Akustische Scheinwelten

Hört man ein Musikstück, so nimmt man nicht nur die ursprüng­lichen Töne wahr, sondern gleichzeitig auch ein Abbild der Umgebung. Denn Wände und Objekte reflek­tieren den Schall, so dass ein charak­teris­tischer Klang­effekt – ein spezi­fisches akustisches Feld – entsteht. Architekten machen sich diesen Umstand zu Nutze, wenn sie Konzert­säle bauen. Doch das Prinzip lässt sich auch für andere Anwendungen nutzen, zum Beispiel wenn man im Untergrund verborgene Objekte sichtbar machen will. Dazu misst man, wie Schall­wellen von einer bekannten Quelle reflektiert werden.

Einige Wissenschaftler gehen einen Schritt weiter und wollen das akustische Feld gezielt manipu­lieren, um einen Effekt zu erzielen, den es aufgrund der realen Situation gar nicht geben dürfte. Sie versuchen beispiels­weise, ein illusio­näres Klang­erlebnis zu schaffen, das einem vorgaukelt, man sei in einem Betonbau oder einer alten Kirche. Oder man verbirgt Objekte durch Manipu­lation des akustischen Feldes, so dass sie für den Hörer gar nicht mehr existieren.

In der Regel kommen dazu passive Methoden zum Einsatz, bei denen die gewünschte Täuschung durch entsprechende Gestaltung der Ober­flächen mit Hilfe von Meta­materi­alien erzeugt wird. Will man ein Objekt akustisch verbergen, beschichtet man dessen Oberfläche, so dass es keine Schall­wellen mehr reflektiert. Allerdings funktioniert dieser Ansatz nur in einem eng begrenzten Frequenz­bereich, weshalb er für viele Anwendungen nicht in Frage kommt.

Aktive Methoden versuchen, die Täuschung durch eine Über­lagerung mit weiteren Schall­wellen zu erreichen. Das primäre akustische Feld wird also durch ein sekundäres Signal ergänzt. Doch auch bei diesem Ansatz sind die Möglich­keiten bisher limitiert, funktioniert er doch nur, wenn das primäre Feld im Voraus ungefähr bekannt ist.

Die Forschungsgruppe von Johan Robertsson an der ETH Zürich hat jetzt in Zusammen­arbeit mit Wissen­schaftlern der University of Edinburgh einen neuen Ansatz entwickelt, der die aktive Täuschung wesentlich verbessert. Die Forscher haben es geschafft, das primäre Schallfeld in Echtzeit zu verfremden und so Gegenstände akustisch verschwinden zu lassen oder nicht​existente Objekte vorzu­spiegeln.

Für das Projekt haben die Forscher eine große Versuchs­anlage installiert, mit der sie die speziellen akustischen Effekte realisieren können. Konkret können sie mit dieser Anlage die Existenz eines etwa zwölf Zentimeter großen Objekt verbergen respektive einen ebenso großen imaginären Gegenstand vortäuschen.

Das Zielobjekt wird dabei von einem äußeren Ring aus Mikrofonen umgeben sowie einem inneren Ring aus Laut­sprechern. Die Mikrofone registrieren, welche akustischen Signale aus dem Primärfeld von außen auf das Objekt eintreffen. Basierend auf diesen Messdaten berechnet dann ein Computer, welche sekundären Töne die Laut­sprecher aussenden müssen, damit das primäre Feld in der gewünschten Art verfremdet werden kann.

Soll das Objekt maskiert werden, senden die Laut­sprecher ein Signal aus, das die am Objekt reflek­tierten Schall­wellen voll­ständig auslöscht. Soll hingegen ein Objekt vorge­täuscht werden, ergänzen die Laut­sprecher das primäre akustische Feld so, als würde in der Mitte der beiden Ringe ein Objekt Schall­wellen zurück­werfen.

Damit diese Verfremdung klappt, müssen die von den Mikrofonen gemessenen Daten sehr schnell in Anweisungen für die Laut­sprecher umgesetzt werden. Für die Steuerung nutzen die Forscher daher „Field Programmable Gate Arrays“, die eine sehr kurze Reaktions­zeit haben und daher schnell reagieren.

„Mit unserer Anlage können wir das akustische Feld über einen Frequenz­bereich von mehr als dreieinhalb Oktaven manipu­lieren“, erklärt Robertsson. Die maximale Frequenz beträgt beim Maskieren 8700 Hz, beim Vortäuschen 5900 Hz. Bisher können die Forscher das akustische Feld auf einer Fläche in zwei Dimensionen beeinflussen. In einem nächsten Schritt wollen sie nun das Verfahren auf drei Dimensionen ausdehnen. Und sie wollen auch den Einsatz­bereich erweitern: Im Moment verfremdet das System Schall­wellen, die in der Luft übertragen werden. Doch mit dem neuen Verfahren könnte man auch akustische Schein­effekte unter Wasser erzeugen, erklärt Robertsson. Er sieht dabei eine breite Palette von möglichen Anwendungen, beispiels­weise in der Sensorik, in der Architektur, aber auch im Kommuni­kations-​ und Bildungs­bereich.

Auch für die Erdwissen­schaften ist die neue Technik von Interesse. „Im Labor bestimmen wir die akustischen Eigen­schaften von Mineralien mit Hilfe von Ultra­schall­wellen, die eine Frequenz von mehr als 100 kHz haben. Im Feld hingegen unter­suchen wir die Strukturen im Untergrund mit seismischen Wellen, die eine Frequenz von weniger als 100 Hz haben“, erklärt Robertsson. „Mit dem neuen Verfahren können wir diesen toten Bereich nun überbrücken.“

ETH Zürich / RK

Weitere Infos 

• Originalveröffentlichung
  T. S. Becker et. al.: Broadband acoustic invisibility and illusion,. Sci. Adv. 7, eabi9627 (2021); DOI: 10.1126/sciadv.abi9627
• Exploration and Environmental Geophysics (J. Robertsson), Institut für Geophysik, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Schweiz