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F.A.Z. v. 24.11.1999

Solitäre Schallwellen im Eisenbahntunnel

Lärmschutz für Hochgeschwindigkeitszüge / Abzweigende Sackgassen / Von Rainer Scharf

Wenn sich ein intensiver Schall, zum Beispiel als Folge einer Explosion, in der Luft ausbreitet, so verändert sich die Form seiner Wellen auf dramatische Weise: Sie verwandeln sich in so genannte Stoßwellen, die die Luftmoleküle abrupt in heftige Bewegung versetzen und die Luft stark komprimieren. Eine Stoßwelle wird als scharfer Knall oder sogar als Erschütterung wahrgenommen. Schon 1859 hatte der deutsche Mathematiker Bernhard Riemann eine Erklärung für die Entstehung von Stoßwellen gegeben. Je größer die Intensität des Schalls ist, je stärker die Luft also komprimiert wird, um so schneller breitet sich die Welle aus. Deshalb holt das Zentrum eines Wellenzuges, in dem die Intensität am größten ist, die vorauslaufende Wellenfront ein. Das Intensitätsprofil des Wellenzuges wird dabei immer steiler, bis es schließlich einen sprunghaften Anstieg zeigt.

Bisher schien es, als würden sich die Wellen bei hinreichend intensivem Schall unweigerlich in Stoßwellen verwandeln. Doch jetzt haben japanische Wissenschaftler an der Universität von Osaka entsprechende Schallwellen erzeugt, bei denen dies nicht der Fall ist: Ihre Form bleibt unverändert und stetig.

Die Wissenschaftler um Nobumasa Sugimoto hatten nach Wegen gesucht, zu verhindern, dass sich der ohrenbetäubende Lärm eines Hochgeschwindigkeitszuges in einem langen Eisenbahntunnel zu einer Stoßwelle verdichtet. Trifft solch eine Stoßwelle auf einen entgegenkommenden Zug, so kann sie die Reisenden erheblich beeinträchtigen. Wie die Berechnungen der Wissenschaftler gezeigt hatten, können kurze Sackgassen, die in regelmäßigem Abstand vom Tunnel abzweigen, dessen akustische Eigenschaften so verändern, dass keine Stoßwellen entstehen. Die Wellen laufen dann durch den Tunnel, ohne ihre Form zu verändern. Man spricht auch von solitären Wellen.

Schon 1834 hatte der schottische Physiker Scott Russel auf Wasseroberflächen solitäre Wellen beobachtet, die in einem Kanal eine Strecke von mehreren Kilometern zurücklegten, ohne ihre Form zu ändern. Dabei hielten sich die Dispersion der Welle - also ihre Tendenz, in Teilwellen auseinander zu laufen - und ihre Neigung, sich aufzusteilen, die Waage. Die Dispersion von Schallwellen in Gasen ist aber wesentlich schwächer als die der Wasserwellen. Deshalb kann sie normalerweise nicht verhindern, dass Stoßwellen entstehen. Die Sackgassen in den Tunnelwänden sollen aber den Berechnungen zufolge die Dispersion der Schallwellen so weit verstärken, dass sich auch in der Luft solitäre Wellen bilden können. Ein Experiment hat nun gezeigt, dass dies tatsächlich der Fall ist.

Die Wissenschaftler haben ein gut sieben Meter langes Stahlrohr von acht Zentimeter Durchmesser mit mehr als hundert Seitengängen von der Größe eines Tischtennisballs versehen, die sie in regelmäßiger Folge abwechselnd rechts und links an der Röhre anbrachten ("Physical Review Letters", Bd. 83, S. 4053). Die beiden Enden der Röhre wurden mit Platten verschlossen. In einer der Platten befand sich ein Ventil, über das die Röhre für kurze Zeit mit einem Druckluftbehälter verbunden wurde. Daraufhin strömte Druckluft in die Röhre, und es entstand ein lokaler Überdruck, der sich als Schallwelle fortpflanzte.

Mit Mikrofonen, die an zahlreichen Stellen in der Röhre angebracht waren, konnte man verfolgen, wie sich die Form der Schallwelle mit der Zeit veränderte. Nachdem die Welle durch die Röhre gelaufen und an deren Ende reflektiert worden war, hatte sie eine weitgehend stabile Form erreicht: Sie war zur solitären Welle geworden. Als die Wissenschaftler dieses Experiment hingegen mit einer glatten Stahlröhre wiederholten, von der keine Seitengänge abzweigten, steilte sich das Profil der Schallwelle schon nach kurzer Laufstrecke auf, und es entstand eine Schockwelle.

Durch geeignete bauliche Maßnahmen sollte es also tatsächlich möglich sein, die Entstehung von Stoßwellen in Eisenbahntunneln zu verhindern. In ähnlicher Weise ließen sich auch unerwünschte Stoßwellen unterdrücken, die durch Kompressoren und andere Maschinen erzeugt werden. Darüber hinaus sieht Nobumasa Sugimoto die Möglichkeit, die von ihm entdeckten akustischen "Solitonen" auch zur Übertragung von Wärme und mechanischer Energie zu nutzen. Durch die Erforschung und Nutzung intensiver Schallwellen eröffnen sich ungeahnte Möglichkeiten. 
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