„Ich bin dein Mauerbrecher!“ Luft & Wasser: ...

Wussten Sie, dass es zwischen Luft und Wasser eine „Wand“ gibt?

Überlegen Sie, ob Sie schon einmal die Rufe der Fische am Ufer gehört haben? (Zweifle nicht daran, Fische können wirklich Geräusche machen)

Wussten Sie außerdem, dass es bei Synchronschwimmwettbewerben sowohl über als auch unter Wasser Tonanlagen gibt?

Bildquelle: Veer Gallery

Diese Erfahrung scheint uns zu sagen , dass es schwierig ist, eine Welt des Klangs in der Luft und unter Wasser zu teilen . An der Schnittstelle zwischen Luft und Wasser scheint der Schall auf eine „eiserne Wand“ zu stoßen. Warum ist das so? Wie kann man diese „Mauer“ durchbrechen?

Die Energieintensität des Schalls wird beim Durchgang durch die Wasser-Luft-Grenzfläche um das Tausendfache reduziert .

Dies beginnt bei den Ausbreitungseigenschaften von Schall in unterschiedlichen Medien.

Wie wir alle wissen, sind Schallwellen eine Art mechanischer Wellen, und die Ausbreitung von Schallwellen hängt von der Übertragung mechanischer Schwingungen im Medium ab . Die Übertragungskapazität akustischer Schwingungen ist in verschiedenen Medien unterschiedlich und dieser Unterschied in der Übertragungskapazität kann durch die akustische Impedanz des Mediums widergespiegelt werden.

Die akustische Impedanz eines Mediums wird durch das Produkt aus der Dichte des Mediums (Einheit: kg/m3) und der Schallgeschwindigkeit (Einheit: m/s) charakterisiert. Der Unterschied in der akustischen Impedanz zwischen verschiedenen Medien wird als Impedanzfehlanpassung bezeichnet. Je größer der Unterschied in der akustischen Impedanz zwischen zwei Medien ist, desto größer ist der Unterschied in der Fähigkeit der Schallwellen, sich in den beiden Medien auszubreiten.

Wenn also eine Schallwelle auf die Schnittstelle zweier Medien trifft, ist die von der Schallwelle an der Schnittstelle übertragene Energie umso geringer, je größer der Unterschied in der akustischen Impedanz zwischen den beiden Medien ist. Die Beziehung zwischen dem akustischen Energieübertragungskoeffizienten und der akustischen Impedanz der beiden Medien kann wie folgt ausgedrückt werden:

Wobei R1 und R2 die akustischen Impedanzen der beiden Medien sind.

Die Intensität der Schallenergie wird vor und nach dem Durchqueren der Wasser-Luft-Grenzfläche um das 1000-fache reduziert (Bildquelle: vom Autor gezeichnet)

Bei Wasser und Luft beträgt die akustische Impedanz von Luft bei Raumtemperatur 415 kg/m2·s, während die akustische Impedanz von Wasser 1.480.000 kg/m2·s beträgt. Der Unterschied in der akustischen Impedanz zwischen beiden beträgt etwa das 3600-fache. Wenn Schallwellen auf die Grenzfläche zwischen Wasser und Luft treffen, können daher nur 0,1 % der Schallenergie die Wasser-Luft-Grenzfläche passieren. Das heißt, die Intensität der Schallenergie wird vor und nach dem Durchqueren der Wasser-Luft-Grenzfläche um das Tausendfache abgeschwächt. Aufgrund der extrem geringen Schallübertragung zwischen Wasser und Luft ist es für Synchronschwimmer, die ins Wasser eintauchen, schwierig, die am Ufer gespielte Musik zu hören. Aus diesem Grund muss bei Synchronschwimmwettbewerben sowohl über als auch unter Wasser Audio-Equipment bereitgestellt werden.

Mit diesem Gerät ist die Wasser-Luft-Schallübertragung kein Traum mehr~

Wie lässt sich eine medienübergreifende Schallübertragung zwischen Wasser und Luft erreichen?

Da die geringe Schallübertragung an der Schnittstelle zwischen Wasser und Luft auf den enormen Impedanzunterschied zwischen Wasser und Luft zurückzuführen ist, müssen wir lediglich eine akustische Impedanzbrücke zwischen Wasser und Luft bauen (wie durch die grüne Kurve in der Abbildung unten dargestellt), um diesen Impedanzunterschied auszugleichen!

Schematische Darstellung (Bildquelle: vom Autor gezeichnet)

Mit dieser „Brücke“ kann Schall entlang des allmählichen Impedanzgradienten zwischen Wasser und Luft „fließen“, wie durch das gelbe Signal in der Abbildung dargestellt.

Klingt das nicht ganz einfach? Allerdings ist dies nicht so einfach zu erreichen, da es derzeit schwierig ist, in der Natur Materialien zu finden, die den akustischen Impedanzbereich von Wasser bis Luft abdecken. Die vorhandenen Metamaterialien auf Basis von Luft- oder Wasser-Hintergrundmedium sind nicht in der Lage, mit einem so großen Impedanzunterschied umzugehen. Daher konzentrierte sich die bisherige Forschung zur Wasser-Luft-Schallübertragung hauptsächlich auf die resonanzbasierte Schmalband-Schallübertragung, was die Anwendungsaussichten der Wasser-Luft-Schallübertragung stark einschränkte.

Vor kurzem hat das Team von Yang Jun vom Institut für Akustik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen innovativen Vorschlag für akustische Unterwasser-Metamaterialien mit Hohlkonfiguration vorgelegt, bei dem Luftkomponenten und Einheitsgeometrie als neue Freiheitsgrade bei der Anpassung eingeführt wurden, wodurch der erreichbare Bereich akustischer Parameter von akustischen Unterwasser-Metamaterialien erheblich erweitert wurde. Sie kombinierten außerdem die akustischen Metamaterialien, die aus periodisch angeordneten quadratischen Säulen in der Luft bestehen, füllten erfolgreich die akustische Impedanzlücke zwischen Wasser und Luft und entwarfen eine Wasser-Luft-Gradienten-Anpassschicht für die akustische Impedanz, wodurch eine breitbandige Übertragung akustischer Energie zwischen Wasser und Luft erreicht wurde. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift für angewandte Physik „Applied Physics Letter“ veröffentlicht und exklusiv von Scilight Weekly berichtet.

Unterwasserhohles akustisches Metamaterial (Bildquelle: Referenz 1)

Welchen Effekt kann diese Anpassungsschicht also erzielen? Die Forscher lieferten in dem Artikel ein Beispiel. Die experimentellen Testergebnisse der im Beispiel entwickelten Wasser-Luft-Gradienten-Akustikimpedanzanpassungsschicht können im Bereich von 880 Hz bis 1760 Hz eine durchschnittliche Verstärkung der übertragenen Schallenergie von 16,7 Dezibel und eine maximale Verstärkung von 25,5 Dezibel erreichen. Was ist der Pegel von 25,5 Dezibel? Dies entspricht der Installation dieser Anpassungsschicht. Im Vergleich zum Fall ohne Anpassungsschicht wird die übertragene Schallenergie um das 350-fache erhöht. Man kann sagen, dass die Mauer erfolgreich „durchbrochen“ wurde!

Wasser-Luft „die Wand durchbrechen“ hat eine größere Wirkung als Sie denken

Der kreisförmige Teil im Bild stellt das Metamaterial dar, durch das eine Wasser-Luft-Schallübertragung erreicht werden kann (Bildquelle: Institut für Akustik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Warum müssen wir dieses Material entwickeln, das eine Wasser-Luft-Schallübertragung ermöglicht?

Wenn es gelingt, Schall zwischen Wasser und Luft zu übertragen, können Synchronschwimmer nicht nur unter Wasser Musik hören, die in der Luft gespielt wird, sondern dies kann auch in breiteren Anwendungsszenarien wie der Meeresforschung eine Rolle spielen.

Bei der bisherigen Meeresforschung wird hauptsächlich auf Sonar zurückgegriffen, um den Ozean abzusuchen und aufzuspüren und die gesammelten Informationen an das Mutterschiff zu übertragen. Die Erkennungsmethoden und Übertragungswege sind kompliziert und der Informationserkennungszyklus lang. Wenn es uns gelingt, eine Wasser-Luft-Schallübertragung zu erreichen, können wir Luftschallsensorsysteme direkt zur Erkennung der Unterwasserwelt nutzen, was den Erkennungszyklus erheblich verkürzen, den Erkennungs- und Informationsübertragungsprozess rationalisieren und die Effizienz der Ozeanerkennung verbessern kann.

Neben Innovationen bei den Methoden der Meereserkundung spielt auch die Schaffung einer effektiven Schallübertragung zwischen Wasser und Luft eine wichtige Rolle bei der Verringerung der Lärmbelästigung der Meere.

Eine gemeinsame Studie der University of Hawaii und der Curtin University in Australien zeigt, dass der Lärm einer einzigen Mine im Meeresbergbau eine Reichweite von etwa 500 Kilometern erreichen kann, was ausreicht, um die Sinnesorgane der Meereslebewesen in dieser Entfernung schwer zu schädigen. Der von den bei der Öl- und Gasförderung im Meer eingesetzten Explorationsluftkanonen erzeugte Schall beträgt über 200 Dezibel. Diese Geräusche werden ständig zwischen der Wasser-Luft-Grenzfläche und dem Meeresboden reflektiert und breiten sich über Tausende von Kilometern im Ozean aus. Ein einziger Schuss aus einem Luftgewehr kann die Sterblichkeitsrate von Zooplankton um bis zu 40–60 % erhöhen.

Wenn es uns in Zukunft gelingt, wasser- und luftschalldurchlässige Geräte effektiv in Bergbau- und Segelschiffe zu integrieren, können wir diesen Meeresgeräuschen an der Wasser-Luft-Grenzfläche einen Ausweg bieten und diese im Meer schwer zu dämpfenden Geräusche zur Verbreitung und Dämpfung in die Luft übertragen und so dem Meeresleben ein friedliches Zuhause bieten.

Quellen:

[1] Ping Zhou, Han Jia, Yafeng Bi, Yunhan Yang, Yuzhen Yang, Peng Zhang, Jun Yang. Akustische Wasser-Luft-Kommunikation basierend auf Breitband-Impedanzanpassung. Angewandte Physik, Brief, 123, 191701 (2023).

Autor: Zhou Ping

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