Je leest:

Luidspreker voor onder water

Luidspreker voor onder water

Auteur: | 17 juni 2010

Een velletje van koolstofnanobuisjes kan geluid produceren, zo toonde onderzoek anderhalf jaar geleden al aan. Een nieuwe studie laat zien dat het ook onder water goed blijkt te werken. Dat is interessant voor onderzeëers die met sonar werken.

Het principe van sonar.
Wikimedia Commons

De diepe oceanen herbergen veel geheimen. Als leidraad in de duisternis hebben onderzeëers onder andere de beschikking over sonar: geluidsgolven die terugkaatsen op een voorwerp en daarmee de grootte, locatie en snelheid hiervan blootleggen. De projectoren die het geluid moeten produceren zijn vrij zwaar en duur. Er is behoefte aan een lichte en goedkope variant. Koolstofnanobuisjes kunnen die misschien bieden.

Dit klinkt in eerste instantie wat vreemd in de oren. Waren koolstofnanobuisjes niet die opgerolde laagjes koolstofatomen met veelbelovende toepassingen in medicijntransport, elektronica of ruimteliften? Inderdaad, maar eind 2008 liet een Chinees onderzoeksteam al zien dat uit een velletje van koolstofnanobuisjes ook geluid kan komen. Zo werd de lichte en transparante luidspreker aan het rijtje toepassingen toegevoegd. Zo’n velletje bovenop een LCD-scherm zou de standaard speakers kunnen vervangen, dachten de Chinezen.

Hoe werkt een luidspreker?

Soundeducation.nl

De meeste luidsprekers zijn elektrodynamisch. Ze bestaan uit een spoel, een conus en een magneet. De magneet creëert een constant magnetisch veld. Het geluid, in de vorm van een variabele wisselstroom, vloeit door de spoel en maakt een wisselend magnetisch veld. Het verschil tussen de twee magnetische velden zorgt voor een wisselende kracht op de windingen van de spoel: ze gaan trillen. De windingen zijn verbonden met de conus, een dun membraan van papier of kunststof, dat dus mee gaat trillen. De conus brengt op zijn beurt de lucht in trilling en dat hoor je als geluid.

Drukgolven

Het velletje nanobuisjes is nagenoeg transparant.

Maar hoe werkt dat dan bij zo’n velletje van koolstofnanobuisjes? In tegenstelling tot de standaard luidspreker (zie kader) zijn het bij de nanobuis geen fysieke bewegingen die de lucht laten trillen en geluidsgolven produceren. Het geluid ontstaat doordat de nanobuisjes onder invloed van elektrische stroom (het geluidssignaal) snel opwarmen en die warmte afstaan aan de omringende lucht, zodat deze uitzet. Als de stroom wordt onderbroken koelt de lucht weer net zo snel af. Het voortdurend opwarmen en afkoelen genereert drukgolven. Die golven vormen het geluid dat je hoort. Bekijk dit filmpje maar eens.

Het vlaggetje bevat een velletje nanobuisjes. Je hoort het, de bewegingen van de vlag hebben geen invloed op de kwaliteit.

Zuiger

Een Amerikaanse onderzoeksgroep van het Alan G. MacDiarmid NanoTech Instituut in Dallas heeft nu laten zien dat dit principe ook nog eens onder water goed werkt. Dat komt door het hydrofobe karakter van de nanobuisjes: water wordt afgestoten. Dat resulteert in een dunne omhulling van lucht rondom het velletje. Deze lucht wordt voortdurend verkleind en vergroot door de wisselende temperatuur, daarbij het water duwend als een soort zuiger. Op deze manier kon geluid onder water worden geproduceerd.

De testopstelling van het experiment. Het velletje nanobuisjes bevindt zich tussen de twee zwarte elektroden.

Het lukte om geluid te maken met uiteenlopende frequenties: tussen 1 Hz en 100 kHz (100.000 Hz). Ter vergelijking: wij mensen kunnen geluiden horen tussen 20 Hz en 20 kHz. Bij sonar worden voornamelijk frequenties onder 4 kHz gebruikt. De nanobuisjes bleken deze frequenties met beduidend betere efficiëntie te produceren dan traditionele sonarapparatuur. De kracht van de nanobuisjes zit in hun enorm lage warmtecapaciteit, de hoeveelheid warmte die je moet toevoegen aan een voorwerp om de temperatuur te doen stijgen. Een nanobuisje warmt zeer snel op en koelt ook weer snel af.

Onvindbaar

De resultaten beperken zich nog tot een testopstelling in het lab, maar volgens Ali Aliev, leider van het onderzoeksteam, zijn de velletjes van nanobuisjes ideaal voor sonar. “Ze zijn licht, slechts 20 micrometer dik en kunnen eenvoudig over het glooiende oppervlak van een onderzeeër geplakt worden”, zegt hij in een begeleidend persbericht. En wat voor onderzeeërs misschien nog wel het belangrijkste is: met de juiste frequentie kunnen geluiden van de onderzeeër, bijvoorbeeld van de motor, of sonarsignalen van andere (vijandige) onderzeeërs uitgedoofd worden door interferentie. En dat maakt je praktisch onvindbaar.

Bron: Underwater Sound Generation Using Carbon Nanotube Projectors, A. Aliev e.a., Nano Letters, 27 mei 2010

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 17 juni 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.