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Empa-Abteilung Akustik/ Lärmminderung: Kristalle als Schallschlucker

Schweizer Forscher haben sogenannte phononische Kristallstrukturen mit »Zusatzeigenschaften« versehen, die akustische Schwingungen in Torsionsbewegungen umsetzen und in Wärmeenergie umwandeln. Hervorragende Schallisolatoren, die 100 Mal leichter sind als vergleichbare Werkstoffe, sind damit denkbar.

Phononische Kristalle Bildquelle: © Empa

Empa Forscher haben chirale, phononische Kristalle entwickelt undein Funktionsmodell gebaut, an dem nun Schwingungsmessungen durchgeführt werden.

Dr. Andrea Bergamini und seine Forscherkollegen von der Abteilung Akustik/ Lärmminderung von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa arbeiten mit Kristallstrukturen, die in der Lage sind, langwellige Schwingungen zu streuen und deren Eignung zur Vibrationsdämpfung schon bekannt war. Kristalle mit solchen akustischen Eigenschaften werden phononische Kristalle genannt. In die Kristalle haben die Forscher zusätzlich kleine, drehbare Teller eingebaut, die Schwingungen entlang der Längsachse in Torsionsbewegungen umsetzen, wodurch sie nicht nur gestreut, sondern auch in Wärmeenergie umgewandelt werden.

Die Forscher koppelten mehrere Drehteller auf unterschiedliche Art und Weise: einmal ordneten sie die Teller so, dass sie gemeinsam in eine Richtung drehen (isotaktische Anordnung), oder sie verbanden sie so, dass sie sich in den Drehrichtungen abwechseln (syndiotaktische Anordnung). Dabei fanden die Forscher heraus, dass sich die akustischen Auswirkungen der Anordnungen erheblich unterscheiden. Die Syndiotaktische ABAB-Anordnung der Drehrichtung der Teller erzeugt eine sogenannte Bandlücke in den Frequenzen, d.h. ein Schwingungsbereich wird einfach von der Dreh-Mechanik »verschluckt«. Die isotaktische AAAA-Anordnung der Drehbewegungen erzeugt hingegen neue Wellen ähnlicher Frequenz, die durch den Kristall weitergegeben werden.

In einem ersten Modell testen die Forscher jetzt mögliche Anwendungen: Es handelt sich um ein Fenster aus zwei Plexiglas-Scheiben, in dem syndiotaktische Drehteller integriert sind, die auf die Frequenz der menschlichen Sprache abgestimmt sind. Der Effekt: Sprechende Personen sind durch das Fenster zu sehen und auch an ihrer Stimme zu identifizieren, aber der gesprochene Text ist völlig unverständlich. Die Empa-Forscher glauben, dass sich mit Hilfe dieses Ansatzes sehr gut Schall isolierende Baustoffe für Architektur, Maschinen- und Flugzeugbau herstellen lassen, die bis zu 100 mal leichter sein können, als andere Isoliermaterialien gleicher akustischer Wirksamkeit.