Ultraschall
Als Ultraschall bezeichnet man Schall mit Frequenzen oberhalb des Hörfrequenzbereichs des Menschen. Er umfasst Frequenzen ab 20 kHz bis 10 GHz; Schall oberhalb dieser Grenze wird als Hyperschall bezeichnet. ⓘ
Schall mit Frequenzen unterhalb der Hörgrenze des Menschen, d. h. <16 Hz, ist Infraschall. ⓘ
Umgangssprachlich bezeichnet man mit „Ultraschall“ auch die Sonografie, ein bildgebendes Untersuchungsverfahren in der Medizin. ⓘ
In Gasen und Flüssigkeiten breitet sich Ultraschall überwiegend als Longitudinalwelle aus. In Festkörpern können sich wegen hier möglicher Schubspannungen auch Transversalwellen ausbreiten. Der Übergang von Luftschall in Festkörper oder Flüssigkeiten (oder umgekehrt) ist wegen der unterschiedlichen Schallimpedanzen nur eingeschränkt möglich. ⓘ
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). ⓘ
Ultraschall wird in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt. Ultraschallgeräte werden eingesetzt, um Objekte zu erkennen und Entfernungen zu messen. Die Ultraschallbildgebung oder Sonografie wird häufig in der Medizin eingesetzt. Bei der zerstörungsfreien Prüfung von Produkten und Strukturen wird Ultraschall eingesetzt, um unsichtbare Fehler zu erkennen. In der Industrie wird Ultraschall zum Reinigen, Mischen und Beschleunigen von chemischen Prozessen eingesetzt. Tiere wie Fledermäuse und Schweinswale nutzen Ultraschall zur Ortung von Beute und Hindernissen. ⓘ
Geschichte
Die Akustik, die Wissenschaft vom Schall, geht zurück auf Pythagoras im 6. Jahrhundert v. Chr., der über die mathematischen Eigenschaften von Saiteninstrumenten schrieb. Die Echoortung bei Fledermäusen wurde 1794 von Lazzaro Spallanzani entdeckt, als er nachwies, dass Fledermäuse nicht durch Sehen, sondern durch unhörbare Töne jagen und navigieren. Francis Galton erfand 1893 die Galton-Pfeife, eine verstellbare Pfeife, die Ultraschall erzeugte. Er nutzte sie, um den Hörbereich von Menschen und anderen Tieren zu messen und zeigte, dass viele Tiere Töne hören können, die über dem Hörbereich des Menschen liegen. Die erste technische Anwendung des Ultraschalls war ein Versuch von Paul Langevin im Jahr 1917, U-Boote aufzuspüren. Der piezoelektrische Effekt, den Jacques und Pierre Curie 1880 entdeckten, wurde in Schallwandlern zur Erzeugung und Erkennung von Ultraschallwellen in Luft und Wasser genutzt. ⓘ
Definition
Ultraschall wird vom American National Standards Institute als "Schall mit Frequenzen von mehr als 20 kHz" definiert. In Luft bei Atmosphärendruck haben Ultraschallwellen Wellenlängen von 1,9 cm oder weniger. ⓘ
Arbeitsschutz in der Industrie
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. 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. ⓘ
Die Richtlinie VDI 3766 ergänzt die technischen Anforderungen der DIN 61672-1 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 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. ⓘ
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. Aufgrund dieser Unsicherheiten, auch über die Wirksamkeit organisatorischer und persönlicher Schutzmaßnahmen, scheint es sinnvoll, Ultraschall aussendende Maschinen nur mit Kapselung zu vertreiben. ⓘ
Die ICNIRP (damals International Non-Ionizing Radiation Committee, kurz INIRC) hat ab Schallfrequenzen von 20 kHz Grenzwerte von 110 dB Schalldruckpegel (Schalldruck in Dezibel, bezogen auf die Hörschwelle 20 µPa) bei täglich 8 h Exposition am Arbeitsplatz sowie 100 dB für Expositionen der Öffentlichkeit empfohlen, was die IRPA 1983 bestätigt hat. Kinder können jedoch teilweise bis 30 kHz hören und auch manche Erwachsene können Töne über 22 kHz wahrnehmen oder entwickeln Krankheitssymptome, auch wenn sie die Töne nicht bewusst wahrnehmen. Ultraschall bis 25 kHz kann wahrgenommen werden, wenn der Schallpegel hoch genug ist. ⓘ
Der Mensch
Die obere Frequenzgrenze beim Menschen (etwa 20 kHz) ist auf die Grenzen des Mittelohrs zurückzuführen. Hörempfindungen können auftreten, wenn hochintensiver Ultraschall direkt in den menschlichen Schädel geleitet wird und die Cochlea durch Knochenleitung erreicht, ohne das Mittelohr zu passieren. ⓘ
Kinder können einige hohe Töne hören, die ältere Erwachsene nicht hören können, da die obere Grenze des Hörvermögens beim Menschen mit dem Alter abnimmt. Ein amerikanisches Mobiltelefonunternehmen hat dies ausgenutzt, um Klingeltöne zu erzeugen, die angeblich nur für jüngere Menschen hörbar sind, aber viele ältere Menschen können die Töne hören, was auf die erheblichen Unterschiede bei der altersbedingten Verschlechterung der oberen Hörschwelle zurückzuführen sein könnte. Der Mosquito ist ein elektronisches Gerät, das eine hohe Tonfrequenz verwendet, um Jugendliche vom Herumlungern abzuhalten. ⓘ
Tiere
Fledermäuse nutzen eine Reihe von Techniken zur Ultraschallortung (Echoortung), um ihre Beute aufzuspüren. Sie können Frequenzen jenseits von 100 kHz, möglicherweise bis zu 200 kHz, wahrnehmen. ⓘ
Viele Insekten haben ein gutes Ultraschallgehör, und die meisten von ihnen sind nachtaktive Insekten, die nach echolokalisierenden Fledermäusen lauschen. Dazu gehören viele Gruppen von Nachtfaltern, Käfern, Gottesanbeterinnen und Florfliegen. Wenn sie eine Fledermaus hören, machen einige Insekten Ausweichmanöver, um nicht gefangen zu werden. Ultraschallfrequenzen lösen beim Nachtfalter eine Reflexhandlung aus, die ihn veranlasst, sich im Flug leicht zu senken, um einem Angriff zu entgehen. Tigermotten senden auch Klicklaute aus, die die Echoortung von Fledermäusen stören können, und in anderen Fällen kündigen sie mit ihren Tönen an, dass sie giftig sind. ⓘ
Der Hörbereich von Hunden und Katzen reicht bis in den Ultraschallbereich hinein; das obere Ende des Hörbereichs eines Hundes liegt bei etwa 45 kHz, das einer Katze bei 64 kHz. Die wilden Vorfahren von Hunden und Katzen entwickelten diesen höheren Hörbereich, um hochfrequente Töne ihrer bevorzugten Beute, kleiner Nagetiere, zu hören. Eine Hundepfeife ist eine Pfeife, die Ultraschall aussendet und zum Trainieren und Rufen von Hunden verwendet wird. Die Frequenz der meisten Hundepfeifen liegt im Bereich von 23 bis 54 kHz. ⓘ
Zahnwale, einschließlich Delfine, können Ultraschall hören und nutzen diese Töne in ihrem Navigationssystem (Biosonar) zur Orientierung und zum Beutefang. Schweinswale haben mit etwa 160 kHz die höchste bekannte obere Hörgrenze. Mehrere Fischarten können Ultraschall wahrnehmen. In der Ordnung Clupeiformes können die Mitglieder der Unterfamilie Alosinae (Maifische) nachweislich Töne bis zu 180 kHz wahrnehmen, während die anderen Unterfamilien (z. B. Heringe) nur bis zu 4 kHz hören können. ⓘ
Ultraschallgenerator-/Lautsprechersysteme werden als elektronische Schädlingsbekämpfungsgeräte verkauft, die angeblich Nagetiere und Insekten verscheuchen, aber es gibt keine wissenschaftlichen Beweise dafür, dass diese Geräte funktionieren. ⓘ
Detektion und Entfernungsmessung
Berührungsloser Sensor
Ein Ultraschall-Füllstands- oder Erfassungssystem erfordert keinen Kontakt mit dem Ziel. Für viele Prozesse in der medizinischen, pharmazeutischen, militärischen und allgemeinen Industrie ist dies ein Vorteil gegenüber Inline-Sensoren, die die Flüssigkeiten in einem Behälter oder Rohr verunreinigen oder durch das Produkt verstopft werden können. ⓘ
Es werden sowohl Dauerstrich- als auch gepulste Systeme verwendet. Das Prinzip der Impuls-Ultraschalltechnologie besteht darin, dass das Sendesignal aus kurzen Ultraschallenergiestößen besteht. Nach jedem Impuls sucht die Elektronik nach einem Rücksignal innerhalb eines kleinen Zeitfensters, das der Zeit entspricht, die die Energie für den Durchgang durch den Behälter benötigt. Nur ein Signal, das innerhalb dieses Zeitfensters empfangen wird, kommt für die weitere Signalverarbeitung in Frage. ⓘ
Eine beliebte Verbraucheranwendung der Ultraschallentfernungsmessung war die Polaroid SX-70 Kamera, die ein leichtes Wandlersystem zur automatischen Fokussierung der Kamera enthielt. Später lizenzierte Polaroid diese Ultraschalltechnologie und sie wurde zur Grundlage für eine Vielzahl von Ultraschallprodukten. ⓘ
Bewegungsmelder und Durchflussmessung
Eine häufige Ultraschallanwendung ist ein automatischer Türöffner, bei dem ein Ultraschallsensor die Annäherung einer Person erkennt und die Tür öffnet. Ultraschallsensoren werden auch zur Erkennung von Eindringlingen eingesetzt; der Ultraschall kann von einem einzigen Punkt aus einen großen Bereich abdecken. Die Strömung in Rohren oder offenen Kanälen kann mit Ultraschall-Durchflussmessern gemessen werden, die die Durchschnittsgeschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit messen. In der Rheologie beruht ein akustisches Rheometer auf dem Prinzip des Ultraschalls. In der Strömungsmechanik kann die Strömung von Flüssigkeiten mit einem Ultraschall-Durchflussmesser gemessen werden. ⓘ
Zerstörungsfreie Prüfung
Die Ultraschallprüfung ist eine Art der zerstörungsfreien Prüfung, die häufig zum Auffinden von Materialfehlern und zur Messung der Dicke von Gegenständen eingesetzt wird. Üblich sind Frequenzen von 2 bis 10 MHz, aber für spezielle Zwecke werden auch andere Frequenzen verwendet. Die Prüfung kann manuell oder automatisch erfolgen und ist ein wesentlicher Bestandteil moderner Fertigungsverfahren. Die meisten Metalle können geprüft werden, ebenso wie Kunststoffe und Verbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt. Ultraschall mit niedrigeren Frequenzen (50-500 kHz) kann auch für die Prüfung weniger dichter Materialien wie Holz, Beton und Zement verwendet werden. ⓘ
Die Ultraschallprüfung von Schweißnähten ist seit den 1960er Jahren eine Alternative zur Radiographie für die zerstörungsfreie Prüfung. Die Ultraschallprüfung macht den Einsatz ionisierender Strahlung überflüssig, was Sicherheits- und Kostenvorteile mit sich bringt. Ultraschall kann auch zusätzliche Informationen liefern, z. B. über die Tiefe von Fehlern in einer Schweißverbindung. Die Ultraschallprüfung hat sich von manuellen Methoden zu computergesteuerten Systemen entwickelt, die einen Großteil des Prozesses automatisieren. Eine Ultraschallprüfung einer Verbindung kann das Vorhandensein von Fehlern feststellen, ihre Größe messen und ihre Position bestimmen. Nicht alle geschweißten Werkstoffe eignen sich gleichermaßen für die Ultraschallprüfung; einige Werkstoffe weisen eine große Korngröße auf, die bei den Messungen ein starkes Hintergrundrauschen verursacht. ⓘ
Die Ultraschalldickenmessung ist eine Technik zur Überwachung der Qualität von Schweißnähten. ⓘ
Entfernungsmessung mit Ultraschall
Eine häufige Anwendung von Ultraschall ist die Entfernungsmessung unter Wasser; diese Anwendung wird auch als Sonar bezeichnet. Ein Ultraschallimpuls wird in einer bestimmten Richtung erzeugt. Befindet sich ein Objekt im Pfad dieses Impulses, wird ein Teil oder der gesamte Impuls als Echo zum Sender zurückreflektiert und kann über den Empfängerpfad erfasst werden. Durch Messung der Zeitdifferenz zwischen dem gesendeten Impuls und dem empfangenen Echo kann die Entfernung bestimmt werden. ⓘ
Die gemessene Laufzeit von Sonarimpulsen im Wasser ist stark von der Temperatur und dem Salzgehalt des Wassers abhängig. Die Ultraschall-Entfernungsmessung wird auch für Messungen in der Luft und für kurze Entfernungen eingesetzt. Mit handgehaltenen Ultraschallmessgeräten kann zum Beispiel der Grundriss von Räumen schnell vermessen werden. ⓘ
Obwohl die Entfernungsmessung unter Wasser sowohl bei subakustischen als auch bei akustischen Frequenzen für große Entfernungen (1 bis mehrere Kilometer) durchgeführt wird, wird die Ultraschall-Entfernungsmessung verwendet, wenn die Entfernungen kürzer sind und die Genauigkeit der Entfernungsmessung feiner sein soll. Ultraschallmessungen können durch Sperrschichten mit großen Salz-, Temperatur- oder Wirbelunterschieden eingeschränkt sein. Die Entfernungsmessung im Wasser variiert von Hunderten bis Tausenden von Metern, kann aber mit einer Genauigkeit von Zentimetern bis Metern durchgeführt werden. ⓘ
Ultraschall-Identifizierung (USID)
Ultraschall-Identifikation (USID) ist ein Echtzeit-Ortungssystem (Real-Time Locating System, RTLS) oder ein Indoor Positioning System (IPS), das zur automatischen Verfolgung und Identifizierung des Standorts von Objekten in Echtzeit eingesetzt wird. Dabei werden einfache, kostengünstige Knoten (Badges/Tags) verwendet, die an Objekten und Geräten angebracht oder in diese eingebettet sind und dann ein Ultraschallsignal aussenden, um ihren Standort an Mikrofonsensoren zu übermitteln. ⓘ
Bildgebung
Das Potenzial für die Ultraschallbildgebung von Objekten, bei der eine 3-GHz-Schallwelle eine mit einem optischen Bild vergleichbare Auflösung erzeugt, wurde 1939 von Sokolov erkannt, aber die damaligen Techniken lieferten relativ kontrastarme Bilder mit geringer Empfindlichkeit. Die Ultraschallbildgebung verwendet Frequenzen von 2 Megahertz und höher; die kürzere Wellenlänge ermöglicht die Auflösung kleiner innerer Details in Strukturen und Geweben. Die Leistungsdichte beträgt in der Regel weniger als 1 Watt pro Quadratzentimeter, um Erhitzungs- und Kavitationseffekte im Untersuchungsobjekt zu vermeiden. In der akustischen Mikroskopie werden Hoch- und Ultrahoch-Ultraschallwellen mit Frequenzen von bis zu 4 Gigahertz verwendet. Zu den Anwendungen der Ultraschallbildgebung gehören die zerstörungsfreie Prüfung in der Industrie, die Qualitätskontrolle und medizinische Anwendungen. ⓘ
Akustische Mikroskopie
Bei der akustischen Mikroskopie werden Schallwellen eingesetzt, um Strukturen sichtbar zu machen, die zu klein sind, um vom menschlichen Auge erfasst zu werden. In akustischen Mikroskopen werden Frequenzen bis zu mehreren Gigahertz verwendet. Durch die Reflexion und Beugung von Schallwellen an mikroskopischen Strukturen können Informationen gewonnen werden, die mit Licht nicht möglich sind. ⓘ
Humanmedizin
Medizinischer Ultraschall ist ein auf Ultraschall basierendes diagnostisches medizinisches Bildgebungsverfahren, das zur Visualisierung von Muskeln, Sehnen und vielen inneren Organen verwendet wird, um deren Größe, Struktur und eventuelle pathologische Läsionen mit Echtzeit-Tomographiebildern zu erfassen. Ultraschall wird seit mindestens 50 Jahren von Radiologen und Sonographen zur Darstellung des menschlichen Körpers eingesetzt und ist zu einem weit verbreiteten Diagnoseinstrument geworden. Die Technologie ist relativ kostengünstig und tragbar, insbesondere im Vergleich zu anderen Verfahren wie der Magnetresonanztomographie (MRT) und der Computertomographie (CT). Ultraschall wird auch zur Visualisierung von Föten bei der routinemäßigen Schwangerenvorsorge und bei Notfällen eingesetzt. Solche diagnostischen Anwendungen während der Schwangerschaft werden als geburtshilfliche Sonographie bezeichnet. So wie sie derzeit in der Medizin angewandt wird, birgt ein ordnungsgemäß durchgeführter Ultraschall keine bekannten Risiken für den Patienten. Bei der Sonographie wird keine ionisierende Strahlung verwendet, und die für die Bildgebung verwendeten Leistungspegel sind zu niedrig, um schädliche Wärme- oder Druckeffekte im Gewebe zu verursachen. Obwohl die langfristigen Auswirkungen der Ultraschallexposition bei diagnostischer Intensität noch nicht bekannt sind, sind die meisten Ärzte derzeit der Meinung, dass der Nutzen für die Patienten die Risiken überwiegt. Für eine Ultraschalluntersuchung wird das ALARA-Prinzip (As Low As Reasonably Achievable - so niedrig wie vernünftigerweise erreichbar) befürwortet, d. h., dass die Scanzeit und die Leistungseinstellungen so niedrig wie möglich gehalten werden, aber im Einklang mit der diagnostischen Bildgebung stehen, und dass nach diesem Prinzip von nichtmedizinischen Anwendungen, die per Definition nicht notwendig sind, aktiv abgeraten wird. ⓘ
Ultraschall wird auch zunehmend in Trauma- und Erste-Hilfe-Fällen eingesetzt, wobei der Notfall-Ultraschall zu einem festen Bestandteil der meisten Rettungsteams geworden ist. Darüber hinaus wird Ultraschall bei der Ferndiagnose eingesetzt, wenn eine Telekonsultation erforderlich ist, z. B. bei wissenschaftlichen Experimenten im Weltraum oder bei der Diagnose von mobilen Sportteams. ⓘ
Laut RadiologyInfo ist Ultraschall nützlich bei der Erkennung von Anomalien im Beckenbereich und kann Techniken umfassen, die als abdominale (transabdominale) Ultraschalluntersuchung, vaginale (transvaginale oder endovaginale) Ultraschalluntersuchung bei Frauen und auch rektale (transrektale) Ultraschalluntersuchung bei Männern bekannt sind. ⓘ
Veterinärmedizin
Diagnostischer Ultraschall wird bei Pferden äußerlich zur Beurteilung von Weichteil- und Sehnenverletzungen und innerlich insbesondere bei der Fortpflanzung eingesetzt - zur Beurteilung des Fortpflanzungstrakts der Stute und zur Feststellung der Trächtigkeit. Auch bei Hengsten kann er äußerlich zur Beurteilung des Hodenzustands und des Hodendurchmessers sowie innerlich zur Beurteilung der Fortpflanzung (Samenleiter usw.) eingesetzt werden. ⓘ
Seit 2005 wird die Ultraschalltechnologie in der Rindfleischindustrie eingesetzt, um die Tiergesundheit und den Ertrag der Rinderbetriebe zu verbessern. Ultraschall wird zur Beurteilung der Fettdicke, des Rippenaugenbereichs und des intramuskulären Fetts bei lebenden Tieren eingesetzt. Außerdem werden damit der Gesundheitszustand und die Eigenschaften ungeborener Kälber beurteilt. ⓘ
Mit Hilfe der Ultraschalltechnologie können Viehzüchter Informationen gewinnen, die zur Verbesserung der Zucht und Haltung von Rindern genutzt werden können. Die Technologie kann teuer sein und erfordert einen erheblichen Zeitaufwand für die kontinuierliche Datenerfassung und die Schulung der Bediener. Dennoch hat sich diese Technologie bei der Verwaltung und Führung eines Rinderzuchtbetriebs als nützlich erwiesen. ⓘ
Verarbeitung und Leistung
Hochleistungs-Ultraschallanwendungen arbeiten häufig mit Frequenzen zwischen 20 kHz und einigen hundert kHz. Die Intensitäten können sehr hoch sein; bei mehr als 10 Watt pro Quadratzentimeter kann in flüssigen Medien Kavitation ausgelöst werden, und einige Anwendungen verwenden bis zu 1000 Watt pro Quadratzentimeter. Solch hohe Intensitäten können chemische Veränderungen hervorrufen oder durch direkte mechanische Einwirkung erhebliche Wirkungen erzielen und schädliche Mikroorganismen inaktivieren. ⓘ
Physikalische Therapie
Ultraschall wird seit den 1940er Jahren von Physio- und Ergotherapeuten zur Behandlung von Bindegewebe eingesetzt: Bänder, Sehnen und Faszien (und auch Narbengewebe). Zu den Erkrankungen, bei denen Ultraschall zur Behandlung eingesetzt werden kann, gehören beispielsweise: Bänderzerrungen, Muskelzerrungen, Sehnenentzündungen, Gelenkentzündungen, Plantarfasziitis, Metatarsalgie, Facettenreizung, Impingement-Syndrom, Schleimbeutelentzündung, rheumatoide Arthritis, Osteoarthritis und Narbenverklebungen. ⓘ
Biomedizinische Anwendungen
Ultraschall hat diagnostische und therapeutische Anwendungen, die bei vorsichtiger Dosierung von großem Nutzen sein können. Ultraschall mit relativ hoher Leistung kann steinige Ablagerungen oder Gewebe aufbrechen, die Wirkung von Medikamenten in einem bestimmten Bereich beschleunigen, bei der Messung der elastischen Eigenschaften von Gewebe helfen und zum Sortieren von Zellen oder kleinen Partikeln für die Forschung verwendet werden. ⓘ
Ultraschall-Impakt-Behandlung
Bei der Ultraschall-Schlagbehandlung (UIT) wird Ultraschall eingesetzt, um die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Metallen zu verbessern. Es handelt sich um eine metallurgische Bearbeitungstechnik, bei der Ultraschallenergie auf ein Metallobjekt angewendet wird. Die Ultraschallbehandlung kann zu einer kontrollierten Druckeigenspannung, Kornfeinung und Korngrößenverringerung führen. Die Ermüdung bei niedrigen und hohen Zyklen wird verbessert und ist nachweislich bis zu zehnmal höher als bei Proben ohne UIT. Darüber hinaus hat sich UIT bei der Behandlung von Spannungsrisskorrosion, Korrosionsermüdung und ähnlichen Problemen als wirksam erwiesen. ⓘ
Wenn das UIT-Werkzeug, das aus dem Ultraschallwandler, den Stiften und anderen Komponenten besteht, mit dem Werkstück in Kontakt kommt, koppelt es sich akustisch an das Werkstück an und erzeugt harmonische Resonanz. Diese harmonische Resonanz erfolgt bei einer sorgfältig kalibrierten Frequenz, auf die Metalle sehr gut ansprechen. ⓘ
Je nach den gewünschten Behandlungseffekten wird eine Kombination aus verschiedenen Frequenzen und Auslenkungsamplituden angewandt. Die Frequenzen liegen zwischen 25 und 55 kHz, die Auslenkungsamplitude des Resonanzkörpers zwischen 22 und 50 µm (0,00087 und 0,0020 in). ⓘ
UIT-Geräte basieren auf magnetostriktiven Wandlern. ⓘ
Verarbeitung
Die Ultraschalltechnik bietet ein großes Potenzial für die Verarbeitung von Flüssigkeiten und Schlämmen, indem sie die Vermischung und die chemischen Reaktionen in verschiedenen Anwendungen und Branchen verbessert. Ultraschall erzeugt in Flüssigkeiten abwechselnd Niederdruck- und Hochdruckwellen, die zur Bildung und zum gewaltsamen Zerfall kleiner Vakuumblasen führen. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet und verursacht mit hoher Geschwindigkeit auftreffende Flüssigkeitsstrahlen und starke hydrodynamische Scherkräfte. Diese Effekte werden für die Deagglomeration und Zerkleinerung von Materialien im Mikrometer- und Nanometerbereich sowie für den Zerfall von Zellen oder das Mischen von Reaktanten genutzt. In dieser Hinsicht ist die Ultraschallbehandlung eine Alternative zu Hochgeschwindigkeitsmischern und Rührwerkskugelmühlen. Ultraschallfolien unter dem laufenden Sieb in einer Papiermaschine nutzen die Stoßwellen der implodierenden Blasen, um die Zellulosefasern gleichmäßiger in der produzierten Papierbahn zu verteilen, was zu einem stärkeren Papier mit gleichmäßigeren Oberflächen führt. Darüber hinaus profitieren chemische Reaktionen von den freien Radikalen, die durch die Kavitation entstehen, sowie vom Energieeintrag und dem Stofftransport durch Grenzschichten. Bei vielen Prozessen führt dieser sonochemische (siehe Sonochemie) Effekt zu einer erheblichen Verkürzung der Reaktionszeit, wie bei der Umesterung von Öl zu Biodiesel. ⓘ
Für viele Verarbeitungsanwendungen, wie z. B. Nanokristallisation, Nanoemulgierung, Deagglomeration, Extraktion, Zellaufschluss und viele andere, sind eine erhebliche Ultraschallintensität und hohe Ultraschallschwingungsamplituden erforderlich. Üblicherweise wird ein Verfahren zunächst im Labormaßstab getestet, um die Durchführbarkeit zu prüfen und einige der erforderlichen Parameter für die Ultraschalleinwirkung festzulegen. Nach Abschluss dieser Phase wird das Verfahren in einen Pilotmaßstab (Prüfstand) übertragen, um die Vorproduktion im Durchflussverfahren zu optimieren, und dann in einen industriellen Maßstab für die kontinuierliche Produktion. Während dieser Scale-up-Schritte muss unbedingt sichergestellt werden, dass alle lokalen Expositionsbedingungen (Ultraschallamplitude, Kavitationsintensität, Verweilzeit in der aktiven Kavitationszone usw.) gleich bleiben. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, bleibt die Qualität des Endprodukts auf dem optimierten Niveau, während die Produktivität um einen vorhersehbaren "Scale-up-Faktor" erhöht wird. Die Produktivitätssteigerung ergibt sich aus der Tatsache, dass Ultraschallprozessorsysteme im Labor-, Tisch- und Industriemaßstab mit immer größeren Ultraschallhörnern ausgestattet sind, die in der Lage sind, immer größere Kavitationszonen mit hoher Intensität zu erzeugen und somit mehr Material pro Zeiteinheit zu verarbeiten. Dies wird als "direkte Skalierbarkeit" bezeichnet. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass eine Erhöhung der Leistung des Ultraschallprozessors allein nicht zu einer direkten Skalierbarkeit führt, da sie mit einer Verringerung der Ultraschallamplitude und der Kavitationsintensität einhergehen kann (und häufig auch einhergeht). Beim direkten Scale-up müssen alle Prozessbedingungen beibehalten werden, während die Leistung der Anlage erhöht wird, um den Betrieb eines größeren Ultraschallhorns zu ermöglichen. ⓘ
Manipulation und Charakterisierung von Partikeln mit Ultraschall
Ein Forscher des Industrial Materials Research Institute, Alessandro Malutta, entwickelte ein Experiment, das die Einfangwirkung stehender Ultraschallwellen auf in Wasser verdünnte Zellstofffasern und deren parallele Ausrichtung in äquidistante Druckebenen demonstrierte. Die Zeit bis zur Ausrichtung der Fasern in den äquidistanten Ebenen wird mit einem Laser und einem elektro-optischen Sensor gemessen. Dies könnte der Papierindustrie ein schnelles Online-System zur Messung der Fasergröße bieten. Eine etwas andere Implementierung wurde an der Pennsylvania State University mit einem Mikrochip demonstriert, der ein Paar senkrecht stehender akustischer Oberflächenwellen erzeugte, mit denen sich Partikel in gleichem Abstand zueinander auf einem Gitter positionieren ließen. Dieses Experiment, das als akustische Pinzette bezeichnet wird, kann für Anwendungen in den Materialwissenschaften, der Biologie, Physik, Chemie und Nanotechnologie genutzt werden. ⓘ
Reinigung mit Ultraschall
Ultraschallreiniger, die manchmal fälschlicherweise als Überschallreiniger bezeichnet werden, werden bei Frequenzen von 20 bis 40 kHz für Schmuck, Linsen und andere optische Teile, Uhren, zahnmedizinische Instrumente, chirurgische Instrumente, Tauchregler und industrielle Teile verwendet. Ein Ultraschallreiniger funktioniert hauptsächlich durch die Energie, die durch das Kollabieren von Millionen von mikroskopisch kleinen Kavitationsblasen in der Nähe der verschmutzten Oberfläche freigesetzt wird. Die durch das Kollabieren der Kavitation entstandenen Bläschen bilden winzige Schockwellen, die die Verunreinigungen auf der Oberfläche des Objekts aufbrechen und zerstreuen. ⓘ
Zertrümmerung mit Ultraschall
Ähnlich wie bei der Ultraschallreinigung können auch biologische Zellen, einschließlich Bakterien, zersetzt werden. Hochleistungsultraschall erzeugt Kavitation, die den Zerfall von Partikeln oder Reaktionen erleichtert. Dies wird in der Biologie zu analytischen oder chemischen Zwecken (Sonikation und Sonoporation) und zur Abtötung von Bakterien in Abwässern eingesetzt. Hochleistungsultraschall kann Maisgülle auflösen und die Verflüssigung und Verzuckerung für eine höhere Ethanolausbeute in Trockenmaismühlen verbessern. ⓘ
Ultraschall-Luftbefeuchter
Der Ultraschall-Luftbefeuchter, eine Art Vernebler (ein Gerät, das einen sehr feinen Sprühnebel erzeugt), ist eine beliebte Art von Luftbefeuchter. Bei diesem Gerät wird eine Metallplatte mit Ultraschallfrequenzen in Schwingungen versetzt, um das Wasser zu zerstäuben (manchmal fälschlicherweise als "atomisieren" bezeichnet). Da das Wasser für die Verdunstung nicht erhitzt wird, entsteht ein kühler Nebel. Die Ultraschalldruckwellen vernebeln nicht nur das Wasser, sondern auch im Wasser enthaltene Stoffe wie Kalzium, andere Mineralien, Viren, Pilze, Bakterien und andere Verunreinigungen. Krankheiten, die durch Verunreinigungen im Reservoir eines Luftbefeuchters verursacht werden, fallen unter den Begriff "Befeuchterfieber". ⓘ
Ultraschallbefeuchter werden häufig in der Aeroponik verwendet, wo sie im Allgemeinen als Fogger bezeichnet werden. ⓘ
Ultraschallschweißen
Beim Ultraschallschweißen von Kunststoffen werden hochfrequente (15 kHz bis 40 kHz) Schwingungen mit geringer Amplitude eingesetzt, um durch Reibung zwischen den zu verbindenden Materialien Wärme zu erzeugen. Die Grenzfläche zwischen den beiden Teilen ist speziell so gestaltet, dass die Energie konzentriert wird, um eine maximale Schweißfestigkeit zu erreichen. ⓘ
Sonochemie
Leistungsultraschall im Bereich von 20-100 kHz wird in der Chemie verwendet. Der Ultraschall interagiert nicht direkt mit den Molekülen, um die chemische Veränderung auszulösen, da seine typische Wellenlänge (im Millimeterbereich) im Vergleich zu den Molekülen zu lang ist. Stattdessen verursacht die Energie Kavitation, die in der Flüssigkeit, in der die Reaktion stattfindet, extreme Temperaturen und Drücke erzeugt. Ultraschall bricht auch Feststoffe auf und entfernt passivierende Schichten aus inertem Material, so dass eine größere Oberfläche für die Reaktion zur Verfügung steht. Durch diese beiden Effekte wird die Reaktion beschleunigt. Im Jahr 2008 berichtete Atul Kumar über die Synthese von Hantzsch-Estern und Polyhydrochinolin-Derivaten über ein Mehrkomponenten-Reaktionsprotokoll in wässrigen Mizellen unter Verwendung von Ultraschall. ⓘ
Ultraschall wird bei der Extraktion mit verschiedenen Frequenzen eingesetzt. ⓘ
Drahtlose Kommunikation
Im Juli 2015 berichtete The Economist, dass Forscher an der University of California, Berkeley, Ultraschallstudien mit Graphen-Membranen durchgeführt haben. Die geringe Dicke und das geringe Gewicht von Graphen in Verbindung mit seiner Stärke machen es zu einem effektiven Material für die Ultraschallkommunikation. Eine vorgeschlagene Anwendung der Technologie wäre die Unterwasserkommunikation, wo sich Radiowellen normalerweise nicht gut ausbreiten können. ⓘ
Ultraschallsignale wurden in "Audio-Beacons" für die geräteübergreifende Verfolgung von Internetnutzern eingesetzt. ⓘ
Andere Anwendungen
Ultraschall findet in der Technik und Medizin diverse Anwendungen:
- Laufzeitmessung ausgesandter Ultraschall-Impulse:
- Sonar, Echolot: Tiefenmessung und Meeresbodenuntersuchung aus Wasser- und Unterwasserfahrzeugen heraus, Fischfinder
- Frühe Entfernungsmesser (in Luft), etwa für Autofokus-Objektive (Polaroid)
- berührungslose Füllstandsmessung
- Sonografie und Echokardiografie zur Untersuchung von Mensch und Tier
- Einparkhilfen, Abstandswarner
- Unterwasser-Peilsender für Flugschreiber
- Ausnutzung des Dopplereffektes:
- Messung der Windgeschwindigkeit mit Ultraschallanemometer
- Ultraschalldurchflusssensor für Rohre und Kanäle
- Bewegungsmelder
- Messung der Blutstromgeschwindigkeit mittels Dopplereffekt
- Ultraschalldichtemessung
- Materialbearbeitung:
- Ultraschallschwingläppen
- Ultraschallreinigung
- Ultraschallschweißen
- Ultraschall-Schneiden
- Faseraufschluss
- Ultraschallmikroskop
- Ultraschallmotoren / -antriebe
- Berührungslose Handhabung mit Ultraschall ⓘ
- Informationsverarbeitung und -übertragung
- Frühe Fernbedienungen (Ende 1950er bis ca. Mitte der 1970er Jahre) für Fernsehgeräte
- akustische Verzögerungsleitungen zur Signalverzögerung in elektronischen Schaltungen
- Akustische Oberflächenwellenfilter, -sensoren, Keramikschwinger, Schwingquarze
- Werkstoffprüfungen und Strukturuntersuchungen:
- Ultraschallprüfgeräte: über Reflexe an Unstetigkeitsstellen der Dichte und ihre Signal-Laufzeit können ungewünschte Einschlüsse, Lunker oder Risse entdeckt werden
- Schichtdickenmessung, auch auf nicht-metallischen Untergründen und bei mehrschichtigen Systemen
- Ultraschalltherapie
- Ultraschall-Zellaufschluss, 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
- Hochintensiver fokussierter Ultraschall: Geschwürbehandlung, Steinzertrümmerung (Lithotripsie)
- Entfernung von Zahnstein durch wassergekühlte, hochfrequent schwingende Metallspitze
- Ultraschallvernebler: Zerstäuben, Vernebeln, Emulgieren, Dispergieren und Mischen von Flüssigkeiten (beispielsweise bei Luftbefeuchtern, Nebelmaschinen)
- Entgasung von Flüssigkeiten
- Akustooptische Modulatoren (AOM)
- Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von Flüssigkeiten mittels Debye-Sears-Effekt
- Geräte zur Abschreckung von Mardern (Marderabwehr) und anderen Tieren, die vor Ultraschall flüchten sollen
- Hundepfeifen
- Kommunikation mit Fledermäusen und Delfinen zu Forschungszwecken
- Aufzeichnung der Ultraschallvokalisation von Ratte und Maus (ultrasonic vocalization) wird in der psychopharmakologischen Forschung wie auch in der neurowissenschaftlichen Verhaltensforschung genutzt.
- Doppelbogenkontrolle mit Ultraschall in der Drucktechnik
- Apparative Kosmetik: Mikromassage und Regeneration der Haut und Einschleusung kosmetischer Wirkstoffe (Sonophorese / Phonophorese) ⓘ
Wenn Ultraschall in bestimmten Konfigurationen eingesetzt wird, können kurze Lichtblitze erzeugt werden, ein exotisches Phänomen, das als Sonolumineszenz bekannt ist. Dieses Phänomen wird unter anderem wegen der Möglichkeit der Blasenfusion untersucht (eine Kernfusionsreaktion, von der man annimmt, dass sie während der Sonolumineszenz stattfindet). ⓘ
Ultraschall wird bei der Charakterisierung von Partikeln durch die Technik der Ultraschalldämpfungsspektroskopie oder durch die Beobachtung elektroakustischer Phänomene oder durch transkraniellen gepulsten Ultraschall eingesetzt. ⓘ
Audio kann durch modulierten Ultraschall übertragen werden. ⓘ
Eine früher beliebte Anwendung von Ultraschall für Verbraucher waren Fernbedienungen für Fernseher, mit denen die Lautstärke eingestellt und der Sender gewechselt werden konnte. Das von Zenith in den späten 1950er Jahren eingeführte System bestand aus einer Handfernbedienung mit kurzen Stabresonatoren, die von kleinen Hämmern angeschlagen wurden, und einem Mikrofon am Gerät. Filter und Detektoren sorgten für die Unterscheidung zwischen den verschiedenen Vorgängen. Der Hauptvorteil bestand darin, dass das Handsteuergerät keine Batterie benötigte und dass der Ultraschall im Gegensatz zu Radiowellen keine Auswirkungen auf benachbarte Geräte haben konnte. Ultraschall wurde bis zu seiner Verdrängung durch Infrarotsysteme in den späten 1980er Jahren verwendet. ⓘ
Sicherheit
Eine berufsbedingte Ultraschallexposition von mehr als 120 dB kann zu Gehörverlust führen. Eine Exposition von mehr als 155 dB kann Erwärmungseffekte hervorrufen, die für den menschlichen Körper schädlich sind, und es wurde berechnet, dass eine Exposition von mehr als 180 dB zum Tod führen kann. Die unabhängige britische Beratungsgruppe für nichtionisierende Strahlung (AGNIR) erstellte 2010 einen Bericht, der von der britischen Health Protection Agency (HPA) veröffentlicht wurde. In diesem Bericht wird ein Grenzwert für die Exposition der Bevölkerung gegenüber Luftschalldruckpegeln (SPL) von 70 dB (bei 20 kHz) und 100 dB (bei 25 kHz und darüber) empfohlen. ⓘ
Erzeugung und Registrierung der Ultraschallwellen
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 Piezoeffekts 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. ⓘ
Um Fledermausrufe hörbar zu machen, gibt es Fledermausdetektoren, die die Rufe mit einem Mikrofon aufnehmen, den Frequenzbereich der im Ultraschallbereich liegenden Rufe in den hörbaren Bereich verschieben und diese Signale über einen Lautsprecher oder einen Kopfhörer wiedergeben. ⓘ
Ultraschallerzeugung in Pflanzen
Bäume erzeugen bei Wassermangel auch Ultraschall-Geräusche. 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. ⓘ