Das Korschenbroicher Interferenzmikrofon

Mit dem Physik-LK 12 als Chor
Wer sich schon etwas intensiver mit Interferometrie befaßt hat, kennt das Problem: Obwohl das Interferometer vorschriftsmäßig justiert ist, kann man das Interferenzmuster nur zeitweise oder überhaupt nicht sehen, weil es im Raum zu unruhig ist. In Wirklichkeit sind die Interferenzen zwar vorhanden, aber sie ändern sich so schnell, daß das Auge sie aufgrund seiner Trägheit nicht wahrnehmen kann. Mit einem Sensor, wie z.B. einer Fotodiode macht es dagagen keine Schwierigkeiten auch schnell veränderliche Interferenzmuster zu erfassen. Schließt man die Fotodiode über einen Verstärker an einen Lautsprecher an oder zeichnet die Signale auf, so kann man die Veränderungen des Interferenzmusters hörbar machen. Wir haben bei Experimenten mit dem Michelson Interferometer nach diesem Verfahren auf unterschiedliche Weisen Töne erzeugt und aufgezeichnet.
Der Versuchsaufbau
In der folgenden Abbildung ist unser Versuchsaufbau zu sehen: Ein normales Michelson Interferometer, bei dem im Zentrum des Interferenzmusters eine Fotodiode bzw. ein Fototransistor aufgestellt ist.

Die Abstände wurden so gewählt, daß der zentrale Fleck des Interferenzmusters die Sensorfläche überdeckte. Um den Aufbau möglichst kompakt zu halten, wurde der Fototransistor zusammen mit einem einfachen Verstärker auf einem kleinen Pertinaxplättchen (5cm x 6cm) aufgebaut. Diese Schaltung benötigt lediglich 3V Batteriespannung, und kann direkt an einen kleinen Lautsprecher angeschlossen werden. Sie hat sich bei vielen Versuchen (wie bei der Musikübertragung mittels Laserdioden) bewährt. Leute, die von Elektronik genausowenig Ahnung haben wie ich, können sich den Schaltplan herbeiklicken. Aber man kommt auch ohne diese Schaltung aus, wenn man eine Fotodiode als Fotozelle betreibt und direkt an einen NF-Verstärker anschließt.

Das Foto des Versuchsaufbaus zeigt im Vordergrund die Rückseiten der beiden Spiegel des Interferometers und den Strahlteilerwürfel. Am rechten Bildrand ist der Lichtempfänger (das Pertinaxplättchen) zu sehen. Links oben befinden sich ein kleiner Diodenlaser, eine Aufweiterlinse und rechts davon das Netzgerät für den Lichtempfänger.

Tonerzeugung mit dem Interferometer
Wenn am Sensor ein Lautsprecher angeschlossen ist, können die ersten Versuche durchgeführt werden: Klopft man sacht auf ein Teil des Interferometers oder auch nur auf den Experimentiertisch, so ertönt aus dem Lautsprecher ein Zirpen oder Zischen. Einen noch deutlicheren Effekt erhält man, wenn man ein Glasplättchen senkrecht zu Strahlverlauf in einen der beiden Interferometerarme hält, und es dann um eine Achse dreht, die ebenfalls senkrecht zur Strahlrichtung verläuft. Beim Hin- und Herdrehen des Plättchens entsteht ein Geräusch, das an das Zwitschern eines Vogels erinnert. Das Geräusch ist auf denselben Effekt zurückzuführen, der zur interferometrischen Messung des Brechungsindexes eines Gases benutzt wird: Durch die Drehung des Glasplättchens ändert sich der Weg, den das Licht im optisch dichteren Medium zurücklegen muß. Dadurch ändert sich der Gangunterschied zwischen den Interferometerarmen, und Interferenzringe verschwinden entweder in der Mitte des Interferenzmusters oder neue Ringe quellen hervor. Da das sehr rasch vor sich geht, kann man die resultierenden Helligkeitsschwankungen in Töne umsetzen.
Das Interferenzmikrofon
Die beschriebenen Versuche legen es natürlich nahe, das Interferometer mit dem angeschlossenen Sensor auch zur Tonaufzeichnung zu verwenden. Um Schallwellen wirksamer aufnehmen zu können, wurde einer der beiden Oberflächenspiegel des Interferometers durch einen gewöhnlichen Taschenspiegel (6cm x 9 cm) ersetzt, da dieser eine größere Fläche hat. In der obigen Skizze wird dieser Spiegel als Mikrofonspiegel bezeichnet. Der Ausgang des Sensors wird mit dem Eingang einer Soundkarte oder eines Kassettenrecorders verbunden.

Spricht oder singt man gegen die Rückseite dieses Spiegels, so wird er im Takt der ankommenden Schallwellen zu Schwingungen angeregt, die eine Änderung des Interferenzmusters bewirken. Allerdings ist dieser Vorgang in hohem Maße nichtlinear. Nur für kleine Amplituden kann man erwarten, daß die Helligkeitsänderung im Zentrum des Interferenzmusters in etwa proportional zur Schwingungamplitude des Spiegels ist. In diesem Fall gibt das Ausgangssignal des Sensors den empfangenen Klang (so einigermaßen) wieder. Größere Amplituden ändern jedoch die Interferenzordnung: Es quellen neue Ringe aus dem Zentrum oder es verschwinden Ringe im Zentrum. Dadurch ergeben sich zusätzliche Schwingungen mit maximaler Amplitude im Sensorsignal und dieses hat nicht mehr die geringste Ähnlichkeit mit dem aufzunehmenden Tonsignal. Das bedeutet, daß es eine von der Lautstärke abhängige optimale Entfernung zuwischen Mikrofonspiegel und Schallquelle gibt: Die Amplitude des Spiegels sollte eine viertel Wellenlänge nicht überschreiten.

Bei unseren Versuchen haben sich Abstände im Bereich zwischen 20 cm und 1,5 m (bei einer "Choraufnahme" ) als günstig erwiesen. Aber das hängt vom Aufbau, der Spiegelgröße und der Lautstärke ab und muß jeweils ausprobiert werden. Als Kostprobe stellen wir hier die Aufnahme des Anfangs eines bekannten Weihnachtslieds (gepackte WAV-Datei, ca. 90 KByte) vor, das vom Physik-LK unserer Schule gesungen wird. Die Aufnahme war nicht ganz einfach, da wegen der Empfindlichkeit des Interferometers alle Bewegungen vermieden werden mußten. An einigen Stellen der Aufnahme sind die Folgen von unabsichtlichen Bewegungen deutlich zu hören. Als die Kursmitglieder über die Erstmaligkeit der angewandten Aufnahmetechnik diskutierten, äußerte einer von ihnen (Originalzitat): "So blöd ist doch niemand, Musik auf diese Weise aufzunehmen". Die einzige Ergänzung, die einem dazu einfällt, lautet: "außer vielleicht Physiker".

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