Optisches Hydrophon: Ein Unterwassermikrofon so empfindlich wie Orca-Ohren
Das Hörvermögen mancher Meeressäuger ist selbst in großen Tiefen noch extrem gut – zumindest besser und flexibler als das herkömmlicher Unterwassermikrofone. Forscher der Stanford University haben dies nun als Herausforderung genommen, ein vergleichbar gutes Mikrofon zu bauen: Ihr neu entwickeltes Gerät könne in jeder Wassertiefe eingesetzt werden und einen Lautstärkebereich wahrnehmen, der von "einem leisen Flüstern in der Bibliothek" bis zur "Explosion einer Tonne TNT in 20 Meter Entfernung" reiche, wie Entwickler Onur Kilic berichtet.
Damit decke das Mikrofon einen Schalldruckpegelbereich von rund 160 Dezibel ab, so der Forscher. Existierende Unterwassermikrofone seien weit weniger empfindlich und büßten zudem mit zunehmender Wassertiefe an Leistung ein.
Das Problem von Unterwassermikrofonen ist, dass die Membran, die von den Schallwellen in Schwingungen versetzt wird und diese Bewegung in elektrische Signale übersetzt, beidseitig von Wasser umflossen sein muss. Andernfalls würde der steigende Wasserdruck die Luft auf der einen Seite zusammenpressen und das dünne Häutchen zum Zerreißen bringen. Wasser dämpft allerdings die Schwingungen, was zu Lasten der Empfindlichkeit des Geräts geht.
Wale und andere Meeressäuger registrieren daher unter Wasser den durch Knochen übertragenen Schall. Kilic und Team umgingen die Schwierigkeit, indem sie die Schwingungen mit Hilfe eines Lasers erfassten. So konnten sie nach eigenen Angaben Auslenkungen der Membran registrieren, die im Bereich von hunderttausendstel Nanometer lagen – die Membran bewegte sich dabei um etwa das Zehntausendstel eines Atomradius. Das gelang ihnen, indem sie die Intensität des von der Membran reflektierten Laserlichts maßen. Die 500 Nanometer dicke Membran integrierten sie in einen Siliziumchip und durchlöcherten sie, um das Wasser durchzuleiten. Das regelmäßige Lochmuster erfüllte jedoch noch einen weiteren Zweck: Normalerweise wäre eine Membran dieser Dicke durchsichtig, der Laser würde also kaum reflektiert werden. Die Forscher stimmten die Größe der Löcher jedoch auf die Wellenlänge des Lasers ab. Ein optisches Phänomen – vergleichbar den Vorgängen in einem photonischen Kristall – sorgt auf diesen Größenmaßstäben dann dafür, dass die Membran wie ein Spiegel wirken kann.
Um den angepeilten Schalldruck- und Frequenzbereich (1 Hertz bis 100 Kilohertz) erfassen zu können, verwendeten Kilic und Kollegen insgesamt drei Membranen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten, die sie alle in dem nur erbsengroßen Mikrofonkörper unterbrachten.
Nach Angaben der Wissenschaftler gebe es einen breiten Anwendungsbereich für ihre Erfindung. Er reiche vom Einsatz in Sonaren bis hin zu biologischen oder ozeanografischen Horchstationen. Mit einem Raster aus Unterwassermikrophonen lauschten Physiker auch schon nach dem Echo von Neutrinokollisionen im Ozean. Hier könnten sich die sensiblen Hydrophone seines Teams ebenfalls als nützlich erweisen, hofft der Forscher. (jd)
Damit decke das Mikrofon einen Schalldruckpegelbereich von rund 160 Dezibel ab, so der Forscher. Existierende Unterwassermikrofone seien weit weniger empfindlich und büßten zudem mit zunehmender Wassertiefe an Leistung ein.
Das Problem von Unterwassermikrofonen ist, dass die Membran, die von den Schallwellen in Schwingungen versetzt wird und diese Bewegung in elektrische Signale übersetzt, beidseitig von Wasser umflossen sein muss. Andernfalls würde der steigende Wasserdruck die Luft auf der einen Seite zusammenpressen und das dünne Häutchen zum Zerreißen bringen. Wasser dämpft allerdings die Schwingungen, was zu Lasten der Empfindlichkeit des Geräts geht.
Wale und andere Meeressäuger registrieren daher unter Wasser den durch Knochen übertragenen Schall. Kilic und Team umgingen die Schwierigkeit, indem sie die Schwingungen mit Hilfe eines Lasers erfassten. So konnten sie nach eigenen Angaben Auslenkungen der Membran registrieren, die im Bereich von hunderttausendstel Nanometer lagen – die Membran bewegte sich dabei um etwa das Zehntausendstel eines Atomradius. Das gelang ihnen, indem sie die Intensität des von der Membran reflektierten Laserlichts maßen. Die 500 Nanometer dicke Membran integrierten sie in einen Siliziumchip und durchlöcherten sie, um das Wasser durchzuleiten. Das regelmäßige Lochmuster erfüllte jedoch noch einen weiteren Zweck: Normalerweise wäre eine Membran dieser Dicke durchsichtig, der Laser würde also kaum reflektiert werden. Die Forscher stimmten die Größe der Löcher jedoch auf die Wellenlänge des Lasers ab. Ein optisches Phänomen – vergleichbar den Vorgängen in einem photonischen Kristall – sorgt auf diesen Größenmaßstäben dann dafür, dass die Membran wie ein Spiegel wirken kann.
Um den angepeilten Schalldruck- und Frequenzbereich (1 Hertz bis 100 Kilohertz) erfassen zu können, verwendeten Kilic und Kollegen insgesamt drei Membranen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten, die sie alle in dem nur erbsengroßen Mikrofonkörper unterbrachten.
Nach Angaben der Wissenschaftler gebe es einen breiten Anwendungsbereich für ihre Erfindung. Er reiche vom Einsatz in Sonaren bis hin zu biologischen oder ozeanografischen Horchstationen. Mit einem Raster aus Unterwassermikrophonen lauschten Physiker auch schon nach dem Echo von Neutrinokollisionen im Ozean. Hier könnten sich die sensiblen Hydrophone seines Teams ebenfalls als nützlich erweisen, hofft der Forscher. (jd)
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