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Akustischer Umhang entworfen
Stadtbewohner, ruht euch aus. Ingenieure haben ein Material entwickelt, das Geräusche umleitet und in Gebäuden verwendet werden könnte, um sie vor Geräuschen abzuschirmen. Das schallabschirmende Material, das, wenn es tatsächlich hergestellt würde, das erste akustische Tarngerät wäre, könnte auch nützlich sein, um Militärschiffe und andere Schiffe vor Sonar zu verbergen.
Schallschutz: Ein akustischer Mantel aus abwechselnden Schichten schallstreuender Materialien soll Objekte für das Sonar unsichtbar machen – und schallisoliert sein. In diesem computergenerierten Bild wird ein Zylinder (grüner Kreis) mit 200 Schichten eines solchen Materials beschichtet, was sich als optimales Design herausgestellt hat. Schallwellen, die sich von links nach rechts bewegen (ihre Spitzen und Täler sind durch rote und blaue Linien dargestellt) fließen am Objekt vorbei und bilden sich auf der anderen Seite ohne Verzerrung wieder.
Akustische Verkleidungsmaterialien, die Schallwellen um ein Objekt lenken, sodass sie sich auf der anderen Seite ohne Verzerrung wieder bilden, gibt es in der Natur nicht. Aber Ingenieure unter der Leitung von José Sánchez-Dehesa an der Polytechnischen Universität von Valencia in Spanien haben einen Plan für ihre Herstellung erstellt, bei dem abwechselnd Schichten aus zwei verschiedenen Materialien verwendet werden. Diese Materialien würden Anordnungen von Schallkristallen umfassen – Muster kleiner Stäbchen aus Aluminium oder anderen Materialien, die einige Schallwellen passieren lassen, während sie den Durchgang anderer blockieren.
Das Design der Verkleidungsmaterialien, veröffentlicht in der Neue Zeitschrift für Physik , zeigt, dass die Herstellung einer akustischen Abschirmung auf unkomplizierte und einfache Weise erfolgen kann, sagt Steven Cummer , einem Elektroingenieur an der Duke University, der 2006 am Bau des ersten leichten Umhangs beteiligt war.
Aufbauend auf der theoretischen Arbeit von John Pendry am Imperial College in London, einer Gruppe an der Duke University unter der Leitung von David R. Smith und Cummer erstellte einen Schild, der Objekte für eine bestimmte Frequenz von Mikrowellenlicht unsichtbar macht. Sie verwendeten Metamaterialien, künstlich strukturierte Verbundwerkstoffe, die Eigenschaften aufweisen, die von natürlichen Materialien unerreicht sind. Seit etwa 10 Jahren entwickeln Ingenieure Metamaterialien zur Manipulation von Licht in der Hoffnung, neue Display-Technologien, Mikroskopobjektive und Computerchips mit hoher Transistordichte zu entwickeln. Das neue Akustik-Mantel-Rezept baut auf Cummers neueren theoretischen Arbeiten zu akustischen Materialien auf und zeigt, dass Metamaterialien verwendet werden können, um sowohl Schallwellen als auch Lichtwellen zu manipulieren. Cummer, der nicht an Sánchez-Dehesas Arbeit beteiligt war, sagt, dass es jetzt möglich sein sollte, einen akustischen Umhang herzustellen.
Damit ein Material als akustischer Mantel funktioniert, muss die Schallgeschwindigkeit, die es durchdringt, richtungsabhängig sein. Das heißt, Schallwellen, die sich aus einer Richtung durch das Abschirmmaterial bewegen, müssen sich mit einer anderen Geschwindigkeit bewegen als Wellen, die sich in einer senkrechten Richtung bewegen. Diese Unterschiede erzeugen Streueffekte, die Schallwellen dazu bringen sollten, über ein abgeschirmtes Objekt zu fließen, wie Wasser, das um einen Felsen fließt. Da die Wellen nach dem Passieren eines solchen abgeschirmten Objekts in ihre ursprüngliche Form zurückkehren, wird das Objekt für das Sonar effektiv unsichtbar. Und ein Zuhörer in einem solchen Schild würde die herumfließenden Geräusche nicht hören.
Sánchez-Dehesa hat einen zweidimensionalen akustischen Mantel modelliert, sagt aber, dass die Extrapolation seiner Arbeit auf drei Dimensionen einfach sein sollte. Wir schlagen einen Umhang für jede Form vor, sagt er. Das Verstecken von Kriegsschiffen vor dem Sonar ist eine mögliche Anwendung. Aber Sánchez-Dehesa interessiert sich generell für das Problem des Lärms. Grundsätzlich sei es möglich, diesen Umhang sehr dünn zu machen, in der Größenordnung von Zentimetern. Wenn wir in der Lage sind, eine Wand für ein Haus zu entwerfen, um Außengeräusche abzuschirmen, wäre das sehr schön. Cummer stellt sich Säulen für Konzertsäle vor, die baulich arbeiten, aber akustisch praktisch nicht da sind.
Im Gegensatz zu Lichtmänteln, die Objekte nur von Licht einer Frequenz abschirmen können, sollten akustische Mäntel ein Objekt gegen einen breiten Frequenzbereich abschirmen können. Nach Einsteins spezieller Relativitätstheorie können Lichtschilde nur bei einer Wellenlänge arbeiten. Wenn sich eine Welle um ein [Cloaking]-Material bewegt, muss sie schneller gehen als durch die Luft, erklärt Cummer. Nach den Gesetzen der Physik ist dies nicht bei mehr als einer Frequenz gleichzeitig möglich. Die Schallgeschwindigkeit ist jedoch keine universelle Konstante, daher sollte es möglich sein, Breitband-Akustikumhänge herzustellen.
Nach dem Entwurf von Sánchez-Dehesa müssen die Dicken der abwechselnden Schichten, aus denen der Schallschutz besteht, sehr sorgfältig kontrolliert werden. Cummer sagt, dass dies eine technische Herausforderung darstellen wird, aber keine unüberwindbare. Tatsächlich, sagt Cummer, gibt das Design eines Schallschutzes technischen Akustikmaterialien einen großen Schub nach vorne.