Wie entsteht Ultraschall?
Es ist unmöglich, Ultraschall auf dieselbe Weise zu erzeugen wie normale Töne – durch Schlagen und Blasen, wie wir es zum Beispiel bei Musikinstrumenten tun. Das liegt daran, dass wir die Dinge nicht schnell genug schlagen und blasen können. Aber wir können Ultraschall erzeugen, indem wir elektrische Geräte verwenden, die mit einer extrem hohen Frequenz schwingen. Die Kristalle einiger Materialien (z. B. Quarz) schwingen sehr schnell, wenn man Strom durch sie hindurchleitet – ein Effekt, der Piezoelektrizität genannt wird. Bei ihren Schwingungen schieben und ziehen sie die sie umgebende Luft an und erzeugen so Ultraschallwellen. Geräte, die mithilfe der Piezoelektrizität Ultraschallwellen erzeugen, werden als piezoelektrische Wandler bezeichnet. Piezoelektrische Kristalle funktionieren auch in umgekehrter Richtung: Wenn Ultraschallwellen, die sich durch die Luft bewegen, zufällig auf einen piezoelektrischen Kristall treffen, drücken sie seine Oberfläche sehr leicht zusammen, wodurch ein kurzer Stromstoß durch ihn fließt. Wenn man also einen piezoelektrischen Kristall an einen Stromzähler anschließt, erhält man einen sofortigen Ultraschalldetektor.
Artwork: Wie Ultraschall zur Reinigung von Dingen eingesetzt wird. 1) Eine hochfrequente Wechselstromversorgung sendet Strom an drei piezoelektrische Wandler (2). Diese schwingen mit Ultraschallfrequenzen und senden ihre Schwingungen an eine dünne Quarzglasplatte (3), die die Wellen (4) in ein mit Flüssigkeit gefülltes Becken (5) überträgt, in das man die zu reinigenden Gegenstände legt.
Ultraschallwellen können mit Magnetismus statt mit Elektrizität erzeugt werden. So wie piezoelektrische Kristalle als Reaktion auf Elektrizität Ultraschallwellen erzeugen, gibt es auch andere Kristalle, die als Reaktion auf Magnetismus Ultraschallwellen erzeugen. Diese Kristalle werden magnetostriktive Kristalle genannt, und die Schallwandler, die sie verwenden, heißen magnetostriktive Schallwandler. (Der magnetische Effekt ist als Magnetostriktion bekannt.)
Wofür wird Ultraschall verwendet?
Die Verwendung von Ultraschall für praktische Zwecke wird manchmal als Ultraschall bezeichnet – und er wird für alles verwendet, vom industriellen Schweißen und Bohren bis zur Herstellung von homogenisierter Milch und fotografischem Film.
Medizinische Ultraschalluntersuchung
Foto: Diese schwangere Frau beobachtet eine Ultraschalluntersuchung des Babys, das sich in ihrer Gebärmutter entwickelt. Man beachte den Ultraschallscanner (unten rechts), der langsam über ihren Bauch bewegt wird, und den Monitor (oben), auf dem das Bild ihres Kindes zu sehen ist.
Das wohl bekannteste Beispiel für Ultraschall sind medizinische Tests.
Um den Körper nicht öffnen zu müssen, um eine Krankheit festzustellen, können Ärzte einfach einen Ultraschallscanner über die Haut führen, um das Innere zu sehen. Die Sonde des Scanners sieht oft aus wie eine Computermaus und hat einen eingebauten Schallkopf, der harmlose Ultraschallwellen in Ihren Körper schickt. Während die Wellen durch die verschiedenen Knochen und Gewebe wandern, werden sie wieder nach oben reflektiert. Der gleiche Schallkopf (oder ein separater daneben) empfängt die reflektierten Wellen, und ein an den Scanner angeschlossener Computer verwendet sie, um ein detailliertes Bild von dem, was in Ihnen vorgeht, auf einem Bildschirm zu zeichnen.
Abbildung: Eine Nahaufnahme einer kleinen Ultraschallsonde. Foto von Rafael Martie mit freundlicher Genehmigung der US Navy.
Zerstörungsfreie Prüfung
Eine ähnliche Ausrüstung wird verwendet, um Maschinen wie Flugzeugtriebwerke auf Fehler zu prüfen. Wenn ein Riss tief im Inneren eines Metalls ist, kann man das Problem nicht erkennen, wenn man es von innen untersucht. Fährt man jedoch mit einem Ultraschallscanner über die Außenseite des Metalls, wird der Riss im Inneren gestört und einige der Ultraschallwellen reflektiert, so dass der Fehler auf dem Prüfmonitor angezeigt wird. Die Prüfung von Materialien auf diese Weise wird manchmal als zerstörungsfreie Prüfung bezeichnet, weil man die Dinge nicht beschädigen oder auseinandernehmen muss, um sie zu prüfen.
Foto: Untersuchung eines Flugzeugtriebwerks mittels zerstörungsfreier Ultraschallprüfung. Die Prüferin bewegt mit ihrer rechten Hand eine Ultraschallsonde über ein Flugzeugbauteil. Gleichzeitig justiert sie den Ultraschallstrahl mit der linken Hand. Foto von Michelle Michaud mit freundlicher Genehmigung der US Air Force.
Ultraschall mit hoher Leistung
Relativ schwache Ultraschallwellen werden für medizinische Scans und zerstörungsfreie Prüfungen verwendet. Sehr viel stärkere Ultraschallwellen haben ganz andere Verwendungszwecke. Wenn Sie einen schmerzhaften Nierenstein haben, können starke Ultraschallwellen von außerhalb Ihres Körpers den Stein in Schwingung versetzen und zerspringen lassen. Starke Ultraschallwellen werden manchmal auch zur Zerstörung von Krebstumoren und Hirnläsionen (geschädigte Hirnregionen) eingesetzt. In ähnlicher Weise können Ultraschallwellen zur Reinigung von Schmuck, Uhren, falschen Zähnen und einer Vielzahl von Maschinenteilen eingesetzt werden, die auf andere Weise nur schwer (oder gar nicht) zu reinigen sind.
Sonar
Ein weiteres beliebtes Einsatzgebiet für Ultraschall ist die Schifffahrt, sowohl zur Navigation als auch zur Ortung von Objekten unter Wasser. Schall bewegt sich im Wasser schneller als in der Luft, was sehr hilfreich ist, denn Licht bewegt sich im Wasser kaum. Die meisten Menschen wissen, dass Wale niederfrequenten Schall nutzen können, um über ganze Ozeane hinweg zu kommunizieren.
Foto: Es erfordert Geschick und Konzentration, einen Sonar-Bildschirm zu überwachen. Dieses System befindet sich an Bord des Schiffes USS Gladiator und wird zum Aufspüren von Minen eingesetzt. Foto von Peter D. Lawlor mit freundlicher Genehmigung der US Navy.
Wie funktioniert es? Wenn sich ein U-Boot tief unter der Oberfläche befindet, kann es seinen Weg finden, indem es Pieptöne aussendet und auf die Echos hört – ähnlich wie eine Fledermaus, die Echoortung benutzt. Indem der U-Boot-Navigator misst, wie lange es dauert, bis die Echos zurückkommen, kann er herausfinden, ob andere Schiffe, U-Boote oder andere Hindernisse in der Nähe sind. Sonar wird auch von Schiffen eingesetzt, um die Meerestiefe zu berechnen (oder eine Karte des Meeresbodens zu zeichnen), indem Schallstrahlen direkt nach unten geschossen werden. Diese Technik ist als Echolot bekannt.
Side-Scan-Sonar
Foto: Ein typischer Side-Scan-Sonar-Schleppfisch. Dieses Gerät verwendet Ultraschall mit einer Frequenz von 600 kHz, was weit über der menschlichen Hörgrenze liegt. Hier wird er an die Ausrüstung eines Forschungsschiffs angeschlossen, bevor er ins Wasser abgesenkt und an Land gezogen wird. Foto von John F. Williams mit freundlicher Genehmigung der US Navy.
Die verschiedenen Sonarsysteme verwenden ein sehr breites Spektrum von Schallfrequenzen, von sehr leichtem Infraschall (der für Wale und andere Meerestiere problematisch sein kann) über hörbaren Schall (das klassische „Ping“-Geräusch, das man in Kriegs-U-Booten in Filmen hört) bis hin zu sehr starkem Ultraschall (der typischerweise in Fischortungssystemen verwendet wird, die unter anderem von industriellen Trawlern eingesetzt werden). Hochfrequenzschall wird beim Side-Scan-Sonar verwendet, bei dem ein kleines, torpedoartiges Abtastgerät, der so genannte Schleppfisch, hinter einem Schiff hergezogen wird und breite Sonarstrahlen zu beiden Seiten aussendet. Side-Scan-Sonar wird in der Meeresarchäologie (zum Auffinden von Wracks auf dem Meeresboden), in der Meeresforschung und in der Fischerei eingesetzt. Verschiedene Fische reflektieren den Schall unterschiedlich stark, und mit etwas Geschick und Erfahrung kann man anhand des Sonarstrahls nicht nur herausfinden, welche Fische vorhanden sind, sondern auch wie viele es in einem bestimmten Gebiet gibt. Im Allgemeinen gilt: Je höher die verwendete Schallfrequenz, desto mehr Details sind zu erkennen, aber desto kürzer ist der Bereich, in dem das Gerät wirksam ist. Höhere Frequenzen eignen sich am besten für die detaillierte Arbeit in kleinen Bereichen in relativ flachem Wasser, während niedrigere Frequenzen für tiefere Gewässer oder die Erkennung von großen Entfernungen erforderlich sind.
