Ultraschall

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Dieser Artikel behandelt den Ultraschall im physikalischen Sinne. Das umgangssprachlich als Ultraschall bezeichnete medizinische Verfahren ist unter dem wissenschaftlichen Begriff Sonographie behandelt. Für andere Bedeutungen siehe Ultraschall (Begriffsklärung).

Mit Ultraschall bezeichnet man Schall oberhalb der menschlichen Hörschwelle, mit Frequenzen zwischen 20 kHz und 1 GHz. (Töne mit noch höherer Frequenz werden als Hyperschall bezeichnet, unterhalb des für Menschen hörbaren Schalls spricht man dagegen von Infraschall).

Ultraschall breitet sich als Longitudinalwelle in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern aus. Festkörper besitzen neben der Volumenelastizität zusätzlich Formelastizität. Dadurch können in Festkörpern zusätzlich auch Transversalwellen auftreten.
Der Übergang von Luftschall in Festkörper oder Flüssigkeiten erfolgt nur, wenn die Schallwellen in unmittelbarer Nähe abgestrahlt werden oder ein Koppelmedium angepasster akustischer Eigenschaften sowie bestimmter Dicke dazwischen ist.

Ultraschall wird je nach Material eines Hindernisses an diesem reflektiert oder absorbiert (gedämmt, verschluckt).

Luft weist eine stark mit der Frequenz steigende Dämpfung für Ultraschall auf. In Flüssigkeiten breitet sich Ultraschall bis zu einer bestimmten Intensität dämpfungsarm aus. Ab einem Grenzwert kommt es jedoch zur Bildung von Dampfblasen (Kavitation), welche bei ihrem Zusammenfallen extrem hohe Drücke und Temperaturen hervorrufen können. Dieser Effekt wird zur Ultraschallreinigung ausgenutzt und ist auch ein interessanter Forschungsgegenstand (Sonolumineszenz).

[Bearbeiten] Erzeugung und Registrierung

Zur Erzeugung von Ultraschall in Luft eignen sich dynamische und elektrostatische Lautsprecher sowie insbesondere Piezolautsprecher, d.h. membrangekoppelte Platten aus piezoelektrischer Keramik, welche durch Umkehr des Piezo-Effekts zu Schwingungen angeregt werden. Mittels piezoelektrischer Kunststoffe (PVDF) lassen sich auch direkt Membranen ansteuern, was ein verbessertes Übertragungsverhalten hervorruft.

Ultraschall in Flüssigkeiten und Festkörpern wurde früher durch magnetostriktive Wandler erzeugt (erste Echolote arbeiteten so).
Heute verwendet man dazu piezoelektrische Quarz- oder Keramikschwinger. An diese wird eine Wechselspannung mit deren Eigenresonanzfrequenz (oder einer Oberschwingung davon) angelegt. Die Schwingungen werden dann z. B. über den Boden eines Ultraschallbades in die Reinigungsflüssigkeit übertragen.

Der Empfang von Ultraschallwellen kann prinzipiell mit den gleichen Wandlern geschehen, wie sie auch zu dessen Erzeugung verwendet werden. Die erhaltenen elektrischen Signale können einer Frequenz-, Phasen- oder Amplitudenauswertung unterzogen werden.
Zur Hörbarmachung von Fledermausrufen gibt es Fledermausdetektoren, die den Frequenzbereich der im Ultraschallbereich liegenden Rufe in den hörbaren Bereich verschieben und über einen normalen Lautsprecher oder einen Kopfhörer wiedergeben.

[Bearbeiten] Anwendungen

Ultraschall findet in der Technik und Medizin diverse Anwendungen:

Ultraschall Durchfluss-Messungen im Laufzeit-Differenz-Verfahren
Echolot, Sonar: Tiefenmessung und Meeresbodenuntersuchung aus Wasserfahrzeugen heraus
Ultraschallschweißen
zur Herstellung von extrem glatten Flächen in der Raumfahrtindustrie
zur kontinuierlichen, berührungslosen Füllstandsmessung bei flüssigen und festen Medien unterschiedlichster Konsistenz und Oberflächenbeschaffenheit
Ultraschallmikroskop
Informationsübertragung; heute allerdings mit geringer technischer Bedeutung, z. B. in Fernbedienungen (1970er Jahre) für Fernsehgeräte oder Entfernungsmessgeräte.
- Kommunikation mit U-Booten und Unterwassergeräten
Werkstoffprüfungen mit Ultraschallprüfgeräten; über die Laufzeit des Signals können unbeabsichtigte Einschlüsse, Lunker oder Risse entdeckt werden
Industrielle Teilereinigung bis hin zum Auflösen, Herauslösen und Zerstören von Material in [Ultraschall-Reinigungsgeräte|Ultraschall-Reinigungsgeräten]]
Sonografie und Echokardiografie zur Untersuchung von Mensch und Tier
- M-Mode ("motion mode"), beispielsweise zur Darstellung von fetalen Herzrhythmusstörungen
- B-Mode ("brightness mode") um zweidimensionale Schnittbilder zu erhalten
- Doppler: Messung der Blutstromgeschwindigkeit mittels Dopplereffekt
- Farbdoppler: Farbig codierte flächige Darstellung der Blutstromgeschwindigkeit in Gefäßen,
Ultraschall-Schneiden (biologische Gewebe)
Geschwürbehandlung: Hochintensiver fokussierter Ultraschall
Zahnsteinentfernung
Ultraschallschwingläppen (älter: Ultraschallbohren): Feinbearbeitung von Keramik und sonstiger spröder Werkstoffe
Ultraschall-Sensoren, Entfernungsmessung beispielsweise zur Ansteuerung von Motoren in Autofokus-Objektiven (Polaroid)
Zerstäuben, Vernebeln, Emulgieren, Dispergieren und Mischen von Flüssigkeiten (beispielsweise bei Luftbefeuchtern, Nebelmaschinen)
Akusto-optische Modulatoren (AOM) in Lasern
Geräte zur Abschreckung von Mardern (Marderabwehr) und anderen Tieren, die vor Ultraschall flüchten sollen; eine Wirkung konnte wissenschaftlich bisher nicht nachgewiesen werden, dennoch scheinen Geräte mit einer sehr kräftigen Schallkeule die Tiere erfolgreich fernzuhalten.
Hundepfeifen
Ultraschalldurchflusssensor für Rohre und Kanäle
Anwendungen bei Fledermaus- und Delphinforschung, da diese sich mit Ultraschall orientieren beziehungsweise kommunizieren
Die Aufzeichnung der Ultraschallvokalisation von Ratte und Maus (ultrasonic vocalization) wird in der psychopharmakologischen Forschung wie auch in der neurowissenschaftlichen Verhaltensforschung genutzt [1].
Auch die Nierensteinzertrümmerung (Lithotripsie) basiert auf der Wirkung von kurzen, auf den Stein fokussierten Ultraschallimpulsen, sog. akustischen Stoßwellen.