Ultraschall

Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Ultraschall (Begriffsklärung) aufgeführt.

Ultraschallechograf oder Sonografiegerät

Als Ultraschall (oft als US abgekürzt) bezeichnet man Schall mit Frequenzen oberhalb des Hörfrequenzbereichs des Menschen. Er umfasst Frequenzen ab etwa 16 kHz.^[1] Schall 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 überwiegend 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 (oder umgekehrt) ist nur mit einem Koppelmedium mit angepasster akustischer Impedanz sowie bestimmter Dicke effektiv.

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

Luft weist eine stark mit der Frequenz steigende Dämpfung für Ultraschall auf. In Flüssigkeiten breitet sich Ultraschall dagegen dämpfungsarm aus. Bei hohen Schalldrücken kommt es jedoch zur Bildung von Dampfblasen (Kavitation), die bei ihrem Kollaps extrem hohe Drücke und Temperaturen hervorrufen können. Bei Frequenzen zwischen 2 und 20 MHz tritt Kavitation in reinem, entgastem Wasser erst ab einem Schalldruck von 15 MPa auf. Kavitation wird z. B. zur Ultraschallreinigung genutzt und ist auch aktueller 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 anfangs nur mit magnetostriktiven Wandlern erzeugt (die ersten Echolote arbeiteten auf diese Art). Heute verwendet man zunehmend 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.

Nicht allzu hochfrequenter Ultraschall kann auch durch Galtonpfeifen erzeugt werden.

Der Empfang von Ultraschallwellen kann prinzipiell mit den gleichen elektrischen 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 von Ultraschall

Ultraschall findet in der Technik und Medizin diverse Anwendungen:

• Echolot, Sonar: Tiefenmessung und Meeresbodenuntersuchung aus Wasser- und Unterwasserfahrzeugen heraus, Fischfinder
• Unterwasser-Peilsender für Flugschreiber
• Frühe Entfernungsmesser (in Luft), etwa für Autofokus-Objektive (Polaroid)
• 3D-Messung der Windgeschwindigkeit, siehe Ultraschallanemometer
• Ultraschalldurchflusssensor für Rohre und Kanäle
• Bewegungsmelder über Doppler-Effekt
• Ultraschallschweißen
• Ultraschalldichtemessung
• Festigkeitsmessung an Beton, Gips und Zement
• zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von Flüssigkeiten (Ausnutzen des Debye-Sears-Effektes)
• zur Herstellung von extrem glatten Flächen durch Ultraschallschwingläppen, etwa 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 (Laufzeit 64 µs) eines PAL- bzw. SECAM-Farbfern­sehers (bis ca. 1995); links geöffnet, rechts Funktionsweise und Schallweg

• Informationsübertragung
  • Frühe Fernbedienungen (Ende 1950er bis ca. Mitte der 1970er Jahre) für Fernsehgeräte
  • Signalverzögerung in elektronischen Schaltungen (akustische Verzögerungsleitung)
• Werkstoffprüfungen mit Ultraschallprüfgeräten; über Reflexe an Unstetigkeitsstellen der Dichte und ihre Signal-Laufzeit können ungewünschte 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-Zellaufschluss
• Ultraschall-Schneiden biologischer Gewebe
• Aufschließen von Naturfasern mit Ultraschall
• Geschwürbehandlung: Hochintensiver fokussierter Ultraschall
• Entfernung von Zahnstein durch wassergekühlte, hochfrequent schwingende Metallspitze
• Ultraschallschwingläppen (älter: Ultraschallbohren): Feinbearbeitung von Keramik und sonstiger spröder Werkstoffe
• Ultraschallvernebler: Zerstäuben, Vernebeln, Emulgieren, Dispergieren und Mischen von Flüssigkeiten (beispielsweise bei Luftbefeuchtern, Nebelmaschinen)
• Entgasung von Flüssigkeiten
• 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 hohem Schalldruckpegel die Tiere erfolgreich fernzuhalten.
• Hundepfeifen
• 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, sogenannten akustischen Stoßwellen.
• Herstellung von Proteinrohextrakten aus mikrobiologischen Proben (vor allem Bakterien, sowohl in Forschung als auch Industrie) durch Ultraschall, da die Schallwellen zur Lyse der Zellwand führen
• Doppelbogenkontrolle mit Ultraschall in der Drucktechnik
• Entfernungsmessung, eingesetzt z. B. in Einparkhilfen
• Apparative Kosmetik: Mikromassage und Regeneration der Haut und Einschleusung kosmetischer Wirkstoffe (Sonophorese / Phonophorese)

Ultraschall am Arbeitsplatz

Ultraschall wird in der industriellen Produktion vielseitig eingesetzt, beispielsweise zur Reinigung, beim Bohren, Schneiden, Schweißen, in der Aufbereitungs- und Verfahrenstechnik, bei der Entgasung von Flüssigkeiten oder der zerstörungsfreien Materialprüfung. Beim Einsatz von Ultraschall können Geräuschbelastungen mit Anteilen im Ultraschall- und Hörfrequenzbereich entstehen. Besonders Ultraschall-Schweißanlagen verursachen häufig hohe und stark schwankende Schallpegel, die bedeutende Anteile im Hörfrequenzbereich aufweisen können.

Für die Einwirkung von Ultraschall und seinen Begleiterscheinungen im Hochfrequenzbereich gibt es im Bereich der Normen und Richtlinien in Deutschland nur einen fast 30 Jahre alten Grenzwert in der Richtlinie VDI 2058 Blatt 2, der sich lediglich auf die 20-kHz-Terzmittenfrequenz bezieht (Stand: 2016). Entsprechend der Richtlinie VDI 3766 „Ultraschall – Arbeitsplatz – Messung, Bewertung, Beurteilung und Minderung“ wird der am Arbeitsplatz vorhandene Ultraschall mit einem Filter ausgeblendet und nur die verbleibende Hörschallexposition im Sprachfrequenzbereich über einen Richtwert beurteilt^[4]. Die Richtlinie macht keine konkreten Angaben zum Schutz des Gehörs im oberen Hörfrequenzbereich und zur Vermeidung möglicher anderer gesundheitlicher Beeinträchtigungen durch Ultraschall, wie etwa Kopfschmerzen, Übelkeit oder Schwindel^[5].

Die Richtlinie VDI 3766 ergänzt die technischen Anforderungen der DIN 61672-1^[6] für Systeme, mit denen Ultraschalleinwirkungen an Arbeitsplätzen gemessen werden soll. Derartige Messsysteme für die Praxis gibt es bisher allerdings kaum. Mit Handschallpegelmessgeräten der Genauigkeitsklasse 1^[6] lässt sich zwar die unbewertete Hörschallexposition messen. Die Messdaten müssen jedoch vor der Beurteilung manuell nachbearbeitet werden, da unkontrollierbare messtechnische Fehler auftreten können. Hierfür kann die Software zur "Berechnung der Lärmexposition im Beisein von luftgeleitetem Ultraschall" verwendet werden^[7].

Die Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung stellt fest, dass sie für jegliche Schalleinwirkung am Arbeitsplatz zuständig ist. Die Technischen Regeln zur Lärm-VibrArbSchV schränken den Zuständigkeitsbereich dann auf den Hörschall (16 Hz bis 16 kHz) ein und schließen Infra- und Ultraschall explizit aus. Zudem gibt es keine Angaben darüber, wie ein Tages-Lärmexpositionspegel berechnet wird, wenn Beschäftigte unterschiedliche Tätigkeiten mit und ohne Einwirkung von Ultraschall ausführen. Das Wissen über die Wirkungen von Ultraschall auf das Gehör stammt aus alten Studien, vor allem fehlen Kenntnisse zu Dosis-Wirkungs-Beziehungen. Dies spiegelt sich auch in den weltweit betrachtet sehr inhomogenen nationalen Richt- und Grenzwerten wider^[8]. Aufgrund dieser Unsicherheiten, auch über die Wirksamkeit organisatorischer und persönlicher Schutzmaßnahmen, scheint es sinnvoll, Ultraschall aussendende Maschinen nur mit Kapselung zu vertreiben^[4].

Ultraschall in der Tierwelt

In der Tierwelt dient Ultraschall zur Orientierung (Echoortung) und Kommunikation. Die Ortungsrufe der Fledermäuse zeigen im Frequenzspektrum, je nach Art, Ultraschallanteile bis zu 200 kHz (Rundblattnasen).^[9] Nachtfalter hören im Ultraschallbereich bis zu Frequenzen von 200 kHz.^[10] 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.^[10] Mäuse und Ratten kommunizieren mittels Rufen im Ultraschallbereich (Ultraschallvokalisationen). So lösen bei der Ratte beispielsweise prosoziale Ultraschallvokalisationen mit einer Frequenz von ca. 50 kHz soziales Annäherungsverhalten aus.^[11]

Ultraschallerzeugung in Pflanzen

Bäume erzeugen bei Wassermangel Laute im Ultraschallbereich. Die Laute entstehen, wenn bei Trockenheit der Wasserstrang in den Gefäßen, welche das aufgenommene Wasser von den Wurzeln in die Baumwipfel und Blätter führen, abreißt. Dabei bilden sich Kavitationsbläschen, die die Wände der wasserführenden Gefäße kurzzeitig in Schwingung versetzen. Die Intensität der Laute ist dabei abhängig von der Gefäßgröße und vom Trockenheitsgrad.^[12][13]

Literatur

• Berthold Heinrich, Petra Linke, Michael Glöckler: Grundlagen Automatisierung – Sensorik, Regelung, Steuerung. Springer Fachmedien, Wiesbaden, 2015, ISBN 978-3-658-05960-6. 

Einzelnachweise

Weblinks

Commons: Ultraschall – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Ultraschall – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• US-Metallschweißen – Strukturelle Aspekte des Metallverbindens, -streckens und -prägens im Ultraschallschweißverfahren, bei materialforschungsservice-dr-prieb.de
• Spannungsreduzierung in metallischen Werkstücken durch Ultraschallbehandlung – Theoretische Abhandlung, bei materialforschungsservice-dr-prieb.de
• Einfluss der Ultraschallbehandlung auf die Oberfläche von Gewindeteilen eines Fotoobjektives aus Alu und Messing, bei materialforschungsservice-dr-prieb.de