Akustische Phänomene

Ultraschallwellen sind Schallwellen mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz, die vom menschlichen Ohr nicht mehr gehört werden können. Ultraschall wird technisch durch Quarzkristalle erzeugt, die elektrisch zu Eigenschwingungen der Frequenz des Ultraschalls angeregt werden.

Anlass für den enormen Aufschwung der Ultraschallanwendungen sind neben der gewaltigen Entwicklung der elektronisch - mikroelektronischen Messtechnik vor allem auch die gewachsenen Kenntnisse über die physikalischen Eigenschaften.

Anwendung von Ultraschall in der Medizin

Von jeher war es der Wunsch der Ärzte, einmal in den Menschen "hineinschauen" zu können, ohne ihn aufschneiden zu müssen. Dies gelang erstmals nach der Entdeckung der Röntgenstrahlen 1895. Parallel zur Röntgendiagnostik wurde die Ultraschalldiagnostik entwickelt. Sie ist oft einfacher und weniger aufwendig. Bei Ultraschalluntersuchungen ermöglicht der an Grenzflächen von Stoffen mit unterschiedlichem akustischen Widerstand reflektierte Schall den Aufbau eines Bildes. Voraussetzungen für die Entwicklung der Anwendung des Ultraschalls basierten auf physikalischen Kenntnissen und Grundlagen. Bei der Anwendung des Ultraschalls wird der biophysikalische Grundmechanismus der Wechselwirkung der eingesetzten Strahlung mit dem lebenden Organismus ausgenutzt.

Der Stand der kommerziell erwerbbaren Ultraschallgeräte für Therapie und Diagnostik macht den Einsatz des Ultraschalls in vielen Bereichen möglich und ist auf verschiedenen Gebieten anderen Methoden überlegen, z.B. in der Ausmessung der Frucht im Mutterleib oder der sonographischen Nachweisbarkeit von Steinen, die im Röntgenbild keinen Schatten ergeben. Beim Einsatz des Ultraschalls handelt es sich um nichtinvasive und nichtionisierende Prüf- und Heilverfahren. Weitere Anwendung auf medizinischen Gebieten findet der Ultraschall in: Heilbehandlung der Augen - innere Organe - Unterleibsdiagnostik - zur Feststellung von Leberabnormalitäten - für Gallenblasen- und Nierenuntersuchung - bei Harnblasenkontrollen - zur Milz- und Bauchspeicheldrüsenuntersuchung - Gynäkologie - bei Durchblutungsstörungen - zur Herzuntersuchung - bei krankhaften Veränderungen (z.B. Tumoren) - bei der Geburtshilfe und in der Schwangerschaft und zur Untersuchung der Gelenke . Ultraschall findet auch Anwendung bei vielen entzündlichen Prozessen und Erkrankungen. Durch degerative Prozesse, z.B. in den Gelenken erzielt man durch den Einsatz von Ultraschall gute Heilerfolge. Auch bei der Entfernung von Zahnstein bei Mensch und Tier findet der Ultraschall Anwendung

Geburtshilfe

In der Geburtshilfe ist die Ultraschalldiagnostik zu einem unverzichtbaren Bestandteil geworden. In der geburtshelfenden Diagnostik werden solch geringe Schallintensitäten genutzt, die dem jungen Leben keinen Schaden zufügen. Hierbei ist sehr wichtig, dass Ultraschall eine mechanische Welle und keine elektromagnetische Strahlung ist. In einer Betreuung sollen Risikofälle (z.B. ob sich das Kind in Form und Figur normal entwickelt) ermittelt werden. Es folgt u.a. die Feststellung von Mehrlingsgeburten, die Diagnose ausgeprägter Fehlbildungen, sogar das Geschlecht kann man bestimmen, und viele andere Hinweise für eine komplikationslose Geburt können gewonnen werden. Ultraschall gelangt in den menschlichen Körper, indem man über geeignete Koppelmedien (Öle, Wasser, Gel) den Ultraschallwandler so auf die Haut aufbringt, dass keine Luftzwischenschicht o.a. die Schallübertragung stört. Auf dem Weg in das Körperinnere kommt es nun zu einer Wechselwirkung zwischen Schall und dem biologischen Gewebe, den Knochen etc.

•Der Ultraschallsender schickt hochfrequente (1 bis 5 MHz) Schallsignale in den Körper des Patienten.

•Die Schallwellen werden an den Grenzflächen zwischen Flüssigkeit und Körpergewebe und zwischen Körpergewebe und Knochen reflektiert.

•Einige der Wellenn werden zum Sender/Empfänger reflektiert, andere gehen weiter bis sie an einer anderen Grenzfläche reflektiert werden.

•Die reflektierten Wellen werden empfangen und ausgewertet.

•Der Computer rechnet die Entfernung von Sender/Empfänger zu dem untersuchten Organ aus der Schallgeschwindigkeit im Körper (1540 m/s) und der Rückkehrzeit eines jeden Echos aus (üblicherweise wenige Millionstel Sekunden).

•Der Computer zeichnet aus den Abständen und Intensitäten der Echos ein zweidimensionales Bild auf dem Bildschirm.

Bei einer typischen Ultraschallaufnahme werden Tausende von Pulsen und Echos in jeder Sekunde gesandt und empfangen. Der Sender/Empfänger kann längs der Körperoberfläche bewegt werden, so dass Aufnahmen aus mehreren Winkeln gemacht werden können.

Die folgenden Bilder entstammen einer Seite des Spitals Oberaargau (Schweiz) auf der sie mehr und größere Fotos zum Thema finden.

12. Schwangerschaftswoche	31. Schwangerschaftswoche	Zwillinge in der 19. Woche
Farbdoppler der Gehirngefäße	Spirale in der Gebärmutter

Durch moderne Bildentwicklungssysteme ist es gelungen, gute dreidimensionale Bilder zu erzeugen, wie die nebenstehenden Bilder aus howstuffworks zeigen.

Doppler - Ultraschall zur Bestimmung des Blutflusses

Doppler-Ultraschalluntersuchungen verwenden den Dopplereffekt. Wenn das reflektierende Objekt sich vom Sender/Empfänger wegbewegt, erniedrigt sich die Frequenz des Echos, bewegt es sich auf ihn zu, so erhöht sich die Frequenz, dies wird zur Untersuchung der Blutgeschwindigkeit im Herzenn oder in großen Arterien verwendet , wie auf nebenstehendem Bild aus howstuffworks. Siehe hierzu auch die ausführliche Seite zur Dopplersonographie

Tumoruntersuchung am Beispiel eines Brustkrebses

Aufnahme einer 51-jährigen Patientin. In der Röntgenaufnahme rechts sieht man den gut walnussgroßen, gegenüber Haut und Drüsengewebe nur wenig verschieblichen Knoten. Dieser war der Patientin selbst schon vor einigen Wochen während eines zufälligen Abtastens der Brust aufgefallen; sie hatte dem Tastbefund zunächst keine Bedeutung beigemessen. Wegen der plötzlichen Erkrankung einer Kollegin an Brustkrebs hatte sie dann schließlich doch ihren Hausarzt aufgesucht und war von diesem zur Mammografie überwiesen worden. Die links abgebildete Ultraschalluntersuchung ( = Sonografie) ergab eine unregelmäßig berandete, echoarme Formation mit echogenen Konturen und deutlicher Schallschattenbildung. Quelle: www.roentgeninstitut-nuernberg.de

Ultraschall in der Natur

Für Tierarten wie Fledermäuse hat der Ultraschall eine große Bedeutung. Ihre Ultraschall - Echo - Orientierung ist eine perfekte Sinnesleistung, ohne die sie nicht leben können. Das akustische Orientierungssystem scheint bei den Fledermäusen am ausgereiftesten zu sein. Fledermäuse können mit dem Echo - Peilsystem ihre Beutetiere sehr genau "orten" . Die sogenannten "Ultraschallschreie" werden bei Fledermäusen im Kehlkopf, der als Schallerzeuger dient, erzeugt und durch den leicht geöffneten Mund nach außen abgegeben.

Treffen die ausgesendeten Ultraschallwellen auf einen fliegenden Körper, so werden sie reflektiert und gelangen zurück zum Ohr, das als Schallsignalempfänger dient.

Vom Delphin ist bekannt, dass sein Sehvermögen sehr begrenzt ist. Durch sein hervorragend funktionierendes Schallorientierungssystem reagiert er schnell und exakt auf auftretende Hindernisse selbst in der Dunkelheit des Meeres. Wie die Tonerzeugung und der Tonempfang bei Delphinen und Walen funktioniert zeigt Ulrich Reinartz.

In der Natur gibt es eine Reihe von Tierarten - von vielen wissen wir es vielleicht noch gar nicht - deren Hörbereich andersartiger bzw. umfangreicher ist als der des Menschen. Die meisten Tierarten benutzen den Ultraschall vor allem zur Informationsübertragung.

Echolot

Gerät, mit dem aus der Laufzeit eines ausgestrahlten und nach Reflexion wieder empfangenen Ultraschallimpulses Entfernungen bestimmt werden, z.B. die Tiefe von Gewässern, Fischschwärmen, Gletschern oder die Flughöhe von Flugzeugen. Man unterscheidet zwischen Passiv - und Aktivortung. Bei der Passivortung werden die von einem interessierenden Objekt ausgesendeten Geräusche empfangen und analysiert. Bei der Aktivortung werden entsprechend aufbereitete Signale ausgesendet, und von Hindernissen reflektierten Signale werden empfangen und präzise analysiert.

Arbeitsweise eines Sonargerätes am Beispiel eines Fishfinders (Quelle: www.angeln.de)

Das Wort "Sonar" ist eine Abkürzung für "SOund, NAvigation and Ranging" (Schall, Navigation und Reichweite). Es wurde im Zweiten Weltkrieg zur Ortung von U-Booten entwickelt. Ein Sonar / Echolot besteht im Prinzip aus Sender, Geber / Schwinger, Empfänger und einer Anzeigeeinheit.

Einfach ausgedrückt wird ein elektrischer Sendeimpuls durch den Geber in eine Schallwelle umgewandelt, die ins Wasser geleitet wird. Trifft sie dort ein Objekt, so wird sie daran reflektiert. Dieses Echo gelangt zum Schwinger, wird dort in einen elektrischen Impuls zurück verwandelt und vom Empfänger an die Anzeigeeinheit (heutzutage meist ein LCD-Bildschirm) weitergeleitet.

Da die Schallgeschwindigkeit im Wasser nahezu konstant ist (etwa 1440 m pro Sekunde), kann die Zeitspanne zwischen gesendetem Signal und empfangenem Echo gemessen und zur Entfernungsmessung genutzt werden. Dieser Vorgang wiederholt sich nun mehrmals pro Sekunde.

Fischsicheln

Hier wird ein Bild von der Unterwasserwelt gezeigt, und zwar bei geteiltem Bildschirm. Die rechte Hälfte zeigt einen Tiefenbereich von 0 bis 40 m (0 bis 60 Fuß). Die linke Hälfte ist eine Vergrößerung des Bereichs zwischen 2,7 bis 11,7 m(9 und 39 Fuß). Da das Gerät sich im Automatikmodus befindet, (erkennbar am Wort “AUTO“ in der Mitte oben am Bildschirm) wählt es den sichtbaren Bereich automatisch so, dass der Grund immer auf dem Bildschirm dargestellt wird. die Wassertiefe beträgt 35,9 Fuß = 10,8 m. Das Gerät wird mit einem HS-WSBK-Geber betrieben (20° Sendewinkel, 192 kHz, Heckmontage 3000 Watt Sendeleistung- Bildauflösung 240 x 240 Pixel). Die Empfindlichkeit ist auf 93 % eingestellt. Der Bildlauf steht eine Stufe unter dem Maximum.

A. Oberflächenstörungen
Die Oberflächenstörungen, wie im oberen Bereich des Bildschirms zu sehen, können durchaus einige Meter stark sein. Sie werden verursacht durch Luftbläschen (entstanden durch Wind, Wellen oder dem Kielwasser anderer Boote), Köderfische, Plankton und Algen.

B. Graulinie – Grayline
Die Graulinie hebt die Bodenkontur hervor, die sonst unter Bodenbewuchs oder anderen Objekte auf dem Grund verdeckt wäre. Ein harter Boden gibt ein starkes Signal zurück, ergibt somit eine breite Graulinie. Ein weicher, Schlammiger oder bewachsener führt zu einer schmalen Graulinie. Der Boden in diesem Beispiel ist eher hart, hauptsächlich aus Felsen bestehend.

C. Bodenstrukturen
In diesem Beispiel zeigt (C) möglicherweise einen Baum an. Diese Aufnahmen wurden auf einem künstlich erzeugten See angefertigt, in dem viele Bäume stehengelassen wurden, um Lebensräume für verschiedene Fischarten zu bilden.

D. Fischsicheln
Das X-85 Sonarsystem hat einen wichtigen Vorteil gegenüber vielen Konkurrenzmodellen, da es einzelne Fische durch die charakteristischen Fischsicheln darstellen kann. In diesem Beispiel sind bei (D) einige große Fische dicht über dem Grund zu erkennen, kleinere Fisch in der Mitte und nahe bei (C).

E. Andere Bildelemente
Die große, nur zum Teil zu erkennende Sichel bei (E) ist kein Fisch. Wir angelten nahe dem Eingang zu einer Bucht, die aus hunderten Autoreifen gebildet wurde, die mit Seilen zusammengebunden sind. Die große Sichel bei (E) wurde durch eines der Seile erzeugt, mit denen diese Reifen verankert sind.

Methoden der Tiefenmessung und dazu notwendige Technik (Echolot, Fächerecholot, Kreiselkompaß) (Quelle: www.vermessung-weigt.de)

Die Wassertiefe kann mittels Messgeräten gemessen werden. Dabei unterscheidet man

•"single-beam" - Messungen, bei denen vom Echolot-Schwinger ein Einzelstrahl ausgesandt wird, dessen Laufzeit zum Seeboden und zurück (in Abhängigkeit von der Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Wasser) ein Maß für die Wassertiefe ist

"Single-beam" - Geräte tasten den Seeboden mit einem Einzelstrahl ab. Damit genug Energie reflektiert wird, um eine Laufzeit zu bestimmen, wird der Strahl mit einem Öffnungswinkel von ca. 8° ausgesendet. Dadurch ergibt sich in 10m Wassertiefe am Seeboden ein Spot mit einem Radius von ca. 0,7m. Alle in diesem Bereich befindlichen Unebenheiten werden zu einer gemessenen Tiefe gemittelt, wodurch eine feinstrukturierte Aufnahme unmöglich wird.

•"multi-beam" -Messungen, bei der fächerhaft Messstrahlen quer zur Bewegungsrichtung des Schiffs ausgesandt werden, und mit denen eine Fläche gemessen wird, deren Größe vom Abstrahlwinkel und der Wassertiefe abhängt.

Ein Fächerecholot strahlt dagegen 40 - 240 Messstrahlen vom Schwinger ab. Die Einzelstrahlen haben im allgemeinen längs und quer zur Schiffslängsachse einen Öffnungswinkel von ca. 1,5° . Durch die Anordnung der Strahlen quer zur Fahrtrichtung kann  über den dabei entstehenden Fächer mit der Größe von 120° bis 150° (für spezielle Anwendungen bis 210° - zur Aufnahme von Spundwänden in Hafenanlagen) eine bedeutend größere Anzahl diskreter Messwerte zur Verfügung gestellt,  eine viel größere Fläche mit einem Male erfasst und eine bedeutend höhere Auflösung erreicht werden.

Das Bild zeigt oben die erfassbare Streifenbreite beim Multibeam und unten die beim Singlebeam

Folgende Streifenbreiten können in Abhängigkeit von der Tiefe bei einem Öffnungswinkel von 150° erreicht werden:

Tiefenpunkte pro Meter auf dem Fächer

Anwendung Ultraschall in der Technik

Ultraschallprüfung als Qualitätskontrolle in der Metalltechnik Die Ultraschallprüfung eignet sich hervorragend zur Qualitätskontrolle von Metallen. Im homogenen Material ist die Schallabsorption wesentlich geringer ist als von Röntgenstrahlen. Es gelingt bis zu 10m lange Strecken zu durchschallen und z.B. Fehlstrukturen des Materials bzw. Verunreinigungen sichtbar zu machen. Die Ultraschallprüfung ist auch zu einer wertvollen Ergänzung der Röntgen- und Gammadefektoskopie geworden, da im Gegensatz zu diesen Verfahren keine Schädigung der Gesundheit zu erwarten ist und sie außerdem kostengünstig ist. Bei der Qualitätskontrolle mittels Ultraschall kann aus der Messung von Geschwindigkeit und Absorption eine integrale Information über die Struktur, die Qualität des hergestellten Stoffes geliefert werden. Andrerseits liefert der Ultraschall augenblicklich eine Aussage zu Eigenschaften von Verbunden. Der Strahl des Ultraschalls breitet sich gerichtet wie das Licht aus. Beugungserscheinungen treten nur auf, wenn die verursachenden Hindernisse die Größenordnung der Wellenlänge haben. Ultraschallwellen werden von Metallen kaum absorbiert. Es wird die Eigenschaft der Reflexion von Schallwellen ausgenutzt, die an Grenzflächen, aber auch an Fehlstellen, die z.B. durch Risse entstanden, auftritt. Trifft ein Schallimpuls auf einen Schweißnahtfehler, so wird er je nach Größe und Form an der Trennfläche reflektiert. Die zurückkehrenden Wellen werden vom Prüfkopf wieder aufgenommen und auf dem Bildschirm als mehr oder weniger hohes Fehlerecho angezeigt, es kann somit die Fehlergröße in Länge und Breite wie nebenstehend gezeigt, nachgewiesen werden. Die Tiefe des Fehlers kann allerdings nur angenähert (Höhe des Fehlerechos ist nicht immer gleich der Größe des Fehlers) erkannt werden. Auch die Fehlerart des Werkstückes kann mittels Ultraschall nur bedingt erkannt werden. Weitere Information und Aufgaben finden Sie auf der Seite "Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung".

Bild von der TU-Ilmenau

Ultraschallschneiden und Schweißen Anwendung in Elektronik und Mikroelektronik

Die Schnittqualität, die Schneidleistung und die Standzeit der Schneidwerkzeuge sind beim Einsatz von Ultraschall um ein Vielfaches besser bzw. höher als bei herkömmlichen Messern und Klingen. In vielen Fällen kann beim Gewebeschneiden gleichzeitig versiegelt werden, wodurch ein Ausfransen verhindert wird. Ultraschall-Schneiden findet Anwendung in der Textilindustrie, in der Folien- und Planenfertigung, in der Airbagfertigung, in der Lebensmittelbranche und vielen anderen Bereichen.

Kontinuierliches Ultraschall-Schweißen mit rotierender Sonotrode: Für das Verschweißen dünner, synthetischer Materialien, insbesondere Vliesstoffe im Bereich von ca. 20 bis 300g/m2, ist das Ultraschall-Schweißverfahren prädestiniert. Mit der links zu sehenden Sonotroden-Rotations- Maschine kann man thermoplastische Kunststoffe, Vliesstoffen, synthetische Gewebe oder Laminate zu Arbeitsschutz-, Wetterschutz-, Sport- und Freizeitkleidung schweißen. Auch bei der Herstellung von Zelten, Markisen, Planen, Isolier- und Filterschläuchen und insbesondere überall dort, wo dichte Nähte, Konturen, kleine Radien oder Kurven gefragt sind, findet es Anwendung. Löten und Schweißen stellen Anwendungen des Leistungsultraschalls dar. Wurden zunächst nur Aluminium und Aluminiumlegierungen gelötet, gelingt es heute, viele Metalle durch Ultraschall zu schweißen. Die zu schweißenden Komponenten können gleichartige und ungleichartige Metalle sein. Auch Plastik und sogar Holz schweißt man mit Ultraschall. Für das Löten mit Ultraschall nutzt man die Ultraschallkavitation aus. Man benötigt ein Flussmittel z.B. Zinn, das zum Lötzweck erwärmt werden muss. Die bekannteste Ultraschallschweißmethode ist das Kaltpressschweißen. Beim Kaltpressschweißen kommt es zu einer innigen Berührung der Teile in der Schweißebene und zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Eine Ultraschallschweißmaschine hat die Aufgabe, hochfrequente mechanische Schwingungen zu erzeugen, diese der Schweißstelle zuzuleiten und Schweißteile unter Druck zu fixieren.

Ultraschallmikroskop

"Fehler in einer Magnetkarte werden mit einem akustischen Mikroskop deutlich sichtbar." Quelle: EECS

In Luft oder anderen durchsichtigen Stoffen sind wir es gewöhnt, mit dem optischen Mikroskop zu arbeiten, da Schallwellen in Luft und in Gasen stark gedämpft werden und ihre Reichweite sehr gering ist. In Festkörpern und Flüssigkeiten können sie jedoch eindringen, auch wenn sie optisch undurchsichtig sind. Schallwellen besitzen hier gegenüber Lichtwellen einen großen Vorteil. Mit dem akustischen Mikroskop werden Objekte deutlich, die sich durch elastische Eigenschaften und verschiedene Schallgeschwindigkeiten unterscheiden. Beim Ultraschall ermöglicht der an Grenzflächen unterschiedlicher akustischer Impedanz reflektierte Schall den Aufbau eines Bildes. Lichtmikroskop und Ultraschallmikroskop sind keine Konkurrenten, sondern ergänzen einander. Vorteilhaft einsetzbar sind akustische Mikroskope (Ultraschallmikroskope) in der biologischen und medizinischen Forschung. Viele Strukturen lebender Zellen haben Abmessungen im Mikrometerbereich. Kleine Strukturelemente unterscheiden sich häufig stark in ihren elastischen Eigenschaften. Da die Proben in Wasser eingebettet sind und weder getrocknet noch angefärbt oder dem Vakuum ausgesetzt werden müssen, ist die Untersuchung am lebenden Material möglich. Besonders gut geeignet sind akustische Mikroskope auch in der Elektronik, z.B. bei der Untersuchung mikroelektronischer Schaltkreise. Die gewonnen akustischen Bilder sind kontrastreicher als optische Aufnahmen.

Ultraschallbohrer (Anwendung von Leistungsultraschall)

Quelle: http://ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/usdc/usdc.htm

Bei dieser neue Bohrtechnologie benötigt man keine große Drehfestigkeit des Bohrers.	So sehen die Bohrlöcher aus	Der Ultraschallbohrer eingesetzt auf dem Marsauto
Die Entwicklung des Ultraschallbohrers ermöglichte das Sammeln kleiner Proben auf verschiedenen Planeten oder auch Asteroiden, ohne dazu eine große Drehfestigkeit oder viel Energie zu benötigen. Der Bohrer muss nicht geschärft werden, entfernt die Bohrtrümmer selbst und arbeitet bei sehr tiefen und sehr hohen Temperaturen. Ultraschall- und Schallschwingungen erzeugen den Bohrvorgang. Ein piezoelektrisches Material im oberen Teil des Bohrers erzeugt die Schwingungen, die den Bohrkopf auf und ab bewegen, aber nicht drehen. Der Aufprall des Bohrkopfs auf den Stein erzeugt das Bohrloch.

Weitere Anwendungen sind die zur Zahnsteinentfernung beim Zahnarzt und Tierzahnarzt verwendeten Ultraschallbohrer und auch die für den Privatgebrauch aufkommenden Ultraschall-Zahnbürsten.