Ultraschall – eine Technik die uns täglich begleitet? Inhalt

1. Erzeugung und Eigenschaften von Ultraschall
Als Ultraschall bezeichnet man Schallwellen im Frequenzbereich von 20 kHz bis etwa 10 10 Hz.
Dieser Schall ist vom Menschen nicht wahrnehmbar, einige Tiere (Fledermäuse, Hunde, Wale,…)
haben allerdings einen Hörbereich, der teilweise im Ultraschallbereich liegt.
Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls der des hörbaren Schalls c entspricht und wie
bei jeder Welle durch das Produkt aus Frequenz f und Wellenlänge 8 gegeben ist, ist die Wellenlänge
des Ultraschalls wesentlich kürzer als die des hörbaren Schalls. In der technischen Anwendung sind
Frequenzen von einigen hundert kHz üblich.
Für den hier verwendeten Ultraschallsender erhält man im kontinuierlichen Betrieb bei einer
Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft von c = 340 m/s und einer Frequenz von f = 800 kHz eine
Wellenlänge von 8 = 0,425 mm.
Die Ausbreitung des Ultraschalls beruht auf dem gleichen Phänomen wie im hörbaren Bereich. Auch
Ultraschall ist eine Longitudinalwelle. Aufgrund der kleinen Wellenlänge lässt sich Ultraschall
jedoch sehr viel besser bündeln als Schall niedrigerer Frequenz, so dass feine Strukturen besser
aufgelöst werden können.
Der Ultraschallsender besteht aus einem mit Metall wasserdicht umschlossenen Quarzplättchen. Der
verwendete Quarz hat die oben angegebene Eigenfrequenz von f0 = 800000 Hz. Um den Quarz zum
Schwingen anzuregen, wird über das schwarze abgeschirmte Kabel eine Wechselspannung an den
Quarz angelegt, die bewirkt, dass sich der Quarz ausdehnt bzw. zusammenzieht 1 . Der Quarz ist auf
ein dünnes Metallplättchen geklebt, das die Stirnseite des Ultraschallsenders bildet und die erzeugte
Schwingung an das umgebende Medium überträgt.
Die Einsatzgebiete des Ultraschalls sind vielfältig. In der Werkstofftechnik wird Ultraschall z.B. zur
zerstörungsfreien Untersuchung von Einschlüssen fremden Materials oder auch Luft in anderen
Stoffen genutzt. Die Ortung der Einschlüsse wird dabei über die Impuls-Echo-Methode durchgeführt,
indem die Laufzeit eines gesendeten Impulses gemessen wird und somit Rückschlüsse auf die
Materialdicke gezogen werden können.
In gleicher Weise funktioniert auch das von Schiffen verwendete SONAR zur Messung der Tiefe,
Ortung von Fischschwärmen und anderen sich unter Wasser befindenden Gegenständen.
Ein weiteres Anwendungsspektrum stellt die Medizin dar. Mit Hilfe von Computern werden
Ultraschall-Impulsechos unterschiedlicher Gewebearten des Körpers analysiert und zu Bildern
zusammengesetzt. Ultraschall kann auch als Therapie zur Behandlung von Entzündungen im Körper
eingesetzt werden. Dabei wird die Durchblutung des beschallten Gewebes angeregt und beschleunigt
oder verursacht den Heilungsprozess. Ein weiteres relativ neues Verfahren stellt die ambulant
durchgeführte Zerstörung von Nierensteinen ohne Operation dar. Hierfür wird der Ultraschallpuls auf
den zu zerstörenden Stein fokussiert. Man erhält dort eine hohe absorbierte Strahlungsenergie,
während das den Stein umgebende Gewebe außerhalb des Fokus nicht in Mitleidenschaft gezogen
wird.
Schallwellen 2 transportieren übrigens nicht nur Energie, sondern auch Impuls.
1 Dieser Vorgang wird z.B. bei Gasanzündern oder Feuerzeugen in umgekehrter Richtung ausgenutzt, indem man einen Quarz
deformiert und somit eine elektrische Spannung erzeugt (→ Piezoeffekt), was zur Entstehung eines Funkens führt und das Gas
entzündet.
2 Dies gilt auch für andere Wellen (Seilwellen, Wasserwellen, elektromagnetische Wellen / Licht,…).