Hören mit Licht

Aus Räumen mit schalldichten Fenstern dringt kein Laut. Dank eines neuartigen Mikrofons kann man den Schall darin dennoch hören. Dafür analysiert es schwingende Papierschnipsel und Pflanzenblätter. Aus diesen Vibrationen lassen sich dann gesprochene Wörter und sogar Musik rekonstruieren. Wie die Entwicklerinnen und Entwickler in der Fachzeitschrift „Optics Express“ berichten, seien dazu lediglich einige günstige Leuchten und optoelektronische Komponenten nötig.

Funktionsweise des neuartigen Mikrofons

Für das Lichtmikrofon beleuchtete die Gruppe um Xu-Ri Yao von der Technischen Universität Peking ein frei flatterndes Stück Papier oder das Blatt einer Pflanze mit einer einfachen Halogenlampe. Diese geraten durch Schallwellen in leichte Schwingungen, wenn Wörter gesprochen werden oder Musik spielt. Die Schwingungen sind zwar kaum sichtbar, beeinflussen jedoch, wie Lichtwellen reflektiert werden. Das machte sich das Team zunutze und fokussierte das reflektierte Licht durch eine Linse auf ein Areal mit tausenden winzigen Mikrospiegeln. Diese kippten – elektronisch gesteuert – bis zu 20 000 Mal pro Sekunde um zwölf Grad hin und her. So lenkten die Spiegel abhängig von der Schwingung der Papier- oder Pflanzenblätter mal mehr, mal weniger Licht auf einen Sensor. Dieser misst, wie hell das Licht leuchtet. Mit einer speziellen Analysesoftware konnten die Forschenden wieder die Form der ursprünglichen Schallwellen rekonstruieren und mit einem einfachen Lautsprecher zum Erklingen bringen.

Kein perfekter Klang – aber kostengünstige Bauelemente

Auf diese Weise gelang es dem Team um Yao, mit dem Prototypen gesprochene Zahlen und sogar die ersten Takte des Beethoven-Stücks „Für Elise“ aufzuzeichnen. Die Qualität dieser Aufzeichnungen hinkte zwar weit hinter der von einfachen Mikrofonen hinterher. Doch reichte sie aus, um die gesprochenen Wörter klar zu hören oder die Musiksequenz zu erkennen.

Das Lichtmikrofon eignete sich besonders gut, um tiefere Frequenzen zwischen 300 und 1000 Hertz aufzunehmen, höhere Frequenzen rekonstruierte es dagegen nur verzerrt. Darunter leidet zwar die Qualität der Tonaufnahmen, doch verständlich sind sie allemal. Zudem benötigt das Lichtmikrofon weder Laser noch eine teure Hochgeschwindigkeitskamera und lässt sich so prinzipiell günstig fertigen. Auch muss es nur ein Bruchteil der Daten hochauflösender Kameras verarbeiten. Dadurch lassen sich Geräusche über viele Stunden mit relativ kleinen Datenspeichern aufzeichnen.

Mithilfe des entwickelten Aufbaus rekonstruierten die Forschenden während ihrer Tests klare Audiosignale. Das Video kombiniert die Schallwellenformen mit dem rekonstruierten Klang.