William Kaal, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Darmstädter Fraunhofer-Institut, schlägt eine ganz normale Stimmgabel an. Sauber klingt der Kammerton A langsam aus. Die Stimmgabel ist auf einem Holzkästchen montiert, das den Schall verstärkt. Aber es enthält zusätzlich eine Elektronik. William Kaal schaltet sie am Kippschalter ein. Und jetzt klingt die Stimmgabel ganz anders:
Obwohl sie genauso frei auf dem Holzkästchen steht wie zuvor, klingt sie, als stünde sie in Sand. Schuld daran ist die Elektronik - ein sogenannter elektroaktiver Schwingungsdämpfer. Der nimmt die Frequenz der Stimmgabel auf und erzeugt dieselben 440 Hertz, nur um eine halbe Wellenlänge verschoben. Jede Schallwelle, die von der Stimmgabel ausgeht, wird nun von einer Gegenwelle ausgebremst. Der Kammerton verstummt.
Das Prinzip ist nicht neu. Es wird etwa genutzt in größeren Pkw für die Dämpfung von Motorgeräuschen. Die Industrie verwendet dafür bisher Piezomaterialien, die aber nicht unproblematisch sind. William Kaal:
"Piezomaterialien sind in der Regel spröde und steif, das heißt: sie können keine größeren Bewegungen ertragen."
Sie können deshalb keine niederfrequenten Schwingungen, also tiefe Töne, ausgleichen. Außerdem sind sie recht teuer und auch ihr ökologischer Fußabdruck ist ziemlich tief. Sie enthalten zum Beispiel Blei.
William Kaal und sein Kollege Jan Hansmann hoffen nun, dass sie eine Alternative entwickeln können, und zwar mit dem Einsatz elektroaktiver Elastomere. William Kaal:
"Grundsätzlich können da ganz verschiedene Materialien in Frage kommen, Hauptsache es sind elastische Materialien - Silikone, Acrylate, Latex, ganz unterschiedlich. Elastomer ist quasi der Oberbegriff für alle Materialien, die sich elastisch verformen können."
Elektroaktive Materialien verändern ihre Eigenschaften, wenn ein Strom angelegt wird. Da aber weder Piezokristalle noch Kunststoffe Strom leiten, müssen sie dazu mit einem leitenden Material versehen werden. William Kaal beschichtet deshalb eine dünne Elastomerfolie mit zwei Elektroden in Form hauchdünner Metallnetze. Wird nun eine Spannung angelegt, ziehen die Elektroden einander elektrostatisch an und drücken so die Elastomerschicht zusammen. Beim Wegfall der Spannung nimmt der Kunststoff wieder seine ursprüngliche Form an. Durch Anlegen einer gepulsten Spannung erzeugt dieser sogenannte Aktor eine Schwingung.
Nur um etwa fünf Tausendstel Millimeter verformt sich die Elastomerschicht, die selbst nur ein Zehntel Millimeter stark ist. Zeigen können die Forscher die Bewegung daher nicht. Zur Demonstration der Wirkung haben sie ein Modell zusammengebaut, das die Schwingungen hörbar machen kann: eine flache Schachtel in der Größe eines kleinen Notizblocks mit einer centgroßen Scheibe in der Mitte. William Kaal stellt ein kleines Gewicht auf die Scheibe.
"Also ich habe hier jetzt einen solchen Elastomeraktor, den ich ansteuern kann mit einem Funktionssignalgenerator, an dem ich die Frequenz beliebig einstellen kann. Und jetzt kann ich auch in den hörbaren Frequenzbereich gehen. Das sind 100 Hertz, die man als leichtes Brummen wahrnimmt - Brummen, ansteigende Töne von Infra- bis Ultraschall - , 200, 300, 400 ... bis irgendwann die Hörgrenze erreicht ist."
Eine schall- beziehungsweise vibrationsdämmende Wirkung ergäbe sich, wenn eine Steuerung die Frequenz so einstellt, dass sie eine Gegenschwingung zu einer vorhandenen Welle formt.
Elektroaktive Elastomere sind billiger, umweltfreundlicher und beweglicher als Piezokristalle. Problematisch ist allerdings, dass die Kunststoffe bei steigenden Temperaturen weicher werden. Dabei beeinflusst nicht nur die Außentemperatur das Material, es erwärmt sich vielmehr auch selbst durch den Betrieb.
Wenn jedoch diese Probleme gelöst werden können, stellen sich die Wissenschaftler ein breites Anwendungsspektrum für ihre Entwicklung vor. Dazu gehört nicht nur der vibrationsdämmende Einsatz. Jan Hansmann:
"Denkbar ist natürlich auch die Variante, dass eine Schwingung vorhanden ist, die in den Aktor eingeleitet wird und dann der Effekt andersherum genutzt wird und entsprechend Strom abgezogen werden kann. Der Akustische Einsatz ist denkbar, sodass man den Aktor mit einer entsprechend großen Abstrahlungsfläche als Lautsprecher nutzt."
Obwohl sie genauso frei auf dem Holzkästchen steht wie zuvor, klingt sie, als stünde sie in Sand. Schuld daran ist die Elektronik - ein sogenannter elektroaktiver Schwingungsdämpfer. Der nimmt die Frequenz der Stimmgabel auf und erzeugt dieselben 440 Hertz, nur um eine halbe Wellenlänge verschoben. Jede Schallwelle, die von der Stimmgabel ausgeht, wird nun von einer Gegenwelle ausgebremst. Der Kammerton verstummt.
Das Prinzip ist nicht neu. Es wird etwa genutzt in größeren Pkw für die Dämpfung von Motorgeräuschen. Die Industrie verwendet dafür bisher Piezomaterialien, die aber nicht unproblematisch sind. William Kaal:
"Piezomaterialien sind in der Regel spröde und steif, das heißt: sie können keine größeren Bewegungen ertragen."
Sie können deshalb keine niederfrequenten Schwingungen, also tiefe Töne, ausgleichen. Außerdem sind sie recht teuer und auch ihr ökologischer Fußabdruck ist ziemlich tief. Sie enthalten zum Beispiel Blei.
William Kaal und sein Kollege Jan Hansmann hoffen nun, dass sie eine Alternative entwickeln können, und zwar mit dem Einsatz elektroaktiver Elastomere. William Kaal:
"Grundsätzlich können da ganz verschiedene Materialien in Frage kommen, Hauptsache es sind elastische Materialien - Silikone, Acrylate, Latex, ganz unterschiedlich. Elastomer ist quasi der Oberbegriff für alle Materialien, die sich elastisch verformen können."
Elektroaktive Materialien verändern ihre Eigenschaften, wenn ein Strom angelegt wird. Da aber weder Piezokristalle noch Kunststoffe Strom leiten, müssen sie dazu mit einem leitenden Material versehen werden. William Kaal beschichtet deshalb eine dünne Elastomerfolie mit zwei Elektroden in Form hauchdünner Metallnetze. Wird nun eine Spannung angelegt, ziehen die Elektroden einander elektrostatisch an und drücken so die Elastomerschicht zusammen. Beim Wegfall der Spannung nimmt der Kunststoff wieder seine ursprüngliche Form an. Durch Anlegen einer gepulsten Spannung erzeugt dieser sogenannte Aktor eine Schwingung.
Nur um etwa fünf Tausendstel Millimeter verformt sich die Elastomerschicht, die selbst nur ein Zehntel Millimeter stark ist. Zeigen können die Forscher die Bewegung daher nicht. Zur Demonstration der Wirkung haben sie ein Modell zusammengebaut, das die Schwingungen hörbar machen kann: eine flache Schachtel in der Größe eines kleinen Notizblocks mit einer centgroßen Scheibe in der Mitte. William Kaal stellt ein kleines Gewicht auf die Scheibe.
"Also ich habe hier jetzt einen solchen Elastomeraktor, den ich ansteuern kann mit einem Funktionssignalgenerator, an dem ich die Frequenz beliebig einstellen kann. Und jetzt kann ich auch in den hörbaren Frequenzbereich gehen. Das sind 100 Hertz, die man als leichtes Brummen wahrnimmt - Brummen, ansteigende Töne von Infra- bis Ultraschall - , 200, 300, 400 ... bis irgendwann die Hörgrenze erreicht ist."
Eine schall- beziehungsweise vibrationsdämmende Wirkung ergäbe sich, wenn eine Steuerung die Frequenz so einstellt, dass sie eine Gegenschwingung zu einer vorhandenen Welle formt.
Elektroaktive Elastomere sind billiger, umweltfreundlicher und beweglicher als Piezokristalle. Problematisch ist allerdings, dass die Kunststoffe bei steigenden Temperaturen weicher werden. Dabei beeinflusst nicht nur die Außentemperatur das Material, es erwärmt sich vielmehr auch selbst durch den Betrieb.
Wenn jedoch diese Probleme gelöst werden können, stellen sich die Wissenschaftler ein breites Anwendungsspektrum für ihre Entwicklung vor. Dazu gehört nicht nur der vibrationsdämmende Einsatz. Jan Hansmann:
"Denkbar ist natürlich auch die Variante, dass eine Schwingung vorhanden ist, die in den Aktor eingeleitet wird und dann der Effekt andersherum genutzt wird und entsprechend Strom abgezogen werden kann. Der Akustische Einsatz ist denkbar, sodass man den Aktor mit einer entsprechend großen Abstrahlungsfläche als Lautsprecher nutzt."