Schallschutz mit Schaum

Als Forscher um Juliette Pierre von der Universität Paris-Diderot die Struktur eines Schaums mit Ultraschall untersuchten, machten sie eine unerwartete Entdeckung: In einem bestimmten Frequenzbereich absorbierte der Schaum die Ultraschallwellen komplett. Das Experiment zeigt erstmals, dass Schaum sich wie ein Metamaterial verhalten kann – also wie eine künstliche Struktur mit ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften. Solche Schäume könnten künftig für den Schallschutz eingesetzt werden, schlagen die Forscher in ihrer im Fachblatt „Physical Review Letters“ veröffentlichten Studie vor.

Für das Experiment versetzte das Team zunächst Wasser mit Natriumdodecylsulfat – einem Tensid, das Blasen stabilisiert. Diese Lösung schäumten sie dann mit dem unlöslichen Gas Perfluorhexan auf. Es bildete sich ein flüssiger Schaum, dessen mittlere Blasengröße über einen Zeitraum von neunzig Minuten von 15 auf 50 Mikrometer anwuchs. Pierre und ihre Kollegen schlossen den Schaum zwischen zwei Polymerfilmen ein und untersuchten, wie stark Ultraschallpulse mit Frequenzen zwischen 60 und 600 Kilohertz beim Durchqueren der Schaumschicht gedämpft wurden. Anschließend prüften sie, inwieweit die Messwerte vom Blasendurchmesser und der Ultraschallfrequenz abhingen. Das Ergebnis überraschte die Forscher: In bestimmten Frequenzbereichen blockierte der Schaum die Schallübertragung komplett.

Um die Beobachtungen zu erklären, konstruierten die Forscher ein Modell aus dünnen, flexiblen Filmen, die sich über eine Reihe von starren Ringen erstrecken. Das Team analysierte nun, was geschieht, wenn Schallwellen diesen Modellschaum durchqueren. Bei tiefen Frequenzen bewegen sich die Ringe und Filme synchron zu den Schallwellen. Steigt die Frequenz, schwingen zunächst nur die schweren Ringe mit einer zeitlichen Verzögerung. Schließlich geraten sowohl Ringe als auch Filme derart aus dem Takt, dass sie gegenläufig zu den Schallwellen schwingen. Dadurch kann kein Schall mehr übertragen werden. Bei noch höheren Frequenzen schwingen Filme und Ringe wieder in Phase mit dem Ultraschall, sodass die Schallwellen den Modellschaum durchdringen können.

Im nächsten Schritt wollen die Forscher untersuchen, ob besser haltbare Schäume aus elastischen Materialien das gleiche Verhalten zeigen und als Schallschutz genutzt werden können.