Laser-Preise

Hören mit Licht – Das membranlose Lasermikrofon

Dr. Balthasar Fischer, Gründer und Geschäftsführer der Xarion Laser Acoustics GmbH in Wien, erhält den 1. Preis des Berthold Leibinger Innovationspreises 2016.

Man kennt sie aus Spionagefilmen: Richt-Abhörgeräte, die Laserstrahlen nutzen, um aus der Entfernung Gespräche von außen abzuhören. Der Laserstrahl vermisst die Schwingungen von Objekten und erlaubt so die Wiedergabe von Schall aus geschlossenen Räumen. Was in der Realität bei weitem nicht so gut wie im Film funktioniert, hat mit der Erfindung von Dr. Balthasar Fischer allerdings überhaupt nichts zu tun. Nicht nur weil sein Lasermikrofon hervorragend funktioniert, es arbeitet auch nach einem völlig anderem Prinzip. Es misst Schallwellen vor Ort direkt in der Luft oder in Flüssigkeiten. Damit arbeitet es auch anders als alle herkömmlichen Mikrofone. Der Einsatz liegt weniger bei Sprachaufnahmen als in der akustischen Messtechnik, etwa für zerstörungsfreie Untersuchungen mit Ultraschall, der Prozesskontrolle bei Werkzeugmaschinen oder in der Medizintechnik als Sensor für die Photoakustik.

Alle bisherigen Aufnahmen von Schall folgen dem Prinzip, den Effekt von Schall auf eine Membran oder einen anderen Schallaufnehmer zu messen. Schall besteht aus Schwingungen der Luft. Diese Schwingungen breiten sich mit Schallgeschwindigkeit aus und versetzen das, worauf sie treffen ebenfalls in Schwingung. Leichte Membrane sind daher gute Schallaufnehmer und unter Ausnutzung verschiedener elektrischer Effekte lassen sich Schallwellen in elektrische Schwingungen, also elektrische Signale umwandeln. 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 jedoch gut aus.

Wozu also ein Lasermikrofon, und was kann es besser? Balthasar Fischer kennt die Antwort. Der Schweizer hatte Physik studiert und wechselte anschließend sowohl Ort und Fach. Er studierte Tonmeister in Wien, denn neben seinem Interesse an der Physik begeistert er sich auch für Musik. Mit einem Bein in beiden Welten, der Tonwelt und der Physik, entstand aus der grundsätzlichen Fragestellung heraus, ob und wie Schall mit Licht gemessen werden könne, das grundlegende Konzept eines Mikrofons ohne Membran. Ein Mikrofon, das die Schwingung der Luft selbst ohne mechanische Vermittlung erfassen kann. Da Licht keine träge Masse hat, sollte es ein idealer Tonabnehmer sein. Doch wie? Eine Schwingung der Schallwellen besteht 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 Löffelstil in einem Glas Wasser bekannt. Fischer hatte nun die Idee, diesen Effekt zu nutzen, indem er die periodische Änderung der Lichtgeschwindigkeit eines Laserstrahls zwischen zwei Spiegeln misst, die auftreten sollten, wenn Schallwellen zwischen ihnen hindurch gehen.

Mit seiner patentierten Idee ging Balthasar Fischer an die Technische Universität Wien und ließ sie im Rahmen einer Doktorarbeit Gestalt annehmen. Nach intensiven theoretischen Vorarbeiten, konnte er schließlich demonstrieren, dass es technisch machbar war. 2012, zwei Jahre nach seiner Promotion, war die Technik soweit ausgereift und potenzielle Anwendungen so greifbar, dass er die Kommerzialisierung mit der Gründung von Xarion Laser Acoustics 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. Es ist daher verständlich, dass ein solches vergleichsweise aufwendigeres Lasermikrofon nicht in Wettbewerb zum klassischen Mikrofon für Tonaufnahmen geht. Die Vorteile des membranlosen Mikrofons will Balthasar Fischer im ersten Schritt vor allem im Industriesektor vermarkten. So erlaubt die breite spektrale Empfindlichkeit für Ultraschallwellen 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 Carbonfaserbauteilen zu finden, die sich mit herkömmlichen Ultraschallsensoren nicht erkennen lassen.

Ein weiteres Gebiet eröffnet sich dem membranlosem Sensor in der medizinischen Bildgebung. Hier haben sich erste sehr vielversprechende Bilder von Gewebe machen lassen. Die gemessene Empfindlichkeit ist – bezogen auf die Sensorgrösse – höher, als es bei den bisher in der Medizintechnik typischerweise verwendeten piezoelektrischen Sensoren überhaupt theoretisch sein kann.

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


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