Ultraschall

Ultraschall-Echograf

Mit Ultraschall (oft als US abgekürzt) bezeichnet man Schall mit Frequenzen oberhalb des Hörfrequenzbereichs des Menschen und umfasst Frequenzen ab etwa 16 kHz ^[1]. Ultraschall ab einer Frequenz von etwa 1 GHz wird auch als Hyperschall bezeichnet ^[1]. Bei Frequenzen unterhalb des für Menschen hörbaren Frequenzbereichs spricht man dagegen von Infraschall ^[1].

In Gasen und Flüssigkeiten breitet sich Ultraschall nur als Longitudinalwelle aus. In Festkörpern kommt es wegen der auftretenden Schubspannungen zusätzlich auch zur Ausbreitung von Transversalwellen. Der Übergang von Luftschall in Festkörper oder Flüssigkeiten erfolgt nur, wenn die Schallwellen in unmittelbarer Nähe abgestrahlt werden oder ein Koppelmedium mit angepassten akustischen Eigenschaften sowie einer bestimmten Dicke dazwischen ist.

Ultraschall wird je nach Material eines Hindernisses an diesem reflektiert, in ihm absorbiert oder tritt hindurch (Transmission). Wie bei anderen Wellen tritt auch Brechung, Beugung und Interferenz auf.

Luft weist eine stark mit der Frequenz steigende Dämpfung für Ultraschall auf. In Flüssigkeiten breitet sich Ultraschall dagegen bis zu einer bestimmten Intensität dämpfungsarm aus. Von einem Grenzwert an kommt es jedoch zur Bildung von Dampfblasen (Kavitation), die bei ihrem Zusammenfallen extrem hohe Drücke und Temperaturen hervorrufen können. Bei Frequenzen zwischen 2 und 20 MHz darf zur Vermeidung von Kavitation in reinem, entgastem Wasser der Schalldruck maximal 15 MPa betragen. Dieser Effekt wird zur Ultraschallreinigung ausgenutzt und ist auch ein interessanter Forschungsgegenstand (Sonolumineszenz).

Erzeugung und Registrierung der Ultraschallwellen

Echo-Laufzeit-Verhalten von Ultraschall

Zur Erzeugung von Ultraschall in Luft eignen sich dynamische und elektrostatische Lautsprecher sowie insbesondere Piezolautsprecher, d. h. membrangekoppelte Platten aus piezoelektrischer Keramik, die 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 (die ersten Echolote arbeiteten auf diese Art).
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 Flüssigkeit 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.

Um Fledermausrufe hörbar zu machen gibt es Fledermausdetektoren, die den Frequenzbereich der im Ultraschallbereich liegenden Rufe in den hörbaren Bereich verschieben und diese über einen normalen Lautsprecher oder einen Kopfhörer wiedergeben.

Anwendungen der Ultraschallwellen

Ultraschall findet in der Technik und Medizin diverse Anwendungen:

• Echolot, Sonar: Tiefenmessung und Meeresbodenuntersuchung aus Wasser- und Unterwasserfahrzeugen heraus
• Ultraschallschweißen
• Ultraschalldichtemessung
• zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von Flüssigkeiten (Ausnutzen des Debye-Sears-Effektes)
• zur Herstellung von extrem glatten Flächen in der Raumfahrtindustrie
• zur kontinuierlichen, berührungslosen Füllstandsmessung bei flüssigen und festen Medien unterschiedlichster Konsistenz und Oberflächenbeschaffenheit
• Ultraschallmikroskop
• Ultraschalllinearantrieb: Kernstück der Systeme ist eine Piezokeramikplatte, in der eine hochfrequente resonante Eigenschwingung angeregt wird. Eine an der Platte angebrachte „Reibnase“ wird dadurch in eine lineare Bewegung derselben Frequenz versetzt. Durch den Kontakt mit einer Reibschiene treibt sie den bewegten Teil der Mechanik an. Jeder Zyklus erzeugt einen mikroskopisch kleinen Schritt von wenigen Nanometern, sodass in der Summe eine gleichmäßige Bewegung mit praktisch unbegrenztem Stellbereich entsteht.
• Berührungslose Handhabung mit Ultraschall: Durch verschiedene fluiddynamische Effekte im Ultraschallfeld können Gegenstände zum Schweben gebracht werden.
  

  Ultraschall-„Verzögerungsleitung“ (Farbfernsehempfang, 64 µs Schallweg); links geöffnet, rechts Funktionsweise und Schallweg
• Informationsübertragung; heute allerdings von geringer technischer Bedeutung, z. B. in Fernbedienungen (1970er Jahre) für Fernsehgeräte oder Entfernungsmessgeräte.
  • Kommunikation mit U-Booten und Unterwassergeräten
• Signalverzögerung in elektronischen Schaltungen (akustische Verzögerungsleitung)
• 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 Ultraschallreinigungsgeräten
• 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,
• Ultraschalltherapie
• Ultraschall-Schneiden (biologische Gewebe)
• Geschwürbehandlung: Hochintensiver fokussierter Ultraschall
• Zahnsteinentfernung durch wassergekühlte hochfrequent schwingende Metallspitze
• Ultraschallschwingläppen (älter: Ultraschallbohren): Feinbearbeitung von Keramik und sonstiger spröder Werkstoffe
• Ultraschall-Sensoren, Entfernungsmessung beispielsweise zur Ansteuerung von Motoren in Autofokus-Objektiven (Polaroid)
• Ultraschallvernebler: Zerstäuben, Vernebeln, Emulgieren, Dispergieren und Mischen von Flüssigkeiten (beispielsweise bei Luftbefeuchtern, Nebelmaschinen)
• Akustooptische 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 über Ultraschall orientieren beziehungsweise damit kommunizieren
• Die Aufzeichnung der Ultraschallvokalisation von Ratte und Maus (ultrasonic vocalization) wird in der psychopharmakologischen Forschung wie auch in der neurowissenschaftlichen Verhaltensforschung genutzt ^[2][3].
• Auch die Nierensteinzertrümmerung (Lithotripsie) basiert auf der Wirkung von kurzen, auf den Stein fokussierten Ultraschallimpulsen, sog. akustischen Stoßwellen.
• Herstellung von Proteinrohextrakten aus mikrobiologischen Proben (v.a. Bakterien, sowohl in Forschung als auch Industrie) durch Ultraschall, da die Schallwellen zur Lyse der Zellwand führen.

Ultraschall in der Tierwelt

In der Tierwelt dient Ultraschall zur Orientierung (Echoortung) und Kommunikation. Die Schallfrequenzen liegen bei Fledermäusen zwischen 15 kHz und 80 kHz.^[4] Nachtfalter hören im Ultraschallbereich bis zu Frequenzen von 200kHz.^[4] Zahnwale, insbesondere Delfine, nutzen die Echoortung zur Orientierung und speziell auch zur Ortung ihrer Jagdbeute. Die Frequenz der Klicklaute beträgt zwischen 120 und 180 kHz.^[4] Mäuse und Ratten kommunizieren mittels Ultraschallvokalisationen im Ultraschallbereich. So lösen bei der Ratte beispielsweise prosoziale Ultraschallvokalisationen mit einer Frequenz von ca. 50 kHz soziales Annäherungsverhalten aus.^[5]

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c} DIN 1320 Akustik Begriffe
2. ↑ Ultrasonic vocalizations as a tool for research on emotion and motivation in rodents
3. ↑ Schallsignale der Hausmaus
4. ↑ ^{a b c} Rüdiger Wehner, Walter Gehring, Alfred Kühn: Zoologie, Georg Thieme Verlag, 2007, ISBN 3-13-772724-3, Seite 445 (Google books)
5. ↑ Ultrasonic Communication in Rats: Can Playback of 50-kHz Calls Induce Approach Behavior?

Weblinks

• Ultraschallschweißen - Verfahren zum kontinuierlichen verschweißen thermoplastischer Materialien mit Ultraschall

Schall-Spektrum

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