Der ultraschall
Der Ultraschall ist für das menschliche Ohr nicht hörbar und deren liegen Frequenzen im Allgemeinen über 20 000 Hertz, also dauert eine Schwingung 0.00005 Sekunden!. Mit modernen Ultraschallgeneratoren kann man Frequenzen von bis zu einigen Gigahertz (Abkürzung: GHz) erreichen; ein Gigahertz entspricht einer Milliarde Hertz. Hierbei werden elektrische Wechselströme der betreffenden Frequenz in mechanische Schwingungen umgesetzt. Zum Nachweis und zur Frequenzbestimmung von Ultraschall verwendet man z. B.
einen piezoelektrischen Empfänger. Mit einem so genannten Schallsichtgerät lassen sich Ultraschallwellen sichtbar machen. In diesem Gerät befindet sich ein Behälter mit Wasser. Auf dem Wasser schwimmen feinste Aluminiumspäne, die sich je nach Schalldruck unterschiedlich ausrichten. Das Ganze wird von der Seite beleuchtet, wobei die Aluminiumpartikel das Licht unterschiedlich stark reflektieren. Auf dem entstehenden "Bild" stammen die hellen Abschnitte von den Teilchen, die stark vom Schallfeld zur Ausrichtung angeregt wurden.
Die dunklen Flächen stammen von Teilchen, die kaum oder überhaupt nicht angeregt wurden.
Der Ultraschall wird inzwischen in vielen Bereichen angewandt, so in Physik, Chemie, Technik, Materialwissenschaft und Medizin. Ultraschallwellen nutzt man auch beim Sonar für Forschungs- und Navigationszwecke oder beispielsweise zum Aufspüren von Fischschwärmen. Ultraschallwellen dienen außerdem zum Erzeugen von Emulsionen, etwa beim Homogenisieren von Milch oder bei der Produktion photographischer Filme, sowie zur Suche nach Materialfehlern in Werkstoffen. Mit Hilfe von Ultraschall mit Frequenzen im Gigahertzbereich kann man im Ultraschallmikroskop noch Details von nur einem Mikrometer (ein millionstel Meter) Größe erkennen.
In der Technik:
Echolot
Das Echolot ist ein elektroakustisches Gerät zur Messung der Wassertiefe mit Hilfe von Schallwellen.
Die ausgesendeten Schall- oder Ultraschallschwingungen pflanzen sich im Wasser fort und werden vom Meeresboden reflektiert. Nach Eintreffen des Echos ermittelt das Gerät aus der Zeitdifferenz zwischen Aussenden des Schalls und seines Wiedereintreffens die Wassertiefe, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen im Wasser berücksichtigt wird, und zeigt sie an. Der Schall kann auch von anderen Dingen wie Riffs, Wracks oder Fischschwärmen reflektiert werden.
Sonar
Sonar (Abkürzung für die englische Bezeichnung: SOund Navigation And Ranging; Ultraschallunterwasseranlage), in der Schifffahrt ein Navigations- und Ortungsmessgerät, dessen Funktionsweise auf der Reflexion von Schallwellen unter Wasser beruht.
Ein typisches Sonarsystem sendet Ultraschallimpulse durch ein im Wasser befindliches Gerät aus. Über ein empfindliches Mikrophon, dem Hydrophon, werden Untiefen, Eisberge, andere Hindernisse oder U-Boote geortet.
Die Sonartechnologie wendet man aber auch in anderen Bereichen an. In der Ozeanographie lassen sich z. B. Meeresböden und Tiefseebecken mit verschiedenen akustischen Hilfsmitteln untersuchen.
Ultraschalldiagnostik
In der Medizin ist der Ultraschall inzwischen ein gängiges Hilfsmittel zur Diagnose und zum Zerstören von krankem Gewebe wie auch zum Heilen von geschädigtem Gewebe. Mit Ultraschall kann man beispielsweise behandeln: Schleimbeutelentzündungen, einige Arten rheumatischer Arthritis, Gicht und Muskelverletzungen.
Auch Nierensteine können mit Ultraschall zerstört werden. Bei der Diagnose bietet der Ultraschall zuweilen mehr Möglichkeiten als die Röntgenstrahlen. Denn mit Röntgenstrahlen kann man die geringen Dichteunterschiede des Gewebes bei manchen Krebsarten nicht immer erkennen. Beim Durchdringen verschiedener Gewebe im Körper werden die Ultraschallwellen jeweils auf eine ganz bestimmte Art gebrochen oder reflektiert, je nach der Dichte und der Elastizität des Gewebes. Bei diathermischen (wärmedurchlässigen) Vorrichtungen können Ultraschallwellen eingesetzt werden, um im Körperinneren Wärme zu erzeugen (aufgrund des Wärmewiderstands bestimmter Gewebearten) Dies führt zu einer gesteigerten Durchblutung, zur Muskellockerung und hat auch eine schmerzlindernde Wirkung. Dieses Verfahren nutzt man in der Physiotherapie aus.
Beim Auftreffen der Schallwellen auf die Gewebeoberfläche kommt es zu einer Frequenzänderung des reflektierten Strahles. Das so erzeugte Schallreflexionsmuster wird in einem Computer verarbeitet und in bewegte Bilder oder eine Photographie umgesetzt. Die Schallwellen werden von schnell oszillierenden (schwingenden) Kristallen im elektrischen Wechselfeld erzeugt. Der Kristall schwingt etwa 500-mal pro Sekunde. Ein Schallkopf dient zur Übertragung der Schallwellen und als Empfänger der Echos (Schallreflexion). Die Ultraschallquelle muss nahe an die Haut gebracht werden.
Zur Verbesserung der Akustik wird bei der Ultraschalldiagnose ein Gel auf die Haut aufgetragen. Luft, Knochen und andere mineralisierte Gewebe absorbieren Ultraschallstrahl nahezu vollständig. Aus diesem Grund eignet sich dieses Diagnoseverfahren nicht zur Untersuchung von Knochen oder der Lunge. Flüssigkeiten dagegen leiten Ultraschallwellen gut, so dass diese Technik zur Untersuchung flüssigkeitshaltiger Körperstrukturen, z.B. der Blase oder Gallenblase, sowie zur Darstellung des Fetus in der Fruchtblase angewendet wird.
Es eignet sich auch zur Untersuchung des arteriellen und venösen Gefäßsystems, des Herzens, der Bauchspeicheldrüse, Bauchhöhle, Harnwege, Eierstöcke, des Gehirns und des Rückenmarkes. Die Ultraschalldiagnostik des Herzens wird als Echokardiographie bezeichnet. Damit lassen sich angeborene Herzfehler, Herzgefäßerkrankungen, Herztumore und andere Störungen erkennen. Ultraschall dient auch zur optischen Kontrolle bestimmter chirurgischer Eingriffe
Verwendung in der Schwangerschaft
Das bekannteste Anwendungsgebiet ist die Gynäkologie mit der Untersuchung des Fetus während der Schwangerschaft. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen werden Ultraschallwellen als weitgehend ungefährlich für die Mutter und den Embryo angesehen. Die Ultraschalluntersuchung dient der Überwachung des Wachstums und der Entwicklung des Ungeborenen sowie zur Ermittlung des Geburtstermins.
Mit Hilfe dieser Untersuchung lässt sich die Schädelgröße des Fetus vermessen und daraus sein Alter ableiten. Auch fetale Missbildungen wie Zwergwuchs oder schwere Herzfehler sind auf dem Ultraschallmonitor zu erkennen. In diesen Fällen kann durch Früherkennung noch während der Schwangerschaft und sofort nach der Geburt eine geeignete Behandlung eingeleitet werden. Der Ultraschall hat aber auch Nachteile, z.B. haben schwedische Forscher herausgefunden, dass nach Ultraschalluntersuchungen mehr Linkshändler geboren wurden, da die Untersuchungen offenbar einen Einfluss auf das Gehirn des Fetus ausübten.
Oder wurde mit Hilfe eines winzigen Mikrophons in der Gebärmutter ein ziemlich lautes Brummen von 100db festgestellt, welches durch elektrische Pulse des Diagnosegeräts ausgelöst worden sei. Der Schallkopf des Geräts sollte daher nicht direkt auf das Ohr des Fetus gerichtet sein.
In der Natur:
Wale
Viele Wale können ihre Umwelt und die Objekte ihrer Umgebung mit Hilfe von Echolotlauten erkunden. Sie richten Laute, die sie in der Kopfregion erzeugen, auf ein Objekt und empfangen die von diesem Objekt zurückgeworfenen Schallwellen; auf diese Weise vermögen die Tiere u. a. feine Unterschiede hinsichtlich Größe, Dichte, Entfernung von Objekten zu erkennen.
Dieses System der Umweltwahrnehmung ist zur Orientierung, zur Navigation und zum Beutefang in dunklen oder trüben Gewässern zweifellos von enormem Vorteil. Es ist letztendlich ein Mittel, um die gleichen Informationen, die der Mensch und die meisten anderen Landsäugetiere aufgrund ihres Gesichtssinnes erhalten, durch Abtasten mittels Lauten zu erlangen
Delphine
Delphine besitzen durch die Sonarortung eine der erstaunlichsten Sinnesleistungen im Tierreich. Zur Orientierung senden sie hochfrequente Ortungslaute aus, die vom Menschen als Klicklaute wahrgenommen werden können. Die Klicklaute werden in der Kehlkopftasche erzeugt und von einem ölgefüllten Organ, das direkt unter der Atemöffnung liegt, rund 300-mal pro Sekunde ausgestoßen. Die Echos werden im hinteren Bereich des Unterkiefers empfangen und ins Mittelohr geleitet. Dieses Echolotsystem ist dem der Fledermäuse ähnlich.
Es ermöglicht Delphinen, zwischen Artgenossen und größeren Objekten zu unterscheiden, Hindernisse zu umgehen und sogar Fischarten, Tintenschnecken und kleine Garnelen zu orten.
Fledermäuse
Die Fledermaus kann sogar feststellen, um welches Insekt es sich handelt. Fledermäuse "sehen" ihre Umwelt sozusagen mit dem Gehör. Daher verlieren sie auch in völliger Dunkelheit nie die Orientierung. Die Laute werden im Kehlkopf gebildet und entweder durch Mund oder Nase ausgestoßen. Die Tonhöhen oder Frequenzen liegen bei etwa 20 bis 120; insbesondere jüngere Menschen können aber manchmal die Ortungsrufe von Abendseglern wahrnehmen.
Bei der Annäherung an ein Beuteinsekt sendet die Fledermaus ihre Rufe in immer schnellerer Folge aus. Wenn man Fledermausrufe durch einen Ultraschalldetektor hörbar macht, nimmt man dies als charakteristisches Summen wahr. Manche tropischen Pflanzen, die von Fledermäusen bestäubt werden, haben speziell geformte Blütenblätter, die Ultraschallrufe der Fledermäuse besonders gut reflektieren. Nektar suchende Fledermäuse werden dadurch auf diese Blüten aufmerksam. Wie die Zeitschrift Naturwissenschaften 2000 mitteilte, sind Wasserfledermäuse die ersten Säuger, von denen bekannt ist, dass bei ihnen Haarsinneszellen im Innenohr nachwachsen.
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