Ultraschall

Ultraschall-Echograf

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

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 angepassten 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 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 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 der Ultraschallwellen

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)
• Ultraschalldichtemessung
• zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von Flüssigkeiten (Ausnutzen des Debye-Sears-Effektes)

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
• 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

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). Nachtfalter hören im Ultraschallbereich bis zu Frequenzen von 200 kHz. 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. 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.

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.

Ultraschall in der Medizin

In der Medizin werden Ultraschallwellen vor allem im Rahmen der Ultraschalldiagnostik (Sonographie) eingesetzt. Auch hier basiert das Wirkprinzip auf dem Aussenden von Schallwellen und dem Empfangen des reflektierten Echos. Das Ultraschallbild (Sonogramm) entsteht, indem die Laufzeit des Echos berechnet wird. Die Laufzeit ist abhängig von Form und Struktur des jeweiligen Organs/Gewebeart. Bspw. reflektieren Knochen stärker als Blut.

Ultraschallgeraet Funktion

Je nach zu untersuchender Körperregion unterscheiden sich die Begrifflichkeiten. Während für den Allgemeinmediziner vor allem die klassische Abdomensonographie (Bauch-Ultraschall) von großer Bedeutung ist, ist für den Kardiologen eher die Echokardiographie (Herz-Ultraschall) von Relevanz. Die Medizintechnik-Hersteller haben sich auf die fachspezifischen Bedürfnisse der Ärzte eingestellt. Folglich gibt es medizinische Ultraschallgeräte, die sich für den einen Anwendungsbereich besser und für den anderen schlechter/gar nicht eignen. Für die Visualisierung bewegter Strukturen, wie z. B. der Aortenklappen-Bewegung, benötigt der Kardiologe bspw. ein Sonogerät mit dem Bildgebungsmodus “M-Mode” (Motion-Mode). Die wichtigsten Modi hat das UKS zusammengefasst:

• A - Mode (Amplidutenmodulation): Echosignale werden vom piezoelektrischen Material in Spannung umgewandelt (Puls - Echo - Prinzip). Heutzutage kaum noch von Bedeutung.
• B-Mode ( Brightness-Mode): Strukturen können über Helligkeitsunterschiede optisch dargestellt werden und zweidimensionale Schnittbilder können erzeugt werden.
• Doppler-Verfahren: Messung der Richtung und der Geschwindigkeit des Blutflusses mittels Dopplereffekt
• PW-Doppler (Pulsed Wave): piezoelektrisches Element fungiert alternierend als Sender und Empfänger
• CW-Doppler (Continuous Wave): von zwei piezoelektrische Elemente, sendet eins konstant Schallwellen aus während das andere die reflektierten Ultraschallimpulse empfängt.
• Duplexsonographie: Kombination aus B - Mode und Doppler-Verfahren
• CFM-Sonographie (color flow mapping): Farbcodierte Duplexsonographie
• Im Kern besteht ein klassisches Ultraschallsystem aus 3 Komponenten:
  • das Ultraschallgerät, das mit dem piezoelektrischen Effekt die Ultraschallwellen erzeugt
  • der Monitor, der für die Visualisierung der Ultraschalldaten zuständig ist
  • und der Schallkopf, der für das Aussenden und Empfangen der Schallwellen zuständig ist

Ein mobiles Handheld-Ultraschallgerät hingegen besteht lediglich aus einem kompakten Handgerät in der Größe eines Smartphones. Während sich im Handgerät die gesamte Ultraschalltechnik befindet, kann ein privates Smartphone oder Tablet als Anzeigemedium genutzt werden. Der Frequenzbereich in der Sonographie liegt zwischen 1 - 20 Mhz. Je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge und desto besser die Bildqualität. Aber je höher die Frequenz, desto geringer die Eindringtiefe.

Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de