Lego-artige Wand formt Schall

In jedem der Bausteine befindet sich eine Spirale, deren Eigenschaft bestimmt, wie stark durchdringender Schall verlangsamt wird. (Credit: Steve Cummer, Duke University)

Musik aus einer Lautsprecherbox hört sich bekanntlich anders an als das Klangerlebnis bei einem Live-Event. Einer der Gründe: Schall ist dreidimensional geprägt. Nun haben Forscher eine raffiniert-einfache Methode entwickelt, um Klang mit räumlichen Merkmalen zu versehen: Eine Wand aus Lego-artigen Bausteinen mit jeweils bestimmten akustischen Eigenschaften verpasst durchdringendem Schall eine Art Maske, um dreidimensionale Soundeffekte zu erzeugen. Die Technik könnte bei Anwendungen in Lautsprechersystemen und bei medizinischen Ultraschallgeräten zum Einsatz kommen.

Visuelle Hologramme sind allgemein bekannt: Bei dieser Technik wird der Wellencharakter des Lichts so genutzt, dass der Eindruck eines 3D-Objekts im leeren Raum entsteht – beispielsweise ein schemenhaftes Tier in einer Glaskugel. Das Hologramm ahmt dabei das Ablenken des Lichts an der Oberfläche des Körpers nach. Wie die Forscher um Steve Cummer von der Duke University erklären, ist Ähnliches auch im Fall von Schall möglich. Er breitet sich ebenfalls in Wellen aus, doch statt einer elektromagnetischen Version handelt es sich um eine Druckwelle, die vorübergehend Moleküle beim Durchströmen eines Mediums komprimiert. Dabei verändert sich auch der Charakter des Schalls – Raum und Objekte geben ihm dreidimensionale Merkmale.

Maskierter Schall

Cummer und seine Kollegen konnten zeigen, dass man Schallwellen durch ein vergleichsweise einfaches Konzept gewünschte Muster verpassen kann. Dies ist durch eine Art Maskierung des Klangs möglich. Die Maske besteht dabei aus Lego-artigen Bausteinen, die zu einer Wand zusammengesetzt sind. Jeder einzelne Block ist von einem 3D-Drucker aus Kunststoff hergestellt und enthält eine Spirale. Ihre Merkmale beeinflussen die Art und Weise, wie Schall durch sie hindurchgeht - je enger die Spirale, desto langsamer geht die Welle durch sie hindurch.

Durch eine Wand aus Mustern dieser Bausteine lassen sich Wellenfronten so manipulieren, dass der Eindruck entsteht, sie kommen von einer komplexeren Schallquelle als tatsächlich der Fall. Es lassen sich somit auch akustische Hologramme formen: Die Forscher verpassten einem Klang mit einer speziellen Maske beispielsweise die räumlichen Merkmale des Buchstabens A in einer nachfolgenden Entfernung von etwa 30 Zentimetern. In einer weiteren Demonstration zeigten sie, wie das System in diesem Maßstab Schallwellen zu mehreren "hot spots" - oder lauten Flecken - fokussieren kann.

Potenzial für Lautsprecher und Ultraschallgeräte

Es gibt zwar bereits Technologien, die solche Effekte ebenfalls vermitteln können: Sie bestehen aus einer Ansammlung von vielen einzelnen technischen Wandlern, die jeweils präzise gesteuerte Schallwellen erzeugen können. Aber dieses Konzept ist den Forschern zufolge sehr aufwendig, energiefressend und damit problematisch. "Unsere Systeme könnte den gleichen Effekt viel einfacher und billiger leisten", sagt Cummer.

Er und seine Kollegen betonen allerdings, dass ihr Konzept momentan in der Entwicklungsphase steckt. Damit es sich für konkrete Anwendungen eignet, muss es schrumpfen: Um im Megahertz-Bereich arbeiten zu können, müssen die einzelnen Zellen 100 mal kleiner sein als es die aktuellen Demonstrationsblöcke der Forscher sind. "Wir sind derzeit in der Explorationsphase und versuchen herauszufinden, wo diese Technologie nützlich wäre", sagt Co-Autor Yangbo Xie. Sie sind dabei im Kontakt mit Industriepartnern aus dem Bereich Akustik. "Dieses Konzept könnte immer dann zum Einsatz kommen, wenn das Ziel ist, Schall zu kontrollieren - um etwas völlig Neues zu kreieren, oder etwas, das bereits existiert besser, einfacher oder billiger zu machen", so der Forscher.

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