Реферат на тему:
Ultraschall und seine Anwendung
Allgemeines
Ultraschall ist ein Schall bzw. sind Schallwellen, die vom menschlichen
Ohr nicht mehr gehoert werden koennen. Seine Frequenzen sind hoeher als
20 kHz. Ultraschall wird durch elektrisch erregte Kristalle von Quarz
erzeugt. Einsatzgebiete des Ultraschalls findet man heute in der
Metallurgie beim Loeten von Aluminium, Ultraschallschweissen und
-bohren, in der chemischen Industrie z.B. beim Reinigen von
Oberflaechen, Mischen und Homogenisieren von Fluessigkeiten, in der
medizinischen Therapie und vor allem in der medizinischen Diagnostik, in
der Werkstoffpruefung, der Messtechnik und Prozessueberwachung, der
Lebensmittelindustrie, Elektronik und Mikroelektronik sowie in den
Bereichen des Waschens von Textilien, zur Herstellung feinster
fotografischer Emulsion, zur Nachrichtenuebermittlung unter Wasser und
bei der Echolotung auf Seeschiffen. Seine groesste 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 zerstoert
oder geschaedigt wuerde. Anlass fuer den enormen Aufschwung der
Ultraschallanwendungen sind neben der gewaltigen Entwicklung der
elektronisch – mikroelektronischen Messtechnik vor allem auch die
gewachsenen Kenntnisse ueber die physikalischen Eigenschaften.
Anwendung in der Medizin
Von jeher war es der Wunsch der Aerzte einmal in den Menschen
“hineinschauen” zu koennen, ohne ihn aufschneiden zu muessen. Dies
gelang erstmals nach der Entdeckung der Roentgenstrahlen 1895. Parallel
zur Roentgendiagnostik wurde die Ultraschalldiagnostik entwickelt. Sie
ist oft einfacher und weniger aufwendig. Bei Ultraschalluntersuchungen
ermoeglicht der infolge unterschiedlicher akustischer Widerstaende an
Grenzflaechen reflektierte Schall den Aufbau eines Bildes.
Voraussetzungen fuer 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 Grenzflaechen zwischen Gewebe
und Luft, akustisch unterschiedlichen Geweben und an den Grenzflaechen
zw. Knochen und Geweben. Der Stand der kommerziell erwerbbaren
Ultraschallgeraete fuer Therapie und Diagnostik macht den Einsatz des
Ultraschalls in vielen Bereichen moeglich und ist auf verschiedenen
Gebieten anderen Methoden ueberlegen, z.B. in der Ausmessung der Frucht
im Mutterleib oder der sonorgraphischen Nachweisbarkeit von Steinen, die
im Roentgenbild keinen Schatten ergeben. Beim Einsatz des Ultraschalls
handelt es sich um nichtinvasive und nichtionisierende Pruef- und
Heilverfahren. Weitere Anwendung auf medizinischen Gebieten findet der
Ultraschall in: Heilbehandlung des Auge – innere Organe –
Unterleibsdiagnostik – zur Feststellung von Leberabnormalitaeten – fuer
Gallenblasen- und Nierenuntersuchung – bei Harnblasenkontrollen – zur
Milz- und Bauchspeicheldruesenuntersuchung – Gynaekologie – bei
Durchblutungsstoerungen – zur Herzuntersuchung – bei krankhaften
Veraenderungen 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 Schallintensitaeten genutzt, die dem jungen Leben
keinen Schaden zufuegen. Hierbei ist sehr wichtig, dass Ultraschall eine
mechanische Welle und keine elektromagnetische Strahlung ist. In einer
Betreuung sollen Risikofaelle (z.B. ob sich das Kind in Form und Figur
normal entwickelt) ermittelt werden. Es folgt u.a. die Feststellung von
Mehrlingsgeburten, die Diagnose ausgepraegter Fehlbildungen, sogar das
Geschlecht kann man bestimmen, und viele andere Hinweise fuer eine
komplikationslose Geburt koennen gewonnen werden. Ultraschall gelangt in
den menschlichen Koerper, indem man ueber geeignete Koppelmedien (Oele,
Wasser, Gel) den Ultraschallwandler so auf die Haut aufbringt, dass
keine Luftzwischenschicht o.a. die Schalluebertragung stoert. Auf dem
Weg in das Koerperinnere kommt es nun zu einer Wechselwirkung zwischen
Schall und dem biologischen Gewebe, den Knochen etc.. Ultraschall findet
auch Anwendung bei vielen entzuendlichen 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 Grenzflaechen
unterschiedlicher Gewebestrukturen im Koerper ausgenutzt.
Anwendung in der Natur
Ultraschall kann nicht nur kuenstlich erzeugt werden, sondern ist
bereits in der Natur vorhanden, denn vieles von dem, was der Mensch in
den letzten 50 Jahren auf diesem Gebiet muehsam entwickelt hat,
beherrscht der Delphin seit Jahrtausenden. Es ist bekannt, dass sein
Sehvermoegen sehr begrenzt ist. Durch sein hervorragend funktionierendes
Schallorientierungssystem reagiert er sehr schnell und exakt auf
auftretende Hindernisse selbst in der Dunkelheit des Meeres. Fuer
Tierarten wie Fledermaeuse hat der Ultraschall auch eine grosse
Bedeutung. Ihre Ultraschall – Echo – Orientierung ist eine perfekte
Sinnesleistung in dem Sinne, dass sie ohne diese nicht leben koennen. In
der Natur gibt es eine Reihe von Tierarten – von vielen wissen wir es
vielleicht noch gar nicht – deren Hoerbereich andersartiger bzw.
umfangreicher ist als der des Menschen. Die meisten dieser Tierarten
benutzen den Ultraschall vor allem zur Informationsuebertragung. Das
akustische Orientierungssystem scheint bei den Fledermaeusen am
ausgereiftesten zu sein. Fledermaeuse koennen mit dem Echo – Peilsystem
ihre Beutetiere sehr genau “orten” . Die sogenannten
“Ultraschallschreie” werden bei Fledermaeusen im Kehlkopf, der als
Schallerzeuger dient, erzeugt und durch den leicht geoeffneten Mund nach
aussen abgegeben. Treffen diese ausgesendeten Ultraschallwellen auf
einen fliegenden Koerper, z.B. ein kleines Beutetier, so werden sie
reflektiert und gelangen zurueck zum Ohr, das als Schallsignalempfaenger
dient. Die Hoerorgane der Fledermaeuse muessen zu extremer Schallanalyse
hinsichtlich der Frequenz, Frequenzveraenderung oder der Intensitaet, zu
einem perfekten und selektiven Analysieren imstande sein. Das
Ultraschall – Echo – Orientierungssystem dient den Fledermaeusen dazu,
sich von der Umgebung ein “Hoerbild” zu machen und ihre Beute zu orten.
Echolot
Geraet, mit dem aus der Laufzeit eines ausgestrahlten und nach Reflexion
wieder empfangenen Ultraschallimpulses Entfernungen bestimmt werden,
z.B. die Tiefe von Gewaessern, Fischschwaermen, Gletschern oder die
Flughoehe von Flugzeugen. Man unterscheidet zwischen Passiv – und
Aktivortung. Bei der Passivortung werden die von einem interessierenden
Objekt ausgesendeten Geraeusche empfangen und analysiert. Bei der
Aktivortung werden entsprechend aufbereitete Signale ausgesendet, und
von Hindernissen reflektierten Signale werden empfangen und praezise
analysiert.
Spezialfall Schiff:
Auf einem Schiff werden Ultraschallimpulse ausgesendet und vom
Meeresboden bzw. Fischschwaermen reflektiert und gelangen zurueck zum
Empfaenger (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 zurueckgeschickt 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 Roentgenstrahlen. Es gelingt bis zu 10m lange
Strecken zu durchschallen und z.B. Fehlstrukturen des Materials bzw.
Verunreinigungen sichtbar zu machen.
Ultraschallpruefung als Qualitaetskontrolle:
Vor allem in den letzten Jahren hat sich die Ultraschallpruefung zur
Qualitaetskontrolle durchgesetzt. Durch hoehere Effektivitaet der
Prueftechnik, die Pruefungsmoeglichkeit an groesseren Schweissnahtdicken
und durch bessere Nachweisbarkeit bestimmter Fehlerarten (z.B.: Risse,
Bindefehler) ist die Ultraschallpruefung auch zu einer wertvollen
Ergaenzung der Roentgen- und Gammadefektoskopie geworden, vor allem
aufgrund keiner Schaedigung der Gesundheit und durch eine
kostenguenstigere Alternative zu anderen Methoden (wie z.B.
Roentgenstrahlen). Bei der Qualitaetskontrolle mittels Ultraschall sind
zwei Richtungen zu unterscheiden. Einmal kann aus der Messung von
Geschwindigkeit und Absorption eine integrale Information ueber die
Struktur, die Qualitaet 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 Groessenordnung der Wellen haben.
Ultraschallwellen werden von Metallen kaum absorbiert. Es wird die
Eigenschaft der Reflexion von Schallwellen ausgenutzt, die an
Grenzflaechen, aber auch an Fehlstellen, die z.B. durch Risse
entstanden, auftritt. Trifft solch ein Schallimpuls auf einen
Schweissnahtfehler, so wird er je nach Groesse und Form an der
Trennflaeche reflektiert. Die zurueckkehrenden Wellen werden vom
Pruefkopf wieder aufgenommen und auf dem Bildschirm als mehr oder
weniger hohes Fehlerecho angezeigt, es kann somit die Fehlergroesse in
Laenge und Breite, jedoch nicht in Tiefe angenaehert nachgewiesen werden
(Hoehe des Fehlerechos ist nicht immer gleich der Groesse des Fehlers).
Die Fehlerart des Werkstueckes kann allerdings mittels Ultraschall nicht
erkannt werden. Eine der wichtigsten Anwendungen ist die
Qualitaetskontrolle im Flugzeugbau.
Zerstoerungsfreie Werkstoffpruefung:
Neben der Qualitaetskontrolle wird der Ultraschall also auch zur
zerstoerungsfreien Werkstoffpruefung verwendet. Ein wesentlicher Vorteil
des Ultraschalls in der Metallurgie besteh darin, dass im homogenen
Material die Schallabsorption wesentlich geringer ist als bei
Roentgenstrahlen und somit eine genauere Bestimmung der Fehler im
Werkstueck 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 zerstoerungsfreien
Werkstoffpruefung werden Schweissnaehte analysiert und der
Schweissvorgang kann kontrolliert beobachtet werden. Zur
Schweissnahtpruefung werden haeufig Impulsverfahren angewendet.
Eventuelle Lunker oder andere Inhomogenitaeten koennen leicht aus dem
Impulsbild sichtbar festgestellt werden. Es gibt viele kommerzielle
Geraete. Neue Entwicklungen auf diesem Gebiet sind dadurch
gekennzeichnet, dass komplizierte Wandler eingesetzt wurden, die z.B.
einen waehlbaren Winkelbereich ueberstreichen Mit Mikroprozessoren
ausgestaltete Geraete koennen dann aeusserst vielgestaltige Auswertungen
ermoeglichen. Form, Groesse, Verteilung der Einschuesse oder
Fehlerstellen koennen ermittelt werden, wenn nicht nur die Amplitude,
sondern auch der Frequenzinhalt der erhaltenen Signale analysiert wird.
Ultraschallpruefung:
Das Verfahren beruht auf dem Prinzip der Laufzeitmessung des Schalls.
Fehler im Werkstueckinneren, wie Risse, Lunker in Gussteilen und
Gasblasen, aber vor allem Bindefehler in Schweissnaehten, kann man nach
Lage und Groesse auf einem Bildschirm als Resonanzwelle sichtbar machen,
bei fehlerfreiem Werkstueck duerfen keine Resonanzwellen auftreten. Die
Schallwellen, ausgesendet von einem Schallkopf, werden naemlich an der
Werkstueckrueckwand, aber auch an Fehlerstellen reflektiert. An den
Grenzflaechen solcher Fehlerstellen treten Aenderungen der akustischen
Eigenschaften auf und die Ursachen der Schallschwaechung in diese
Faellen sind diffuse Reflexionen, also keine Absorption. Durch Versetzen
des Schallkopfes koennen Groesse und Lage des Fehlers im Werkstueck
lokalisiert werden. Nach dem selben Prinzip laesst sich auch die Dicke
von Werkstuecken, z.B.: Blechdicke von Behaeltern, Rohrwandstaerke
bestimmen. Die Eichung und Bedienung von Ultraschallgeraeten verlangt
allerdings viel Geschick und Erfahrung.
Anwendung in Elektronik und Mikroelektronik
Ultraschallschweissen:
Zu einer ausgereiften Technologie haben sich in den zurueckliegenden
30-40 Jahren das Ultraschallloeten und -schweissen entwickelt. Loeten
und Schweissen stellen eine Anwendung des Leistungsultraschalls dar.
Verfolgte man urspruenglich vor allem das Ziel, Aluminium und
Aluminiumlegierungen zu loeten, gelingt es heute, viele Metalle durch
Ultraschall zu schweissen. Die zu schweissenden Komponenten koennen
gleichartige und ungleichartige Metalle sein. Auch Plaste schweisst man
mit Ultraschall. Fuer das Loeten mit Ultraschall nutzt man die
Ultraschallkavitation aus. Man benoetigt ein Flussmittel z.B. Zinn, das
zum Loetzweck erwaermt werden muss. Die bekannteste
Ultraschallschweissmethode ist das Kaltpressschweissen. Dieses
Kaltpressschweissen hat den Nachteil, dass hohe Druecke erforderlich
sind und erhebliche Verformungen auftreten. Beim Kaltpressschweissen
kommt es zu einer innigen Beruehrung der Teile in der Schweissebene und
zu einer stoffschluessigen Verbindung. Dabei werden die
Oberflaechenschichten zerstoert 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 Geraet, mit dem von einem sehr kleinen, fuer das
Auge nicht mehr wahrnehmbares Objekt ein deutlich vergroessertes Bild
erzeugt wird. In Luft oder anderen durchsichtigen Stoffen sind wir es
gewoehnt, mit dem optischen Mikroskop zu arbeiten. Schallwellen werden
in Luft und in Gasen stark gedaempft, ihre Reichweite ist gering. In
Festkoerpern und Fluessigkeiten koennen sie jedoch eindringen, auch wenn
sie optisch undurchsichtig sind. Schallwellen besitzen hier gegenueber
Lichtwellen einen grossen Vorteil. Mit dem akustischen Mikroskop werden
Objekte deutlich, die sich durch elastische Eigenschaften und
verschiedene Schallgeschwindigkeiten unterscheiden. Beim Ultraschall
ermoeglicht der an Grenzflaechen unterschiedlicher akustischer Impedanz
reflektierte Schall den Aufbau eines Bildes. Lichtmikroskop und
Ultraschallmikroskop sind keine Konkurrenten, sondern ergaenzen
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 haeufig stark in ihren
elastischen Eigenschaften. Da die Proben in Wasser eingebettet sind und
weder getrocknet noch angefaerbt oder dem Vakuum ausgesetzt werden
muessen, ist die Untersuchung am lebenden Material moeglich. 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 Einsatzmoeglichkeit seien genannt die zerstoerungsfreie
Werkstoffpruefung, die Pruefung von Metalloberflaechen und die
Untersuchung von Festkoerpern auf verschiedene Zustaende.
Anwendung des Leistungsultraschalls
Zielstellung des Leistungsultraschalls ist die bewusst gezielte
Stoffveraenderung oder -zerstoerung. Deshalb ist es berechtigt zu sagen,
dass das Ultraschallschweissen eine Anwendung des Leistungsultraschalls
ist, da dort unter hohem Druck Material veraendert wird, indem es
zusammengeschweisst wird. In der Biotechnologie werden Fermente aus
tierischem und pflanzlichem Material mittels Ultraschallkavitation
extrahiert. Hier wird der Ultraschall zur Zerstoerung von schaedlichen
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 Schuelerlexikon. Erik Fock und Heinz Gascha.
Sonderausgabe. 1994.
– Schweisserlehrbuch. Zentralinstitut fuer 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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