Ultraschall und seine Anwendung
Allgemeines
Ultraschall ist ein Schall bzw. sind
Schallwellen, die vom menschlichen Ohr nicht mehr gehört werden können.
Seine Frequenzen sind höher als 20 kHz. Ultraschall wird durch elektrisch
erregte Kristalle von Quarz erzeugt. Einsatzgebiete des Ultraschalls findet
man heute in der Metallurgie beim Löten von Aluminium, Ultraschallschweißen
und -bohren, in der chemischen Industrie z.B. beim Reinigen von
Oberflächen, Mischen und Homogenisieren von Flüssigkeiten, in der
medizinischen Therapie und vor allem in der medizinischen Diagnostik, in der
Werkstoffprüfung, der Messtechnik und Prozessüberwachung, der
Lebensmittelindustrie, Elektronik und Mikroelektronik sowie in den Bereichen
des Waschens von Textilien, zur Herstellung feinster fotografischer
Emulsion, zur Nachrichtenübermittlung unter Wasser und bei der Echolotung
auf Seeschiffen. Seine größte Anwendung und Bedeutung findet der Ultraschall
aber in der Medizin, denn mit Hilfe der Ultraschalldiagnostik kann man z.B.
menschliche Organe "abtasten" und auf einem Bildschirm sichtbar machen, ohne
dass dabei Gewebe zerstört oder geschädigt würde. 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 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 infolge unterschiedlicher akustischer Widerstände an
Grenzflächen 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.
Ultraschalldiagnostik:
Die Methoden der
Ultraschalldiagnostik sind zahlreich und breit angewandt. Sie beruhen
letztlich auf der Gewinnung von Informationen durch Reflexion des
Ultraschalls an den Grenzflächen zwischen Gewebe und Luft, akustisch
unterschiedlichen Geweben und an den Grenzflächen zw. Knochen und Geweben.
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 sonorgraphischen
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 des Auge -
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. Tumor - bei der Geburtshilfe u. in der
Schwangerschaft und zur Untersuchung der Gelenke. In den letzten 15 Jahren
ist die Ultraschalldiagnostik in der Geburtshilfe 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.. Ultraschall findet auch Anwendung bei vielen entzündlichen
Prozessen u. Erkrankungen. Durch degerative Prozesse, z.B. der Gelenke
erzielt man durch den Einsatz von Ultraschall gute Heilerfolge. Bei der
Ultraschalldiagnostik wird die Reflexion von hochfrequenten
Ultraschallwellen an Grenzflächen unterschiedlicher Gewebestrukturen im
Körper ausgenutzt.
Anwendung in der Natur
Ultraschall kann nicht nur künstlich
erzeugt werden, sondern ist bereits in der Natur vorhanden, denn vieles von
dem, was der Mensch in den letzten 50 Jahren auf diesem Gebiet mühsam
entwickelt hat, beherrscht der Delphin seit Jahrtausenden. Es ist bekannt,
dass sein Sehvermögen sehr begrenzt ist. Durch sein hervorragend
funktionierendes Schallorientierungssystem reagiert er sehr schnell und
exakt auf auftretende Hindernisse selbst in der Dunkelheit des Meeres. Für
Tierarten wie Fledermäuse hat der Ultraschall auch eine große Bedeutung.
Ihre Ultraschall - Echo - Orientierung ist eine perfekte Sinnesleistung in
dem Sinne, dass sie ohne diese nicht leben können. 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 dieser Tierarten benutzen den Ultraschall vor allem zur
Informationsübertragung. 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 diese ausgesendeten Ultraschallwellen auf einen
fliegenden Körper, z.B. ein kleines Beutetier, so werden sie reflektiert und
gelangen zurück zum Ohr, das als Schallsignalempfänger dient. Die
Hörorgane der Fledermäuse müssen zu extremer Schallanalyse hinsichtlich der
Frequenz, Frequenzveränderung oder der Intensität, zu einem perfekten und
selektiven Analysieren imstande sein. Das Ultraschall - Echo -
Orientierungssystem dient den Fledermäusen dazu, sich von der Umgebung ein
"Hörbild" zu machen und ihre Beute zu orten.
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.
Spezialfall Schiff:
Auf einem Schiff werden
Ultraschallimpulse ausgesendet und vom Meeresboden bzw. Fischschwärmen
reflektiert und gelangen zurück zum Empfänger (werden von ihm wieder
aufgenommen). Aus der gemessenen Laufzeit dieses Echos und der
Schallgeschwindigkeit im Wasser ermittelt ein Rechner den Weg des
Ultraschallimpulses. Gemessen wird die Zeit der Aussendung eines
Schallsignals bis zum Eintreffen seines Echos, das beim Auftreffen auf den
Grund zurückgeschickt wird. Die vom Schiffsboden aus in schneller Folge
ausgesendeten Ultraschallwellen haben eine Frequenz von 20-30 kHz.
Anwendung in der Technik
Ein wesentlicher Vorteil des
Ultraschalls in der Metallurgie besteht darin, dass im homogenen Material
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.
Ultraschallprüfung als
Qualitätskontrolle:
Vor allem in den letzten Jahren hat
sich die Ultraschallprüfung zur Qualitätskontrolle durchgesetzt. Durch
höhere Effektivität der Prüftechnik, die Prüfungsmöglichkeit an größeren
Schweißnahtdicken und durch bessere Nachweisbarkeit bestimmter Fehlerarten
(z.B.: Risse, Bindefehler) ist die Ultraschallprüfung auch zu einer
wertvollen Ergänzung der Röntgen- und Gammadefektoskopie geworden, vor allem
aufgrund keiner Schädigung der Gesundheit und durch eine kostengünstigere
Alternative zu anderen Methoden (wie z.B. Röntgenstrahlen). Bei der
Qualitätskontrolle mittels Ultraschall sind zwei Richtungen zu
unterscheiden. Einmal kann aus der Messung von Geschwindigkeit und
Absorption eine integrale Information über die Struktur, die Qualität des
hergestellten Stoffes geliefert werden. Zum anderen liefert der Ultraschall
augenblicklich eine Aussage zu Eigenschaften von Verbunden. Der Schallstrahl
des Ultraschalls breitet sich aufgrund seiner quasioptischen Eigenschaften
gerichtet wie das Licht aus. Beugungserscheinungen treten nur dann auf, wenn
die verursachenden Hindernisse die Größenordnung der Wellen 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
solch 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, jedoch nicht in Tiefe angenähert nachgewiesen werden (Höhe des
Fehlerechos ist nicht immer gleich der Größe des Fehlers). Die Fehlerart des
Werkstückes kann allerdings mittels Ultraschall nicht erkannt werden. Eine
der wichtigsten Anwendungen ist die Qualitätskontrolle im Flugzeugbau.
Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung:
Neben der Qualitätskontrolle wird der
Ultraschall also auch zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung verwendet. Ein
wesentlicher Vorteil des Ultraschalls in der Metallurgie besteh darin, dass
im homogenen Material die Schallabsorption wesentlich geringer ist als bei
Röntgenstrahlen und somit eine genauere Bestimmung der Fehler im Werkstück
mittels Ultraschalls erfolgen kann. Es gelingt auch bis zu 10m lange
Strecken zu durchschallen und Fehlerstrukturen im Material bzw.
Verunreinigungen sichtbar zu machen. Bei der zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung werden Schweißnähte analysiert und der Schweißvorgang kann
kontrolliert beobachtet werden. Zur Schweißnahtprüfung werden häufig
Impulsverfahren angewendet. Eventuelle Lunker oder andere Inhomogenitäten
können leicht aus dem Impulsbild sichtbar festgestellt werden. Es gibt viele
kommerzielle Geräte. Neue Entwicklungen auf diesem Gebiet sind dadurch
gekennzeichnet, dass komplizierte Wandler eingesetzt wurden, die z.B. einen
wählbaren Winkelbereich überstreichen Mit Mikroprozessoren ausgestaltete
Geräte können dann äußerst vielgestaltige Auswertungen ermöglichen. Form,
Größe, Verteilung der Einschüsse oder Fehlerstellen können ermittelt werden,
wenn nicht nur die Amplitude, sondern auch der Frequenzinhalt der erhaltenen
Signale analysiert wird.
Ultraschallprüfung:
Das Verfahren beruht auf dem Prinzip
der Laufzeitmessung des Schalls. Fehler im Werkstückinneren, wie Risse,
Lunker in Gussteilen und Gasblasen, aber vor allem Bindefehler in
Schweißnähten, kann man nach Lage und Größe auf einem Bildschirm als
Resonanzwelle sichtbar machen, bei fehlerfreiem Werkstück dürfen keine
Resonanzwellen auftreten. Die Schallwellen, ausgesendet von einem
Schallkopf, werden nämlich an der Werkstückrückwand, aber auch an
Fehlerstellen reflektiert. An den Grenzflächen solcher Fehlerstellen treten
Änderungen der akustischen Eigenschaften auf und die Ursachen der
Schallschwächung in diese Fällen sind diffuse Reflexionen, also keine
Absorption. Durch Versetzen des Schallkopfes können Größe und Lage des
Fehlers im Werkstück lokalisiert werden. Nach dem selben Prinzip lässt sich
auch die Dicke von Werkstücken, z.B.: Blechdicke von Behältern,
Rohrwandstärke bestimmen. Die Eichung und Bedienung von Ultraschallgeräten
verlangt allerdings viel Geschick und Erfahrung.
Anwendung in Elektronik und
Mikroelektronik
Ultraschallschweißen:
Zu einer ausgereiften Technologie
haben sich in den zurückliegenden 30-40 Jahren das Ultraschalllöten und
-schweißen entwickelt. Löten und Schweißen stellen eine Anwendung des
Leistungsultraschalls dar. Verfolgte man ursprünglich vor allem das Ziel,
Aluminium und Aluminiumlegierungen zu löten, gelingt es heute, viele Metalle
durch Ultraschall zu schweißen. Die zu schweißenden Komponenten können
gleichartige und ungleichartige Metalle sein. Auch Plaste 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. Dieses Kaltpressschweißen hat den Nachteil, dass
hohe Drücke erforderlich sind und erhebliche Verformungen auftreten. Beim
Kaltpressschweißen kommt es zu einer innigen Berührung der Teile in der
Schweißebene und zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Dabei werden die
Oberflächenschichten zerstört und mit den Verschmutzungen seitlich
herausgequetscht. Eine Ultraschallschweißmaschine hat die Aufgabe,
hochfrequente mechanische Schwingungen zu erzeugen, diese der Schweißstelle
zuzuleiten und Schweißteile unter Druck zu fixieren.
Ultraschallmikroskop:
Das Mikroskop ist ein Gerät, mit dem
von einem sehr kleinen, für das Auge nicht mehr wahrnehmbares Objekt ein
deutlich vergrößertes Bild erzeugt wird. In Luft oder anderen durchsichtigen
Stoffen sind wir es gewöhnt, mit dem optischen Mikroskop zu arbeiten.
Schallwellen werden in Luft und in Gasen stark gedämpft, ihre Reichweite ist
gering. 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. Als weitere
Einsatzmöglichkeit seien genannt die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, die
Prüfung von Metalloberflächen und die Untersuchung von Festkörpern auf
verschiedene Zustände.
Anwendung des
Leistungsultraschalls
Zielstellung des
Leistungsultraschalls ist die bewusst gezielte Stoffveränderung oder
-zerstörung. Deshalb ist es berechtigt zu sagen, dass das
Ultraschallschweißen eine Anwendung des Leistungsultraschalls ist, da dort
unter hohem Druck Material verändert wird, indem es zusammengeschweißt wird.
In der Biotechnologie werden Fermente aus tierischem und pflanzlichem
Material mittels Ultraschallkavitation extrahiert. Hier wird der Ultraschall
zur Zerstörung von schädlichen Mikroorganismen verwendet, z.B. beim Tierarzt
die Ultraschallzahnsteinentfernung bei Tieren mittels Ultraschall.
Literaturangabe
- Bertelsmann Universallexikon A-Z.
1.Auflage. Bertelsmann Bibliographisches Institut. Leipzig. 1988.
- Jugendlexikon. Gerhard Butzmann.
14.Auflage. Bertelsmann Bibliographisches Institut. Leipzig. 1987.
- Neues Großes Schülerlexikon. Erik
Fock und Heinz Gascha. Sonderausgabe. 1994.
- Schweißerlehrbuch. Zentralinstitut
für Schweißtechnik. Halle.
- Ultraschall in Wissenschaft und
Technik. Georg Sorge und P. Hautmann. 1.Auflage. BSB B.G. Teubner
Verlagsgesellschaft. Leipzig. 1985.
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