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Neu gestaltetes Fenster stoppt Geräusche, aber keine Luft, sagen Materialwissenschaftler
Lärmbelästigung ist einer der Schreckgespenster des modernen Lebens. Der Lärm von Maschinen, Motoren, Nachbarn und dergleichen kann unsere Lebensqualität und die der anderen Lebewesen auf diesem Planeten ernsthaft beeinträchtigen.
Aber Schalldämmung ist eine schwierige und teure Angelegenheit. Schallschutz funktioniert im Allgemeinen nach dem Prinzip, Schall aus der Luft in ein anderes Medium zu übertragen, das ihn absorbiert und dämpft.
Die Vorstellung, eine Schalldämmung zu schaffen, die gleichzeitig den freien Durchgang von Luft zulässt, scheint daher auf den ersten Blick völlig unmöglich. Aber genau das ist Sang-Hoon Kima von der Mokpo National Maritime University in Südkorea und Seong-Hyun Lee vom Korea Institute of Machinery and Materials gelungen.
Diese Jungs haben einen Weg gefunden, den Schall von der Luft, in der er sich bewegt, zu trennen und dann zu dämpfen. Dies hat es ihnen ermöglicht, ein Fenster zu bauen, das Luft strömen lässt, aber keinen Ton.
Das Design ist relativ einfach und beruht auf zwei exotischen akustischen Phänomenen. Die erste besteht darin, ein Material mit einem negativen Schüttmodul zu erzeugen.
Der Volumenmodul eines Materials ist im Wesentlichen seine Druckfestigkeit und dies ist ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Geschwindigkeit, mit der sich der Schall durch ihn hindurch bewegt. Ein Material mit einem negativen Volumenmodul dämpft exponentiell jeglichen Schall, der es durchquert.
Es ist jedoch schwer vorstellbar, dass ein massives Material einen negativen Schüttmodul hat, wo ein bisschen cleveres Design nützlich ist.
Die Idee von Kima und Lee ist es, eine Klangresonanzkammer zu entwerfen, in der die Resonanzkräfte jeder Kompression entgegenwirken. Bei sorgfältiger Auslegung führt dies für einen bestimmten Frequenzbereich zu einem negativen Volumenmodul.
Ihr Resonanzraum ist eigentlich ganz einfach – er besteht aus zwei parallelen Platten aus transparentem Acryl-Kunststoff, die etwa 150 Quadratmillimeter groß sind und einen Abstand von 40 Millimetern haben, ähnlich einer Doppelverglasung von der Größe eines Taschenbuchs.
Diese Kammer wurde entwickelt, um sicherzustellen, dass jeder Schall, der in ihr mitschwingt, der Art und Weise entgegenwirkt, wie derselbe Schall die Kammer komprimiert. In diesem Fall ist das Volumenmodul der gesamten Kammer negativ.
Ein wichtiger Faktor dabei ist, wie effizient der Ton in die Kammer gelangen kann und hier haben Kima und Lee einen weiteren Trick. Um diese Effizienz zu maximieren, bohren sie ein 50 Millimeter großes Loch durch jedes Stück Acryl. Dies wirkt als Beugungselement, das bewirkt, dass jeder Schall, der auf die Kammer trifft, stark in diese gebeugt wird.
Das Ergebnis ist ein doppelt verglastes Fenster mit einem negativen Volumenmodul, das den auftreffenden Schall stark dämpft.
Kima und Lee nutzen ihre Doppelverglasung als Baustein für größere Fenster. In Tests mit einer 3x4x3-Bausteinwand sagten sie, dass ihr Fenster den Schallpegel um 20-35 Dezibel über einen Schallbereich von 700 Hz bis 2.200 Hz reduziert. Das ist eine deutliche Reduzierung.
Und durch die Verwendung zusätzlicher Bausteine mit kleineren Löchern können sie diesen Bereich erweitern, um tiefere Frequenzen abzudecken.
Das Praktische an diesen Fenstern ist, dass Löcher durch sie auch den freien Luftstrom ermöglichen, was auch für eine ausreichende Belüftung sorgt.
Die Anwendungen sind vielfältig. Durch Ändern der Größe der Löcher sind die Fenster abstimmbar, sodass sie nur bestimmte Frequenzen abschirmen. Die neuen Designs haben einige interessante Anwendungen.
Wenn wir uns beispielsweise in einem kombinierten Bereich von Meereswellen mit niedriger Frequenz und Geräuschen von Maschinen mit hoher Frequenz befinden, können wir nur die Geräusche von Meereswellen mit frischer Luft hören, sagen Kima und Lee.
Darüber hinaus soll die gleiche Idee auch im Wasser funktionieren, was beispielsweise beim Schutz von Meerestieren vor Lärmbelästigung helfen könnte.
Eine clevere Idee, die eines der immer häufiger auftretenden Probleme des modernen Wohnens angeht.
Ref: arxiv.org/abs/1307.0301 : Luftdurchlässiges schalldichtes Fenster