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Membranfreies optisches Mikrophon

Dr. Balthasar Fischer,
XARION Laser Acoustics GmbH, Österreich

Hören mit Licht

Herkömmliche Mikrofone messen den Effekt von Schallwellen auf eine Membran oder einen anderen Schallaufnehmer. Das funktioniert zwar sehr gut, hat aber technische Grenzen. Gewicht und Maße der Membran bestimmen einen relativ kleinen Frequenzbereich, in dem herkömmliche Mikrofone gut funktionieren. Für den Frequenzbereich, den das menschliche Ohr wahrnimmt, reicht dies gut aus.

Das membranlose Lasermikrofon von Dr. Balthasar Fischer kann jedoch viel mehr und zeigt seine Stärken in der akustischen Messtechnik, etwa für zerstörungsfreie Untersuchungen mit Ultraschall, die Prozesskontrolle bei Werkzeugmaschinen oder in der Medizintechnik als Sensor für die Photoakustik.

Nach dem Physikstudium in seiner Heimat Schweiz hatte Fischer in Wien Tonmeister studiert. Mit einem Bein in der Tonwelt und einem in der Physik entwickelte er das grundlegende Konzept eines Mikrofons ohne Membran. Ein Mikrofon, das die Schwingung der Luft selbst ohne mechanische Vermittlung erfassen kann. Die Idee: Schwingungen der Schallwellen bestehen aus einem Wechsel von dichterer und dünnerer Luft – oder Flüssigkeit. Die Dichte eines Stoffes beeinflusst die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht, das ist von Brechungseffekten wie dem scheinbar geknickten Löffelstiel in einem Glas Wasser bekannt. Diesen Effekt nutzt Fischer, indem er die periodische Änderung der Lichtgeschwindigkeit eines Laserstrahls zwischen zwei Spiegeln misst, die entsprechend auftreten, wenn Schallwellen zwischen ihnen hindurchgehen.

Mit seiner patentierten Idee ging Balthasar Fischer an die Technische Universität Wien und ließ sie im Rahmen einer Doktorarbeit Gestalt annehmen. 2012 war die Technik so weit ausgereift und potenzielle Anwendungen so greifbar, dass er die Kommerzialisierung mit der Gründung von Xarion Laser Acoustics selbst in Angriff nahm.

Die Vorteile seines Mikrofons sind der sehr große Frequenzbereich, 60 Mal größer als der Bereich des menschlichen Hörspektrums, eine sehr hohe Empfindlichkeit für „leise Töne“ sowie Robustheit gegenüber Körperschallübertragungen oder Störungen durch elektromagnetische Wellen. Die breite spektrale Empfindlichkeit für Ultraschallwellen erlaubt die frühzeitige Erkennung von Verschleiß im Maschinenbau. Und die große Bandbreite zusammen mit der höheren Empfindlichkeit erlaubt eine deutliche Erhöhung des Auflösungsvermögens von Ultraschalluntersuchungen, zum Beispiel, um kleine Defekte in Karbonfaserbauteilen zu finden, die sich mit herkömmlichen Ultraschallsensoren nicht erkennen lassen. Ein weiteres Gebiet eröffnet sich dem membranlosem Sensor in der medizinischen Bildgebung. Erste Bilder sind sehr vielversprechend und bezogen auf die Sensorgröße ist die Empfindlichkeit höher als bei den bisher in der Medizintechnik typischerweise verwendeten piezoelektrischen Sensoren.

Doch Fischer denkt mit seiner Firma noch weiter. Eine zweite Chip-basierte Mikrofon-Generation soll im nächsten Schritt weitere Anwendungen erschließen, durchaus auch für Konsumenten. Dann könnte neben einer Anwendung für Antischall auch der Einsatz als genaues Richtmikrofon im Automobil ins Spiel kommen.

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5 Bilder

Filmportrait, 5'26min
Produktion: Menschenbilder.tv

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