vanaf 0 Hertz, dus vanaf de allerlaagste frequenties. In combinatie met een gewone drukmicrofoon kan de akoestische intensiteit simpel worden vastgesteld. Er zijn meer pluspunten: hij is veel kleiner dan een drukmicrofoon en een stuk goedkoper (enkele tientjes in plaats van duizend gulden), hij is resonantievrij, en hij bevat geen bewegende delen.
'Uniek aan de microflown', zegt Hans-Elias de Bree, 'is dat hij daadwerkelijk de akoestische deeltjessnelheid meet. Iedereen heeft altijd gezegd dat dat onmogelijk was.' De microflown (de naam is een samentrekking van micromechanica, flow-sensor en microfoon) is een 'dynamic flow sensor', een variant op de eerder in Twente ontwikkelde 'micro liquid flow sensor' die tot dusver alleen gebruikt wordt voor het meten van de deeltjessnelheid (volume flow) van vloeistoffen en gassen. Afhankelijk van de deeltjessnelheid reageren beide typen sensoren met een elektrische respons.
Aanvankelijk was De Bree ook met flow-sensors voor vloeistoffen bezig; met Pedro Roodenburg (HTS-Autotechniek Apeldoorn) onderzocht hij vergeefs een toepassing ervan in de benzineleiding van auto's. Het idee om het eens met geluid te proberen was meer het resultaat van een klassieke 'brain-wave'. De Bree: 'Ik leidde een groep HTS-ers rond op de vakgroep, toen me werd gevraagd wat je met een flow-sensor kon doen. Als microfoon gebruiken, zei ik meteen, zonder nadenken.' Het idee liet hem niet meer los.
Het idee mag dan van De Bree zijn, bij het huidige prototype was een heel team afstudeerders betrokken. Onder begeleiding van dr. Miko Elwenspoek (Transduktietechniek & Materiaalkunde, EL) namen ze elk een deelaspect voor hun rekening. Naast De Bree en Rodenburg zijn dat Martin van Es (EL, geluidsgolf-simulaties), Twan Korthorst (EL, meetopstellingen), Pele Leussink (EL, bedrijfskundige aspecten, fabricageproces), Edwin Potman (HTS-EL, applicatie: akoestische impedantiemeter), Hanneke Vreugdenhil (TN, modelvorming), en Arnoud van der Wel (EL, projectieversterker).
De microflown is in feite niet meer dan een speciale siliciumchip met een uitgehold kanaaltje (1 mm breed, 300 micron diep) waar de geluidsgolven doorheen komen. De sleuf wordt overbrugd door drie draadjes (bestaande uit een drager van silicium-nitride met een opgedampt chroom-goudlaagje): twee sensordraden (weerstandjes, 15 micron breed, 1 micron dik) en daartussenin een brede 'hittedraad' (heater, 100 micron breed, 1 micron dik).
De heater produceert een soort 'warmte-bel'. Die bel verschuift, wanneer er een geluidsgolf arriveert, kortstondig een fractie in de richting vande golf, waardoor er minieme temperatuurverschillen, en daarmee weerstandsvariatie, tussen de beide sensordraden ontstaan. Die weerstandsvariatie is tweeledig (een minieme toename bij de ene draad en een minieme afname bij de andere), wat overigens de gevoeligheid vergroot.
De weerstandsvariatie wordt vervolgens omgezet in een te meten elektrisch signaal door de 'Wheatstone Gadget', een door De Bree ontwikkeld 'slim schakelingetje' ter vervanging van de 'Wheatstone Bridge', een in de vorige eeuw ontworpen eenvoudige brugschakeling voor het meten van weerstanden. De 'Gadget' blijkt ideaal voor toepassing in sensoren.
Het prototype is vanaf oktober vorig jaar in diverse testopstellingen uitgeprobeerd. Een eerste opstelling bestond uit een 20 meter lange buis met één afgesloten uiteinde en een luidspreker aan het andere uiteinde. In de buis waren de microflown en een referentiemicrofoon - een gewone drukmicrofoon - opgehangen. De storende invloed van geluidsweerkaatsing werd uitgeschakeld door direct na het geluidssignaal te meten. De resultaten van deze eerste test waren al meteen uitstekend, vertelt De Bree.
Voor een tweede experiment werd een 40 meter lange buis opgesteld met aan beide kanten een luidspreker. Microflown en referentiemicrofoon werden midden in de buis opgehangen. Wanneer de beide luidsprekers tegelijkertijd, maar met een eigen frequentie een geluidssignaal produceerden bleek de microflown deze twee tegengestelde geluidsgolven prima te registreren. De combinatie met de drukmicrofoon levert een unipolaire (stereo) microfoon op. Ook kan zo de richting van akoestische golven worden bepaald.
De Bree: 'Die experimenten waren echt spannend. Voortdurend kwamen nieuwsgierige vakgroepsleden kijken hoe het vorderde. Soms zaten ze drie rijen dik zelf achter de knoppen. Vooraf aan de 40 meter-test ontstonden er complete ja- en nee-kampen die bakkeleiden over de vraag of de microflown wel of niet kon meten.' Triomfantelijk: 'Nou, het kon dus wel.'
De voldoening is begrijpelijk, gezien de ontstaansgeschiedenis van het ontwerp. De Bree stuitte aanvankelijk op scepsis, ook bij de vakgroep, over de technische haalbaarheid van een akoestische flow-sensor. Wel werkte de vakgroep mee aan een project-aanvraag en een octrooi-aanvraag via STW. 'Die project-aanvraag werd afgewezen', vertelt De Bree: 'STW vond het een leuk maar heel futuristisch idee. Men wees het af op drie gronden: het kan niet werken, het is niet nieuw en het bedrijfsleven heeft geen interesse.'
Ondanks de afwijzing wilde De Bree verder, samen met het studententeam dat inmiddels was geformeerd. De vakgroep had echter geen geld. De Bree mocht wel als onbezoldigd medewerker aan de slag. Dat is hij nog steeds. Inmiddels is bij STW wel een nieuw promotievoorstel ingediend. De Bree hoopt per 1 januari alsnog als AIO te kunnen beginnen, omdat de eerdere STW-bezwaren intussen zijn ontkracht. Zo hebben de testresultaten laten zien dat het idee werkt - het is nu zaak om het ontwerp te optimaliseren. Daartoe zijn inmiddels zo'n 1200 verschillende silicium-samples gemaakt.
Het octrooi-onderzoek heeft verder uitgewezen dat het idee wel degelijk nieuw en octrooieerbaar is. 'We kwamen er door dat octrooi-onderzoek pas achter wat op dit gebied in het verleden was gedaan, en verdomd, het is echt een nieuw idee', zegt De Bree. Wel blijken Russische onderzoekers in 1957 geëxperimenteerd te hebben met een flow-meter met één hittedraad, maar die werkte alleen in het supersone gebied en in één richting. Een ander ontwerp bezat twee sensordraden, maar werkte slechts tot 20 Hertz.
Ook wat betreft de commerciële toepassingen van de microflown, al dan niet in combinatie met een drukmicrofoon, ziet het er goed uit. Het utilisatierapport voor de nieuwe STW-aanvraag, resultaat van een nijvere belcampagne van het microflown-team, laat zien dat het bedrijfsleven grote interesse heeft voor een handig instrument waarmee deeltjessnelheid en akoestische intensiteit zijn te meten. 'Al die bedrijven kicken daar helemaal op, die vinden het fantastisch.' Vooral aspecten als de lage kosten, de laagfrequente gevoeligheid, het kleine formaat en de, vergeleken met drukmicrofoons, minimale verstoring van geluidsgolven scoren daarbij hoog.
Het utilisatierapport noemt een heel scala van toepassingsmogelijkheden. Een leidende Deense fabrikant van meetapparatuur wil de microflown direct gebruiken voor meting van akoestische intensiteit. Een dochterbedrijf van een multinational in het zuiden des lands denkt de microflown in te zetten bij de ontwikkeling van digitale luidsprekers en onderzoek naar anti-geluid. En een producent van zogenaamde 'open-lijn-telefoons' wil met het instrument in de rol van feedback-sensor rondzingen tegengaan.
Andere genoemde toepassingen liggen op het gebied van turbulentiemetingen, acoustic imaging (in beeld brengen van geluidsvelden), hydrofonie (onderwater-metingen van geluid, bijvoorbeeld geluidsoverlast van schepen) en vliegtuiglawaai. Zo wil een vliegtuigfabrikant met de microflown de reflectiecofficiënt van vliegtuigmaterialen onderzoeken en andere geluidsmetingen aan vliegtuigen doen. Een luchtvaartlaboratorium denkt met name aan metingen van de geluidsintensiteit van propeller- en turbofan-motoren (rond de geluidssnelheid) en de geluidsafstraling van vliegtuigrompen.
Het microflown-team heeft er ondertussen alle vertrouwen in, dat is wel duidelijk. Het enthousiasme straalt van ze af in hun krappe werk/koffieruimte, die geheel in het teken staat van Het Produkt. Aan alles is gedacht: van smetteloos witte t-shirts en overhemden met het microflown-logo tot een eigen home-page op Internet. En met de team-building zit het wel goed: beetje volleyballen met de vakgroep, weekje Ardennen hier, cursus zweefvliegen daar. Helaas: enkele teamleden studeren binnenkort af, dus liefhebbers zijn welkom. 'We hebben Nachwuchs nodig', aldus de Bree.
