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Klangfiguren

Akustische Hologramme erzeugen Muster und Figuren

Ein unscheinbares Plättchen und ein Ultraschalllautsprecher - viel mehr braucht es nicht, um verblüffend komplexe Schallwellenmuster zu erzeugen.

Mit einer Anordnung von Ultraschall-Lautsprechern kann man Tröpfchen oder kleine Kügelchen in der Luft schweben lassen. Das sieht nicht nur sehr kurios aus, sondern könnte auch nützliche Anwendungen haben, beispielsweise in der Labortechnik. Doch um komplexe und nicht symmetrische Figuren zu erzeugen, bedarf es allerdings eines kaum noch handhabbaren Lautsprecheraufbaus, erklären Forscher um Peer Fischer vom Stuttgarter Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme. Ihre akustischen Hologramme könnten eine Alternative sein.

Die Friedenstaube bildet sich aus schwimmenden Kügelchen
Die Friedenstaube bildet sich aus schwimmenden Kügelchen | Ein präzise gelenktes Muster aus Ultraschallwellen bildet "Fallen", in denen die Kügelchen gefangen werden. Stellt man den Lautsprecher ab, verläuft sich das Muster sofort wieder.

Sie bestehen aus Kunststoffplättchen, die vor den Lautsprecher gelegt werden und dadurch seine Schallwellen verändern. Es entsteht ein komplexes Wellenmuster, in dessen "Tälern" beispielsweise Wassertröpfchen in der Luft hängen bleiben. Die Position dieser Täler lässt sich so präzise bestimmen, dass die Forscher regelrechte Figuren damit zeichnen können – wie zum Beispiel das Symbol "Friedenstaube".

Fischer und Team berechnen dazu am Computer, welche Form das Plättchen annehmen muss. Je nach gewünschter Auflösung unterteilen sie es in über 10 000 Pixel, deren exakte Dicke die Phase der passierenden Ultraschallwelle mehr oder weniger stark verschiebt. Das berechnete Plättchen lassen sie schließlich von einem 3-D-Drucker herstellen. Vor einen Lautsprecher gelegt, erzeugt es ein Schallwellenmuster, dessen räumliche Auflösung bei herkömmlicher Technik nach rund 20 000 Lautsprechern verlangen würde.

Wie das Team demonstriert, ist es auch möglich, mit Hilfe des Hologramms kleine Objekte zu bewegen. Im Experiment ließen die Forscher beispielsweise kleine Papierschiffchen auf der Wasseroberfläche kreisen. Zudem können sie ein und demselben Plättchen mehrere Muster einschreiben, die sich in festgelegten Abständen von der Schallquelle oder in Abhängigkeit von der Frequenz manifestieren.

Den größten Nutzen für ihre Technologie sehen sie allerdings weniger in der "klassischen" berührungsfreien Handhabung von Materialproben als in der Verbesserung der Ultraschall-Bildgebung und dem Einsatz von Ultraschall zu therapeutischen Zwecken. Mit dem Verfahren ließen sich die Ultraschallwellen kostengünstig und individuell maßgeschneidert manipulieren.

© MNM Intelligent Systems Lab
Die Forscher erklären ihre Technik (englisch)

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