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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. |
