Ultraschall ist den meisten von medizinischen Untersuchungen, vor allem in der Schwangerschaft, bekannt. Aber was genau versteht man unter Ultraschall und wie wird er erzeugt? Hier finden Sie die physikalischen Hintergründe.

Ultraschall - das versteht ein Physiker darunter

Schall, also wellenartige Luftdruckschwankungen, die man hören kann, kennt eigentlich jeder. Das Ohr ist dafür empfindlich.
Charakteristisch für das Phänomen einer Welle ist die Frequenz, mit der diese schwingt.
Die Frequenz wird in der Einheit "Hertz" (abgekürzt: Hz) angegeben. 1 Hz bedeutet, dass 1 Schwingung pro Sekunde stattfindet. Man sieht schon an dieser Definition, dass man es also mit schnellen Vorgängen zu tun hat.
Die Schallwellenfrequenz, die ein Mensch in jungen Jahren, gerade noch hören kann, beträgt etwa 20.000 Hz und macht sich als Pfeifen bemerkbar. Mit zunehmendem Alter geht diese Hörgrenze allerdings nach unten.
Oberhalb dieser Grenze von 20.000 Hz spricht man von Ultraschall. Die von Menschen nicht hörbaren Ultraschallwellen unterscheiden sich also von den Schallwellen des Hörbereichs nur durch die höhere Frequenz und eine damit einhergehende kleinere Wellenlänge.

Hunde und vor allem Fledermäuse können Frequenzen aus diesem Ultraschallbereich bis sogar 100.000 Hz wahrnehmen.
Somit versteht man unter Ultraschall einen Bereich der Schallwellen, der ebenfalls auf Luftschwingungen basiert, jedoch wegen seiner hohen Frequenzen für das menschliche Ohr nicht wahrnehmbar ist.
Übrigens: Infraschall wird der Bereich unterhalb der menschlichen Hörgrenze von etwa 16-20 Hz genannt.

So wird Ultraschall erzeugt

Schwingquarze eignen sich hervorragend zur Erzeugung von Ultraschall sowie zu dessen Nachweis als Ultraschalldetektor.
Führt man einem kleinen Quarz, der meist als Blättchen aus einem Einkristall herausgeschnitten wurde, über aufgedampfte Elektroden eine elektrische Spannung zu, so zieht der Kristall sich zusammen. Dieser Effekt wird in der Literatur manchmal auch Elektrostriktion genannt.
Regt man diesen Kristall nun mit einer Wechselspannung an, wird er sich im Takt der Spannung periodisch verkürzen und verlängern, er schwingt. Solche Deformationsschwingungen sind dann besonders stark ausgeprägt, wenn die anregende Wechselfrequenz mit einer Schwingfrequenz des Kristalls übereinstimmt (Resonanzfall). Die Eigenfrequenz einer Quarzplatte ist zum Beispiel umso höher, je dünner sie ist.
Die Frequenzen solcher Schwingquarze umfassen - je nach Größe - einen Bereich von 1000 Hz bis etwa 150 MHz (1 MHz = 106 Hz; entspricht 1 Million Schwingungen pro Sekunde!).
Für eine Frequenz von 30 MHz wird zum Beispiel ein Plättchen von nur 0,1 mm Dicke benötigt.

Ultraschall in der Sonografie - einfach erklärt

Die wichtigste medizinische Ultraschallanwendung ist die Sonografie, bei der Frequenzen bis 40 MHz (entsprechend einer Wellenlänge von 0,1 mm) zum Einsatz kommen.
Im Jahr 1965 zeigte ein Ultraschallgerät erste Aufnahmen von Ungeborenen ohne zeitliche Verzögerung als Sonografie auf einem Monitor.
Mittlerweile hat der Ultraschall auch viele andere Bereiche der Medizin erobert, denn er ist gegenüber den in der Medizin ebenfalls verwendeten Röntgenstrahlen für das Gewebe unschädlich.
Ultraschall wird standardmäßig zur Untersuchung der Schilddrüse, des Herzens, der Niere und Galle (Steine?), der Harnwege und der Blase sowie zur Abklärung von Wasseransammlungen im Bauchraum benutzt.
Die Schallköpfe von medizinischen Ultraschallgeräten enthalten Piezo-Schwinger als Platte, Scheibe oder Stäbchen und liefern Ultraschallwellen im MHz-Bereich, die die Oberfläche des Quarzes senkrecht verlassen.
Die Geräte arbeiten mit dem sogenannten Impuls-Echo-Prinzip: Kurze Schallpulse wandern durch den Körper, also durch Haut, Fettgewebe, Blutgefäße und innere Organe.
Vereinfacht versteht man dieses Prinzip so: An Übergängen zwischen verschiedenen Gewebearten wird ein Teil des Schalls reflektiert, es entstehen Echos, die der Schallkopf registriert. Je später das Echo kommt, umso tiefer ist der Schall in den Körper eingedrungen. Alle Echos lassen sich dann zu einem Bild zusammensetzen.


Gruß raffisworld