Objekte, die auf Schall schweben

Picassos Friedenstaube, wie von Geisterhand gezeichnet: Forscher haben im Labor neuartige Hologramme hergestellt - nicht wie üblich mit Hilfe von Licht, sondern mit Schallwellen. Auf diesem dreidimensionalen Schall kann man Objekte schweben lassen.

Bei der optischen Holografie wird die Form eines Objekts mit Hilfe einer kohärenten Lichtquelle abgetastet. Daraus lässt sich dann eine dreidimensionale Abbildung erzeugen. Wie Licht besteht Schall aus Wellen - daher versucht man seit einigen Jahren mit einer ähnlichen Technik auch dreidimensionale akustische Gebilde zu erschaffen. Das Ziel dabei ist aber nicht primär die Darstellung von Objekten, sondern Objekte mittels Schall in der Schwebe zu halten oder gezielt zu bewegen.

Die Studie

„Holograms for acoustics“, Nature, 21.9.2016

Eine 3-D-Struktur aus Schallwellen ließ sich bisher nur durch mehrere nebeneinander positionierte Schallquellen realisieren. Diese mussten unabhängig voneinander exakt gesteuert werden, damit sie zeitlich versetzt Wellen aussenden und in der Folge der gewünschte 3-D-Sound entsteht; als Medium werden Luft oder Flüssigkeiten verwendet. In ihrer Größe und Komplexität waren die Schallgebilde daher beschränkt.

Akustisches Hologramm

Begonnen haben die Forscher um Kai Melde vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in ihrer aktuellen Arbeit ganz ähnlich wie bisherige Ansätze. Mit Schalldruck zeichneten sie die Form von Pablo Picassos Friedenstaube mit Mikropartikeln in einer Flüssigkeit nach.

Daraus erstellten sie dann eine Karte der Phasenverschiebungen der Schallwellen und aus dieser das akustische Hologramm: Ein Kunststoffrelief aus dem 3-D-Drucker. Das Material leitet die Wellen schneller als die umgebende Flüssigkeit. Man muss dieses Hologramm nur noch vor einer einzigen Schallquelle positionieren, um das Bild nachzuzeichnen. Laut den Forschern funktioniert das im zwei- wie im dreidimensionalen Bereich.

Akustisches Hologramm einer Taube
Kai Melde

Der Nachteil der vereinfachten und günstigen Methode: Die 3-D-Struktur des Schallfeldes ist fix und lässt sich nicht mehr kontinuierlich verändern. Dennoch ist es den Forschern gelungen, Objekte zu bewegen. Sie erzeugten mit Hilfe eines derartigen akustischen Hologramms z.B. eine eingefrorene ringförmige Welle im Wasser. Ein Teilchen, das auf der Oberfläche trieb, landete durch den Schalldruck am Wellenkamm und bewegte sich dort solange im Kreis, bis der Ton wieder ausgeschaltet wurde. „Solche berührungslos bewegten Partikel könnten als Transporter für die Verfahrenstechnik interessant sein“, meint Kai Melde in einer Aussendung.

Partikel lassen sich aber auch zum Fliegen bringen, wie die Forscher ebenfalls zeigen konnten: Ein Soundgebilde stoppte zwei fallende Wassertropfen in der Luft. Dort blieben sie, solange der Ton an war. Dafür gebe es ebenfalls praktische Anwendungen in der Produktionstechnik, so die Forscher. Aber auch bei der Materialprüfung oder für bildgebende Verfahren in der Medizin könnten die 3-DGebilde aus Schall in Zukunft nützlich sein.

Eva Obermüller, science.ORF.at

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