Aktive Lärmreduzierung durch Luftionisierung

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Aktive Lärmreduzierung durch Luftionisierung
Wissenschaftler der EPFL zeigen, dass eine dünne Plasmaschicht, die durch die Ionisierung von Luft erzeugt wird, vielversprechend ist, um aktiv Schall zu reduzieren, mit Anwendungen in der Lärmkontrolle oder der Raumakustik.

Wussten Sie, dass man Kabel verwenden kann, um die Luft zu ionisieren und einen Lautsprecher zu erzeugen? Kurz gesagt kann man mit einem elektrischen Feld zwischen zwei parallelen Kabeln - also einem Plasmawandler -, das stark genug ist, um die Partikel in der Atmosphäre zu ionisieren, Schall erzeugen. Die geladenen Ionen werden entlang der Magnetfeldlinien beschleunigt und drücken die restliche, nicht ionisierte Luft heraus, so dass sie einen Ton erzeugt.

Ein Lautsprecher kann nicht nur Schall erzeugen, sondern auch absorbieren.

Die Idee eines Plasma-Lautsprechers ist nicht neu, aber Wissenschaftler der EPFL haben sie weiterentwickelt und eine Demonstration eines Plasma-Wandlers gebaut. Damit sollte die Problematik der Lärmreduzierung untersucht werden. Das Team hat ein innovatives Konzept produziert, das als "plasmakustische Metaschicht"(plasmacoustic metalayer) bezeichnet wird und das man zur Unterdrückung von Geräuschen einsetzen kann. Ihre Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.

Die Wissenschaftler waren fasziniert von der Idee, Plasma zur Lärmreduzierung einzusetzen, da dieser Ansatz das wichtigste Element herkömmlicher Lautsprecher überflüssig macht: die Membran. Diese Lautsprecher, wie sie auch in Ihrem Auto oder zu Hause zu finden sind, sind eine der am meisten erforschten Technologien für Lösungen zur aktiven Lärmreduzierung. "Aktiv", weil man die Membran steuern kann, um verschiedene Geräusche zu unterdrücken, im Gegensatz zu einer Wand, die diese Aufgabe passiv erfüllen würde.

Aber bei herkömmlichen Lautsprechern als Schallabsorber begrenzt die Membran den Frequenzbereich der Vorgänge. Um den Schall zu absorbieren, wirkt die Membran mechanisch, indem sie vibriert, um die Schallwellen in der Luft zu unterdrücken. Das relativ hohe Gewicht der Membran, d. h. ihre Trägheit, schränkt ihre Fähigkeit ein, mit sich schnell ändernden Klängen oder mit hohen Frequenzen effektiv zu interagieren.

"Wir wollten den Effekt der Membran wegen ihrer Schwere so weit wie möglich reduzieren", erklärt Stanislav Sergeev, Postdoktorand am Akustiklabor der EPFL und Erstautor. Zuerst ionisieren wir die dünne Luftschicht zwischen den Elektroden - was wir als plasmakustische Metaschicht bezeichnen. Jetzt, da sie elektrisch geladen sind, reagieren dieselben atmosphärischen Partikel sofort auf externe Befehle über das elektrische Feld und interagieren effektiv mit den Schallschwingungen der umgebenden Luft, um sie zu unterdrücken."

Stanislav Sergeev fährt fort: "Wie wir erwartet hatten, kommunizieren das elektrische Kontrollsystem des Plasmas und die akustische Umgebung viel schneller als bei einer Membran".

Plasma ist nicht nur bei hohen Frequenzen wirksam. Es ist auch vielseitig, und man kann es so einstellen, dass es auch bei niedrigen Frequenzen wirkt. Wissenschaftler haben gezeigt, dass man die Dynamik der dünnen Luftplasmaschichten so steuern kann, dass sie mit dem Schall weit unterhalb seiner Wellenlänge interagieren, aktiv auf Lärm reagieren und ihn über ein breites Frequenzband unterdrücken. Die aktive Natur des Systems ist von zentraler Bedeutung: Passive Technologien zur Lärmreduzierung sind in Bezug auf die kontrollierbaren Frequenzbänder begrenzt.

Der Plasmaabsorber ist auch kompakter als herkömmliche Lösungen. Da er die einzigartige Physik der plasmakustischen Metaschichten ausnutzt, konnten die Wissenschaftler eine perfekte Schallabsorption experimentell nachweisen: "100 % der Schallintensität wird von der Metaschicht absorbiert und nichts wird zurückgeworfen", erklärt Hervé Lissek, Lehr- und Forschungsbeauftragter der Akustikgruppe der EPFL. Das Team zeigt auch, dass man akustische Reflexionen vom Hertz- bis zum Kilohertz-Bereich mit transparenten Plasmaschichten anpassen kann, die nur ein Tausendstel der gegebenen Wellenlänge dick sind - eine viel kleinere Dimension als herkömmliche Lösungen zur Lärmreduzierung.

Um eine Vorstellung von der Kompaktheit des Plasmaabsorbers zu vermitteln, stellen Sie sich einen hörbaren Ton mit einer niedrigen Frequenz von 20 Hz vor - das entspricht einer Wellenlänge von 17 Metern. Die Plasmaschicht muss nur 17 Millimeter breit sein, um den Lärm zu absorbieren, während die meisten konventionellen Lösungen wie Lärmschutzwände eine Dicke von vier Metern aufweisen müssten, was ihre Realisierbarkeit oft einschränkt.

"Im Gegensatz zu herkömmlichen Schalldämpfern, die auf porösen Materialien oder resonanten Strukturen basieren, ist das Außergewöhnlichste an unserem Konzept seine gewissermaßen ätherische Natur. Wir haben einen völlig neuen Mechanismus zur Schallabsorption entdeckt, den man so dünn und leicht wie möglich machen kann, und der neue Gebiete der Lärmkontrolle dort eröffnet, wo Platz und Gewicht wichtig sind, ganz besonders bei niedrigen Frequenzen", erklärt Hervé Lissek.

Die EPFL hat sich mit Sonexos SA, einem Schweizer Unternehmen für Audiotechnologie, zusammengeschlossen, um Lärmdämpfer der neuesten Generation zu entwickeln, die sich das Konzept der plasmakustischen Metaschichten zunutze machen. Gemeinsam wollen die beiden Partner innovative und effiziente Lösungen zur Lärmreduzierung für zahlreiche Anwendungen in der Automobilbranche, im Handel, in der Industrie oder direkt bei den Verbrauchern bereitstellen.

"Diese strategische Zusammenarbeit nutzt das Fachwissen der EPFL in den Bereichen Materialwissenschaften und Akustik sowie die nachgewiesene Erfahrung von Sonexos bei der Bereitstellung von Hochleistungs-Audiolösungen", erklärt Mark Donaldson, Gründer und Präsident von Sonexos.

Referenzen

Sergeev, S., Fleury, R. & Lissek, H. Ultrabroadband sound control with deep-subwavelength plasmacoustic metalayers. Nat Commun 14, 2874 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467­’023 -38522-5