Wovon der klang abhangt Ob Flugzeugturbine, Dieselmotor oder menschlicher Stimmbildungsapparat – Stefan Schoder berechnet den von ihnen erzeugten Schall anhand von Computermodellen.
ie für viele Menschen auf der Welt ist die Übertragung des Neujahrskonzerts der Wiener Philharmoniker auch für Stefan Schoder ein jährliches Kultur-Highlight. Seine Forschernatur kann er dabei aber nicht verleugnen. „Mir ist dann immer bewusst, dass die schönen Klänge ausschließlich auf Strömungsakustik und Vibroakustik beruhen“, sagt er. „Es ist ungeheuer spannend, die Mechanismen dieser Schallphänomene zu ergründen.“Sie faszinieren ihn natürlich in allen ihren Ausprägungen. „Luftströmungen und Vibrationen erzeugen Turbulenzen und Schwingungen und damit Töne. Nicht nur Instrumente, sondern auch unsere Stimme funktioniert auf diese Weise, und deshalb machen Triebwerke von Flugzeugen oder Autos Lärm.“
Schoder ist Assistenzprofessor am Fachbereich Vibro- und Aeroakustik des Instituts für Theorie und Grundlagen der Elektrotechnik der TU Graz. „Es ist ein relativ neues Gebiet, auf dem es national und international viel Forschungsbedarf gibt“, so der 31-Jährige. „Auch Unternehmen haben großes Interesse.“Und die Medizin. Man wisse zum Beispiel noch wenig darüber, wie die bemerkenswerte Vielfalt an Lauten entsteht, die der menschliche Stimmapparat hervorbringt. In einem gemeinsamen Projekt mit der Uni-Klinik Erlangen (D) hat er ein Simulationsmodell entwickelt, mit dem man individuelle Stimmeigenschaften analysieren kann.
Strom der Atemluft berechnen
Es basiert auf physikalischen Gleichungen von Strömung und Akustik, die mit numerischen Verfahren aus der Mathematik gelöst werden. „Wir berechnen den Strom der Atemluft und die damit verbundene Akustik direkt ab der Lunge über die Stimmlippen und den Kehlkopf bis zum Mund und untersuchen, wie der Klang der Stimme von den geometrischen Gegebenheiten abhängt.“So wird die Stimme etwa hauchig, wenn sich die Stimmlippen krankheitsbedingt nicht mehr richtig schließen. „Mit unserem Modell können wir vorhersagen, ob ein chirurgischer Eingriff sinnvoll ist und eine Risikoeinschätzung geben.“Nach Abschluss der ersten Projektphase hofft Schoder nun auf eine Verlängerung. „Dann wollen wir die diversen Operationsmöglichkeiten für Kehlkopferkrankungen bewerten, das medizinische Verständnis der Stimme erweitern und dazu beitragen, neue Therapien zu finden.“
In einem anderen Projekt geht es darum, den Schall dort zu dämpfen, wo er für die Allgemeinheit besonders quälend ist: in der Luftfahrt. Dabei ist Schoders Forschungsobjekt das Triebwerk eines elektrischen Flugzeugs, das ein Kooperationspartner gerade entwickelt. Zwar fällt hier das Geräusch des Verbrennungsmotors weg, die verwirbelten Luftströmungen und mechanischen Schwingungen in den Triebwerken machen aber trotzdem Krach. Im Schall-Labor haben Schoder und sein Team untersucht, an welchen Positionen im Triebwerk
Schall entsteht. „Wie beim Auto hängt das Geräusch auch beim Flugzeug maßgeblich von der Drehzahl des Antriebs ab. Darum haben wir Messungen in einem weiten Drehzahlbereich durchgeführt.“Durch eine von ihnen entworfene Konstruktion zur Schallabsorption haben die Forscher die Lautstärke bereits deutlich verringert und arbeiten jetzt an weiteren Optimierungen.
Maschinen haben den Mostviertler Bauernsohn von klein auf interessiert. „Ich wollte unbedingt wissen, wie sie funktionieren“, erzählt er. „Meine Eltern haben mich auch immer ermutigt, meiner Neugier nachzugehen.“Nach der Mechatronik-HTL am Linzer Technikum arbeitete er zwei Jahre als Maschinenkonstrukteur bei Voestalpine, bevor er mit dem Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen – Maschinenbau an der TU Wien begann und seine Forschungsleidenschaft entdeckte. „Bei einem Aufenthalt an der TU Delft kam ich mit Computersimulationen zur Berechnung naturwissenschaftlicher Pänomene in Berührung.“Er dissertierte mit einem neuartigen Simulationsmodell für strömungsakustische Effekte und leitete dann an der TU Wien eine Gruppe in diesem Bereich. Im Juli trat er die Laufbahnstelle in Graz an. Privat erholt sich der Schallforscher am liebsten beim Outdoor-Sport und hilft gern in der elterlichen Landwirtschaft mit.
Mithilfe unserer Forschung lernen wir zu verstehen, wie Töne im Kehlkopf entstehen.