Dreidimensionale Schallwellen

Forscher schaffen Hologramme aus Schall

| Redakteur: Hendrik Härter

Mit Schall geformt: Stuttgarter Max-Planck-Forscher senden Ultraschallwellen durch ein Bad mit winzigen Partikeln. Dabei modellieren sie das Profil des Schalldrucks mit einem Hologramm so, dass sich die Teilchen zu den Linien von Picassos Friedenstaube arrangieren.
Mit Schall geformt: Stuttgarter Max-Planck-Forscher senden Ultraschallwellen durch ein Bad mit winzigen Partikeln. Dabei modellieren sie das Profil des Schalldrucks mit einem Hologramm so, dass sich die Teilchen zu den Linien von Picassos Friedenstaube arrangieren. (Bild: Kai Melde / MPI für Intelligente Systeme)

Wissenschaflter haben einen Weg gefunden, um Hologramme aus Schallwellen zu erzeugen. Künftig bieten sich für akustische Hologramme viele Möglichkeiten.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme aus Stuttgart haben zusammen mit der Universität Stuttgart einen Weg gefunden, akustische Hologramme zu erzeugen. Die Wissenschaftler waren auf der Suche nach einer Möglichkeit, eine große Zahl von Mikropartikeln gleichzeitig zu bewegen und größere Strukturen aus ihnen zu formen.

In der Optik erweitern Holgramme die Fotografie schon seit Jahrzehnten um die dritte Dimension. Anders als Aufnahmen mit einer gewöhnlichen Fotokamera verwertet die Holografie neben der Lichtintensität nicht die Farbe als weiteres Merkmal eines abgebildeten Objekts. Vielmehr enthalten Hologramme die Information, wo die Lichtwellen, die von dem dargestellten Gegenstand reflektiert werden, ihre maximale Intensität erreichen – Physiker sprechen von der Phase der Welle. Da sich diese bei der Reflexion an einem dreidimensionalen Gegenstand verschiebt, gibt die Phase Auskunft über die räumliche Struktur des Objekts und verhilft Hologrammen zu dem charakteristischen räumlichen Eindruck.

Schall dreidimensional modellieren

Die räumliche Struktur von Schallwellen zu manipulieren, war bislang nur mit einem Ensemble von nebeneinander positionierten Schallquellen möglich, die unabhängig voneinander gesteuert werden und so zeitlich versetzt – Physiker sagen phasengesteuert – Schallwellen aussenden. Jetzt haben die Wissenschaftler eine Methode entwickelt, Schall ohne aufwendige Technik dreidimensional zu modellieren.

Ihren Ansatz demonstrierten die Forscher zunächst, indem sie die Friedenstaube von Pablo Picasso mit einem erhöhten Schalldruck nachzeichneten und auf diese Weise Mikropartikel in einer Flüssigkeit zu dem Bild arrangierten. Im ersten Schritt gingen sie dabei genauso vor wie bei der herkömmlichen Technik: Sie berechneten zunächst, wo die Schallwellen, genauer gesagt deren Phasen, wie stark verschoben werden müssen, um die Linien der Taube in einen erhöhten Schalldruck zu übersetzen. So erhielten sie eine Karte der Phasenverschiebungen. Anhand dieser Karte erzeugten sie nun das akustische Hologramm: Mit einem 3-D-Drucker stellten sie ein Relief aus einem Kunststoff her, der Schall schneller leitet als die umgebende Flüssigkeit. Je stärker die Schallwellen gegeneinander verzögert werden mussten, desto dicker trug der Drucker das Material auf.

Picassos Friedenstaube als Klangbild

Als die Forscher nun Ultraschallwellen durch das Hologramm schickten, interferierten diese hinter der Reliefplatte so, dass der Schalldruck Picassos Friedenstaube nachzeichnete. Und sobald sie dort eine Schale mit Wasser, in dem Mikropartikel schwimmen, positionierten, ruckelten sich die Teilchen ebenfalls rasch zum Bild der Taube zurecht. Dass die Technik nicht nur für zweidimensionale Klangbilder wie Picassos Zeichnung funktioniert, sondern auch in der dritten Dimension, zeigten die Forscher, indem sie mit einem Hologramm die hintereinander stehenden Ziffern ‚1‘, ‚2‘ und ‚3‘ als Schalldrucksymbole in den Raum projizierten.

Akustische Hologramme bringen Partikel aber nicht nur zum Surfen, sondern auch zum Fliegen. Denn der Schalldruck lässt sich auch so formen, dass er kleine Objekte in der Luft schweben lässt. Das führten die Stuttgarter Forscher an zwei Tropfen vor, deren Fall von einem holografisch modellierten Ultraschallfeld gestoppt wurde. Die Tröpfchen hielten sich dann solange in einer Position, wie sie den Schalldruck spürten. Solche akustischen Flieger könnten etwa in Prozessen der Verfahrenstechnik, in denen Flüssigkeiten tröpfchenweise verarbeitet werden, zur Anwendung kommen. Akustische Hologramme schaffen also noch mehr Möglichkeiten, Partikel zu manipulieren, als die Forscher ursprünglich im Sinn hatten. Und auch jenseits der Beschallung von Partikeln könnten Hologramme mit Ultraschall Anwendung finden – zum Beispiel in der Medizin und der Materialprüfung.

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... okay, von welchen Frequenzen sprechen wir hier? Wie sieht es mit den dBa aus, wenn die Tropfen...  lesen
posted am 07.10.2016 um 07:25 von Unregistriert


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