Sounddesign mit Metamaterial

Ob Sportwagen oder Küchenmaschine: Nicht nur die puren Leistungszahlen, auch die Geräusche spielen bei technischen Produkten eine Rolle. Sounddesigner hantieren mit zahlreichen Werkstoffen, die etwa Motorengeräusche effizient absorbieren oder auch so verändern, um den Geschmack der Kunden zu treffen. Mit einem neuen Konzept für ein akustisches Metamaterial eröffnen nun Physiker in den USA weitere Möglichkeiten, um eine Schallausbreitung gezielt manipulieren zu können. In der Fachzeitschrift „Science Advances“ präsentieren sie erste Prototypen dieser komplexen, dreidimensionalen Wellenleiter – inspiriert von der japanischen Origamifaltkunst.

„Dieses Metamaterial bietet eine ideale Plattform, um die Ausbreitung von Schall aktiv zu kontrollieren“, so Sahab Babaee und seine Kollegen von der Harvard University in Cambridge. Zuerst entwarfen die Forscher dreidimensionale Strukturen im Rechner, um die Schallausbreitung über verschiedene Anordnungen von Würfeln, Hexaedern oder Oktaedern zu simulieren. Diese berechneten Baupläne bildeten die Grundlage für Metamaterialien, die Schallwellen in alle drei Raumrichtungen fast nach Belieben umleiten sollten.

Für die praktische Umsetzung wählten Babaee und Kollegen kleine Kunststoffplättchen aus Polyethylen. Diese Plättchen verknüpften sie mit variablen Gelenken aus Doppelklebeband zu den symmetrisch aufgebauten, akustischen Metamaterialien. Ein würfelförmiger Prototyp mit einer Kantenlänge von knapp dreißig Zentimetern bestätigte die gute Kontrolle über Schallwellen, die sich zudem schnell und einfach über verschiedene Winkel zwischen den Plättchen verändern ließ. Dazu sendete an einer Stelle ein Lautsprecher Schallwellen in das Metamaterial. Mehrere Mikrofone, rund um den Prototyp angeordnet, zeichneten die mehr oder weniger stark umgelenkten Schallwellen auf. Die Messungen bestätigten, dass sich der Schall über einen breiten, hörbaren Frequenzbereich in verschiedene Wunschrichtungen leiten ließ.

Die Versuche zeigten allerdings noch einige Unterschiede zwischen der berechneten und der gemessenen Schallausbreitung. Dieses Problem könnte mit einer verbesserten Fertigungsmethode, etwa mit 3D-Druckern, behoben werden. Trotz der Abweichungen belegen die Versuche, dass diese akustischen Metamaterialien das Potenzial haben, die Schallausbreitung mit größerer Variabilität zu beeinflussen als es andere Werkstoffe bisher ermöglichten. Da sich die Dimensionen dieser Metamaterialien von wenigen Zentimetern bis zu einigen Metern verändern lassen, sind Anwendungen in technischen Geräten oder auch für das Geräuschdesign von Gebäuden vorstellbar.