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3D-gedrucktes „Schwarzes Loch“ schluckt Schall
Rohrleitungen und Lüftungskanäle können Schall zurückwerfen und störende Echos erzeugen. Nun haben Forscher einen Einsatz entwickelt, der Schallwellen in einem Rohr allmählich abbremst und einen großen Teil ihrer Energie absorbiert. Der 3D-gedruckte Schallfänger lässt sich nachträglich einbauen und könnte die Geräuschdämpfung in bestehenden Anlagen vereinfachen.
Barcelona (Spanien). In Rohren und Luftkanälen können Schallwellen über längere Strecken laufen, bevor sie an einem geschlossenen Ende zurückgeworfen werden. Solche Reflexionen können in Lüftungsanlagen, Industriekanälen oder Schalldämpfern unerwünschte Geräusche verstärken. Um sie zu begrenzen, kommen spezielle Strukturen zum Einsatz, die den Schall auf seinem Weg gezielt abschwächen.
Eine solche Konstruktion heißt akustisches oder sonisches Schwarzes Loch. Die Bezeichnung beschreibt eine Ähnlichkeit beim Einfangen von Wellen, keinen echten Gravitations- oder Ereignishorizont. Bisher mussten die dafür nötigen Ringstrukturen meist schon beim Bau eines Rohres in dessen Innenwand integriert werden. Eine Nachrüstung war entsprechend aufwendig.
Forscher der Universitat Ramon Llull (URL) um Dr. Jie Deng haben nun eine Variante entwickelt, die sich als eigenständiges Bauteil in ein vorhandenes Rohrende einsetzen lässt. Sie wollten untersuchen, ob diese Konstruktion trotz der einfacheren Montage mindestens so wenig Schall reflektiert wie die bisherige Bauweise.
Der neue Einsatz besteht aus einer Mittelstange mit einer Folge ringförmiger Elemente, deren Durchmesser sich entlang der Stange verändern. Zwischen den Ringen entstehen Hohlräume mit abgestuften Abmessungen. Schallwellen breiten sich darin zunehmend langsamer aus, ihre Wellenlänge nimmt ab und ihre Energie konzentriert sich zum Ende der Struktur hin.
Diese Energie verschwindet allerdings nicht einfach. Durch Reibung und Wärmeaustausch zwischen Luft und den Oberflächen wird ein Teil in Wärme umgewandelt. Dadurch kann weniger Schall an das Rohrende gelangen und als Echo zurückkehren. Der Vergleich mit einem Schwarzen Loch gilt also nur für bestimmte Eigenschaften der Wellenausbreitung.
Das Team berechnete zunächst, wie sich Schall in einer idealisierten Konstruktion und in einer realen Anordnung mit einzelnen Ringen ausbreitet. Anschließend fertigten die Wissenschaftler einen 15 Zentimeter langen Prototyp im 3D-Druck und testeten ihn in einem Impedanzrohr. In dieser Messvorrichtung lassen sich einfallende und zurückgeworfene Schallwellen bei verschiedenen Frequenzen vergleichen.
Die Messungen zeigten eine verminderte Schallreflexion und stimmten weitgehend mit den numerischen Vorhersagen überein. Vollständig verschwanden die Echos allerdings nicht. Der Versuch belegt damit die Funktionsfähigkeit des Schallfängers unter kontrollierten Laborbedingungen, nicht bereits seine Wirkung in einer dauerhaft betriebenen Lüftungsanlage.
Zusätzlich verglichen die Forscher die neue Konstruktion rechnerisch mit einer herkömmlichen Variante. Bei gleicher freier Querschnittsfläche fiel die Schallreflexion für den einsteckbaren Absorber geringer aus. Der gewünschte Effekt blieb laut den Berechnungen zudem über einen deutlich größeren Bereich von Schallfrequenzen erhalten.
Eine Ursache liegt in den unterschiedlichen Resonanzen der Hohlräume und der gesamten Ringstruktur. Bei herkömmlichen Bauformen können einzelne Hohlraumresonanzen die Schallabsorption in bestimmten Frequenzbereichen dominieren. Die neue Geometrie begünstigt hingegen das fortschreitende Abbremsen der Wellen über einen breiteren Bereich, wie die Modellrechnungen zeigen.