15.05.2014

Wissenschaftliche Abteilung, Französische Botschaft in der Bundesrepublik Deutschland

Wie Seifenschaum Geräusche dämpft

Seifenschaum kann Geräusche nicht nur dämpfen, sondern deren Ausbreitung und Übertragung in einer breiten Palette von Frequenzbereichen sogar vollständig blockieren. Physiker des französischen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS) und der Universität Paris Diderot und Rennes 1 (Bretagne) haben dieses Phänomen untersucht. Ihre Ergebnisse [1] könnten bei der Entwicklung von Schallsonden zur Anwendung kommen, mit deren Hilfe die Qualität von Industrieschaumprodukten, die vor allem in der Mineralöl- und Bergbauindustrie eingesetzt werden, kontrolliert wird.

Das übliche Messverfahren ist einfach: Dem zu analysierenden Material wird ein Impuls versetzt, wodurch jedes Teilchen mit seinen Nachbarn zusammenstößt und dabei seine Impulsenergie weitergibt. Dadurch entsteht eine Schallwelle (eine periodische Dichteschwankung) im Werkstoff, die schließlich auf ein Hindernis trifft (Materialoberfläche oder -fehler), als Echo zurückgeworfen und von einem Empfänger (Sensor) aufgenommen wird. Über die so ermittelte Schallgeschwindigkeit lassen sich Rückschlüsse auf die Materialdichte und -fehler ziehen. Zur Anwendung dieses Verfahrens auf Schaumprodukte benötigen die Forscher akustische Sensoren, die die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit innerhalb des Schaums messen. Aber nicht jeder Schaum enthält leitfähige Flüssigkeiten.

Die Eigenschaften des Schaums sind schwer zu beurteilen. Fakt ist jedoch, dass der Schall durch den Schaum blockiert wird. Im Rahmen eines durch die französische Forschungsförderagentur (ANR) geförderten Projekts haben die Akustiker und Schaumspezialisten des CNRS entscheidende Fortschritte bei der Erklärung dieses Phänomens gemacht. Sie konnten aufzeigen, dass die Schallausbreitung stark von der genutzten Schallwellenfrequenz abhängt.

Schaum besteht zu 90% aus Luft und zu 10% aus Flüssigkeit, die sich zwischen den Grenzflächen (große Oberfläche, geringe Masse) und den sie unterstützenden Kanälen (kleine Oberfläche, große Masse) verteilt. Die durch die Schallwelle ausgelöste Luftvibration wirkt auf die Grenzflächen, die wiederum auf die Kanäle wirken. Bei niedrigen Frequenzen ist die Schallgeschwindigkeit gering (30 m/s); der Ton wird durch die koordinierte Bewegung von Grenzflächen und Kanälen abgebremst, aber nicht blockiert; bei höheren Frequenzen ist die Schallgeschwindigkeit höher (220 m/s); nur die Grenzflächen werden angeregt und der Schall geht fast ungebremst hindurch. Bei mittleren Frequenzen hingegen wird die Schallwelle blockiert. Die Grenzflächen verhalten sich anormal und bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung, d.h. sie bewegen sich nach links, wenn die durch die Schallwelle bewegte Luft sie eigentlich nach rechts drücken müsste. Dadurch wird eine Verschiebung der Kanäle verhindert, der Schall wird blockiert. Die Durchlassgeschwindigkeit hängt demzufolge von der Gestalt des Schaums ab.

Diese Arbeiten ebnen den Weg für die Entwicklung neuer akustischer Sonden, mit denen die Qualität der immer häufiger in der Industrie und dem täglichen Leben eingesetzten Schaumprodukte überprüft werden kann.

Quelle:
[1] Originalpublikation: Resonant Acoustic Propagation and Negative Density in Liquid Foams. J. Pierre, B. Dollet, and V. Leroy. Physical Review Letters. 11 avril 2014. DOI: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.148307