Ultraschall: Anwendung in Medizin und Technik

Schall besteht aus Schwingungen, die sich als Welle durch Luft, Wasser oder feste Stoffe ausbreiten. Die Frequenz gibt an, wie viele Schwingungen pro Sekunde stattfinden, und wird in Hertz (Hz) gemessen. Menschen hören Töne etwa von 20 Hz bis 20 000 Hz. Schall mit einer höheren Frequenz heißt Ultraschall. Wir hören ihn nicht, aber er verhält sich physikalisch genauso wie hörbarer Schall.

Weil die Frequenz so hoch ist, ist die Wellenlänge sehr klein. Bei 40 000 Hz in Luft beträgt sie nur etwa 8,6 Millimeter. Das ist der entscheidende Vorteil: Eine kurze Welle lässt sich wie ein dünner Strahl bündeln und wird schon von kleinen Gegenständen zurückgeworfen. Deshalb eignet sich Ultraschall, um Entfernungen genau zu messen und feine Strukturen sichtbar zu machen.

Auch Tiere nutzen Ultraschall. Fledermäuse stoßen Rufe im Bereich von 20 000 bis über 100 000 Hz aus und hören das Echo von Insekten. Delfine orientieren sich ähnlich im Wasser. Der Mensch hat dieses Prinzip technisch nachgebaut, und genau das untersuchen wir in dieser Lektion.

In der Medizin ist das Ultraschallbild die bekannteste Anwendung. Ein Schallkopf sendet Impulse in den Körper. An Grenzflächen zwischen Geweben, etwa zwischen Flüssigkeit und Organ, wird ein Teil des Schalls zurückgeworfen. Aus der Laufzeit und der Stärke der Echos berechnet ein Computer ein Bild. Der große Vorteil: Anders als bei Röntgenstrahlung gibt es keine Strahlenbelastung, deshalb ist die Untersuchung auch in der Schwangerschaft üblich.

Damit der Schall überhaupt in den Körper gelangt, trägt der Arzt ein Gel auf die Haut auf. Zwischen Schallkopf und Haut würde sonst eine dünne Luftschicht liegen, und an Luft wird fast der gesamte Ultraschall zurückgeworfen. Das Gel verdrängt die Luft und lässt den Schall hindurch.

In der Technik misst die Einparkhilfe den Abstand zu einem Hindernis, ein Echolot die Wassertiefe, und bei der Werkstoffprüfung zeigt ein Echo aus dem Inneren eines Bauteils einen verborgenen Riss. Mit sehr hoher Leistung kann Ultraschall außerdem reinigen: In Ultraschallbädern lösen winzige Bläschen Schmutz von Brillen, Schmuck und Werkzeugen.

Der häufigste Fehler ist, die Halbierung zu vergessen. Wer s gleich v mal t rechnet, erhält den Weg des Schalls hin und zurück und damit die doppelte Entfernung. Im Beispiel der Einparkhilfe käme dann 2,06 m statt 1,03 m heraus, und das Auto würde viel zu früh warnen.

Der zweite Fehler betrifft die Einheiten. Die Zeit wird in Medizin und Technik oft in Millisekunden oder Mikrosekunden angegeben. Rechne sie vor dem Einsetzen in Sekunden um: 6 ms sind 0,006 s und 130 Mikrosekunden sind 0,00013 s. Auch bei der Frequenz sind Kilohertz üblich, 40 kHz sind 40 000 Hz.

Drittens glauben viele, Ultraschall sei schneller als hörbarer Schall. Das stimmt nicht: Die Geschwindigkeit hängt nur vom Stoff und seiner Temperatur ab, nicht von der Frequenz. Ultraschall hat lediglich eine kleinere Wellenlänge, und deshalb eine bessere Auflösung.

Im Alltag begegnet dir Ultraschall häufiger, als du denkst. Neben Einparkhilfe und Ultraschallbild gibt es Entfernungsmesser für Heimwerker, Bewegungsmelder und Reinigungsgeräte für Brillen. Tierabwehrgeräte senden Töne aus, die Katzen oder Marder vertreiben sollen und für Menschen unhörbar sind.

In der Klassenarbeit werden meist drei Dinge verlangt: die Hörbereiche nennen, mit dem Echo-Verfahren eine Entfernung berechnen und eine Anwendung erklären. Schreibe zuerst auf, was gegeben ist, und rechne die Zeit in Sekunden um. Notiere die Formel, setze ein und prüfe am Ende, ob das Ergebnis zur Aufgabe passt. Eine Mauer in 1000 Metern Entfernung wäre bei einer Einparkhilfe offensichtlich Unsinn.

Bei Erklärungsfragen helfen drei Schlüsselwörter: Impuls, Reflexion und Laufzeit. Erkläre in dieser Reihenfolge, was passiert, und nenne die Halbierung des Laufwegs ausdrücklich. Damit zeigst du, dass du das Prinzip verstanden hast.