Akustische Hologramme hinter der Wand

Forscher an der Duke University und der North Carolina State University haben eine einfache, energieeffiziente Methode entwickelt, dreidimensionale, akustische Hologramme zu erstellen. Das Verfahren könnte Anwendungen von der heimischen Stereoanlage bis hin zu Ultraschallgeräten erheblich verändern.

Die meisten sind mit dem Konzept visueller Hologramme vertraut, die das Licht auf eine Weise manipulieren, dass 3D-Objekte im leeren Raum zu schweben scheinen. Diese optischen Tricks beruhen darauf, das elektromagnetische Feld zu formen, so das das Licht von einem tatsächlichen Objekt zurückgeworfen zu werden scheint.

Der Schall bewegt sich ebenfalls in Wellen fort. Aber anders als elektromagnetische Energie im Raum, pflanzt sich der Schall in Form von Druckwellen fort, die vorübergehend die Moleküle komprimieren. Und wie das sichtbare Licht können diese Wellen in dreidimensionale Muster umgestaltet werden.

„Wir zeigen die genau gleiche Kontrolle über eine Schallwelle, wie sie die Leute früher mit Lichtwellen erreicht haben“, sagt Steve Cummer, Professor für Electrical and Computer Engineering an der Duke University. Es sei wie eine akustische Virtual-Reality-Darstellung.

Jedes gewünschte Muster mit Schallwellen

In einem am 14. Oktober veröffentlichten Paper in Nature Scientific Reports haben Forscher an der Duke University und der North Carolina State University gezeigt, dass sie jedes gewünschte dreidimensionale Muster mit Schallwellen erzeugen können. Metamaterialien machen dies möglich, synthetische Werkstoffe aus vielen, individuellen Zellen, die zusammen unnatürliche Eigenschaften aufweisen.

In diesem Fall ähneln die Metamaterialien einer Wand aus Legosteinen. Jeder individuelle Baustein besteht aus 3D-gedrucktem Plastik und enthält eine Spirale im Inneren. Die Dichte der Spirale beeinflusst die Art und Weise, wie die Schallwellen sie durchdringen, je enger die Wicklung, desto langsamer wandern die Schallwellen durch sie hindurch.

Während die einzelnen Bausteine die Richtung der Schallwellen nicht beeinflussen können, kann es das gesamte Gebilde sehr wohl. Wenn etwa eine Seite der Schallwelle gebremst wird, die andere aber nicht, leitet dies die Wellenfront in eine andere Richtung, der Schall biegt sich zur langsamen Seite hin.

Jeder merke den Unterschied zwischen einem einzelnen Lautsprecher und einem Streichquartett, das hinter ihm spiele, so Yangbo Xie, Doktorand an Cummers Labor. Schallwellen transportierten auch räumliche Informationen genauso wie Lautstärke und Tonhöhen.

Indem sie berechneten, wie zwölf unterschiedliche Typen von akustischen Metamaterial-Bausteinen die Schallwelle beeinflusst, können die Forscher sie in einer Wand anordnen um jedes beliebige Wellenmuster an der Gegenseite herzustellen. Mit ausreichender Sorgfalt können die Schallwellen ein Hologramm in einer bestimmten Entfernung erzeugen.

Es sei, wie wenn man eine Art Maske den Lautsprecher stelle. Es wirke so, als ob der Schall von einer komplexeren Quelle stamme, als in Wirklichkeit, so Cummer.

Die Wissenschaftler haben nachweisen können, dass ihre Schall-Maske in zwei verschiedenen Ausprägungen wirksam ist. Im ersten Test haben sie eine Metamaterial-Wand zusammengebaut, die etwa 30 cm entfernt eine einkommende Schallwelle in die Form des Buchstabens „A“ bringt. Im zweiten Fall zeigten sie, dass das Verfahren Schallwellen fokussieren kann, so dass besonders laute Punkte ebenfalls rund 30 cm hinter der Vorrichtung entstehen.

Vorhandene Technologien können ebenfalls diesen Effekt bewirken. Ultraschallgeräte nutzen Phased Arrays mit vielen individuellen Schallsonden, die alle genau gesteuerte Schallwellen produzieren. Aber dieser Zugang hat auch Nachteile.

Ein kleines Aufnahmegerät sei mit einer viel größeren Maschine, ein paar Fuß entfernt,  verbunden, sagt Cummer. Das sei umständlich und verbrauche viel Energie. „Unser Konzept kann denselben Effekt in einem preisgünstigeren, kleineren System produzieren.“

Damit dies in solchen Anwendungen jedoch funktioniert, müsste jede Zelle kleiner als die Wellenlänge sein, die sie verformen soll. Für Ultraschall im Megahertz-Bereich bedeutet das, dass die individuellen Bausteine 100-mal kleiner sein müssten, als die jetzt verwendeten.

Cummer und Xie sind auf der Suche nach Industriepartnern, die die Machbarkeit der Fertigung demonstrieren könnten. Sie werben auch in Branchen für das Verfahren, die im Kilohertz-Bereich unterwegs sind, wie Lufterkundung und bildgebende Verfahren. Und sie sprechen mit den Unterhaltungselektronik-Anbietern, um einzelne Lautsprecher mehr wie ein Live-Orchester tönen zu lassen.

Bild: 

Blick auf die Vorrichtung aus Metamaterialien, die akustische Hologramme erzeugen kann. Jeder Baustein enthält eine Spirale in zwölf unterschiedlichen Dichtegraden, die jeweils die Schallwelle in unterschiedlichem Maße abbremst. Quelle: Steve Cummer, Duke University

:Literatur: „Acoustic Holographic Rendering with Two-Dimensional Metamaterial-Based Passive Phased Array,“ Yangbo Xie, Chen Shen, Wenqi Wang, Junfei Li, Dingjie Suo, Bogdan-Ioan Popa, Yun Jing, and Steven A. Cummer. Nature Scientific Reports, Oct. 14, 2016. DOI: 10.1038/srep35437