Interaktive Akustik-Apps

Ob in der universitären Lehre oder im Schulunterricht – anschauliche Versuche unterstützen das Verständnis für physikalische Phänomene und können helfen, deren praktische Relevanz zu erkennen. Gleichungen und physikalische Modelle können so anders aufbereitet werden, sodass der Unterricht aufgelockert wird und gleichzeitig mehr Menschen zugänglich gemacht werden kann. Mit dem Einsatz digitaler Medien können diese Lehrinhalte auch ohne aufwändigen Versuchsaufbau in die Vorlesung eingebunden werden und, wie im Falle der vorgestellten e-Learning-Plattform, am PC oder auf dem Smartphone visualisiert und mit nach Hause genommen werden.


Mann hält Tablet mit Glocken-App (LightField Studios/Shutterstock.com)

Mit dem Einsatz digitaler Medien können Lehrinhalte auch ohne aufwändigen Versuchsaufbau in die Vorlesung eingebunden werden (Quelle: LightField Studios/Shutterstock.com; Moheit)

 

Die Idee: Akustik zum Sehen und Anfassen

Schwingungen und Akustik sind facettenreich und allgegenwärtig. Sie können wohltuend wie störend oder gar gesundheitsschädlich sein. Computergestützte Simulationen sind aus dem Berufsalltag von Ingenieurinnen und Ingenieuren in diesem Bereich nicht mehr wegzudenken, doch bleibt der Zugang zu Simulationstools bislang Experten vorbehalten. Um diese Technik und die aussagekräftigen Ergebnisse schon den Schulkindern, Studierenden oder jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zugänglich zu machen, baut der Lehrstuhl für Akustik mobiler Systeme eine e-Learning-Plattform auf, die zum Ziel hat, Interessierte an das Thema heranzuführen, weiterzubilden oder Lehrkräften mit einem „digitalen Experiment“ unter die Arme zu greifen. Dabei ist der Anspruch der Entwickler, fächerübergreifend zu denken, denn die Akustik ist ein vielseitiges Themengebiet und hat Schnittmengen zur Festkörper- und Strömungsmechanik, zum Bauingenieurwesen und zur Musik, zur Elektrotechnik und zur Thermodynamik.

Lennart Moheit entwickelt als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl in Zusammenarbeit mit studentischen Hilfskräften Simulations-Apps zu diesen Themen, die vom TUM-Lehrfonds zur Förderung ausgewählt wurden.

 Die Technik

Mit den Akustik-Apps können beispielsweise die Schwingungen von Glocken, einer Stimmgabel oder Weingläsern simuliert werden. Mit der Maus oder dem Finger auf dem Touchpad kann dabei die Form der Glocke variiert werden oder der Füllstand im Weinglas erhöht werden. Welche Auswirkung hat das auf die Frequenzen in denen die Struktur schwingt und wie sehen diese Schwingungen aus, die man sonst nur hören kann? In einer Windkanal-App kann die Windströmung über verschiedene Fahrzeuge in Abhängigkeit der Geschwindigkeit simuliert werden. Wie funktioniert der Schalldämpfer im Auspuff eines Autos und wird die Dämpfung besser, wenn er länger oder breiter ist? In anderen Apps kann simuliert werden wie sich der Schall in Konzertsälen oder in der Münchner U-Bahn ausbreitet oder wie eine Posaune funktioniert. Aber auch grundlegende physikalische Phänomene wie der Doppler-Effekt oder Beugungseffekte an Spaltgittern können simuliert und visualisiert werden.

Abbildung 1: Weinglas-App (Quelle: Moheit)

Abbildung 1: Weinglas-App (Quelle: Moheit)

 

Die Apps werden in einem üblichen Webbrowser am PC, auf dem Tablet oder Smartphone geöffnet. Schieberegler, 3-D-Ansichten oder Textfelder können bequem mit der Hand auf einem Touch-Display bewegt und gesteuert werden. Die Technik dahinter ist das Simulationsprogramm COMSOL Multiphysics, das im Hintergrund die Simulationen auf einem Server ausführt und die optische Ausgabe auf das Gerät der Nutzerin oder des Nutzers liefert.

Abbildung 2: Windkanal-App (Quelle: Moheit)

Abbildung 2: Windkanal-App (Quelle: Moheit)

 

Praktischer Einsatz und Vision

In den Veranstaltungen des Lehrstuhls für Akustik mobiler Systeme werden die Apps bereits eingesetzt. Im Hochschulpraktikum Schallabstrahlung wird während einer Exkursion in einen Glockenturm die App zur Simulation von Glockenschwingungen auf einem Tablet eingesetzt (siehe Abb. 3). Für ein Projekt mit Schülerinnen und Schülern konnten Messdaten von schwingenden Weingläsern mit den Simulationsdaten aus der App abgeglichen werden und in der Übung zur Vorlesung Computational Acoustics wird über die Akustik in Räumen gesprochen, was mittels der entsprechenden App veranschaulicht wird.

Wünschenswert ist für den Lehrstuhl ein noch umfassenderes Angebot an Anwendungen – Ideen gibt es noch genug. Und natürlich soll es möglichst vielen Studierenden zugutekommen, was heißt: alle anderen Lehrstühle der TUM sind eingeladen die Apps in ihrem Unterricht zu nutzen. Zu finden ist die Plattform unter http://www.apps.vib.mw.tum.de oder auf der Webseite des Lehrstuhls für Akustik mobiler Systeme (Hinweis: Nach Bestätigung der akademischen Nutzung, muss man sich mit einem Gastaccount einloggen).

Abbildung 3: Glockenapp im Einsatz im Glockenturm St. Ursula (Quelle: Moheit)

Abbildung 3: Glockenapp im Einsatz im Glockenturm St. Ursula (Quelle: Moheit)

 

Förderung

Mithilfe des TUM-Lehrfonds wurde dieses Projekt ab April 2017 über ein Jahr mit den Mitteln für zwei studentische Hilfskräfte gefördert.

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