Ultraschall -Ultrasound

Ultraschallbild (Sonogramm) eines Fötus im Mutterleib, betrachtet in der 12. Schwangerschaftswoche (zweidimensionaler Scan)
Eine Ultraschalluntersuchung
Fetaler Ultraschall

Ultraschall sind Schallwellen mit Frequenzen, die höher sind als die obere Hörgrenze des menschlichen Gehörs . Ultraschall unterscheidet sich in seinen physikalischen Eigenschaften nicht von „normalem“ (hörbarem) Schall, außer dass der Mensch ihn nicht hören kann. Diese Grenze ist von Person zu Person unterschiedlich und liegt bei gesunden jungen Erwachsenen bei etwa 20 Kilohertz (20.000 Hertz). Ultraschallgeräte arbeiten mit Frequenzen von 20 kHz bis zu mehreren Gigahertz.

Ultraschall wird in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt. Ultraschallgeräte werden verwendet, um Objekte zu erkennen und Entfernungen zu messen. Die Ultraschallbildgebung oder Sonographie wird häufig in der Medizin eingesetzt . Bei der zerstörungsfreien Prüfung von Produkten und Konstruktionen wird Ultraschall eingesetzt, um unsichtbare Fehler zu erkennen. Industriell wird Ultraschall zum Reinigen, Mischen und Beschleunigen chemischer Prozesse eingesetzt. Tiere wie Fledermäuse und Schweinswale nutzen Ultraschall zur Ortung von Beute und Hindernissen.

Geschichte

Galton-Pfeife, eines der ersten Geräte, das Ultraschall erzeugte

Die Akustik , die Wissenschaft des Klangs , geht bereits auf Pythagoras im 6. Jahrhundert v. Chr. zurück, der über die mathematischen Eigenschaften von Saiteninstrumenten schrieb . Die Echoortung bei Fledermäusen wurde 1794 von Lazzaro Spallanzani entdeckt , als er demonstrierte, dass Fledermäuse durch unhörbare Geräusche und nicht durch Sehen jagten und navigierten. Francis Galton erfand 1893 die Galton-Pfeife , eine einstellbare Pfeife , die Ultraschall erzeugte, mit der er den Hörbereich von Menschen und anderen Tieren maß und demonstrierte, dass viele Tiere Geräusche über dem Hörbereich von Menschen hören konnten. Die erste technologische Anwendung von Ultraschall war ein Versuch, U- Boote von Paul Langevin im Jahr 1917 zu erkennen. Der piezoelektrische Effekt , der 1880 von Jacques und Pierre Curie entdeckt wurde, war in Wandlern nützlich , um Ultraschallwellen in Luft und Wasser zu erzeugen und zu erkennen.

Definition

Ungefähre Frequenzbereiche, die dem Ultraschall entsprechen, mit groben Hinweisen auf einige Anwendungen

Ultraschall wird vom American National Standards Institute als „ Schall bei Frequenzen über 20 kHz“ definiert. In Luft bei atmosphärischem Druck haben Ultraschallwellen Wellenlängen von 1,9 cm oder weniger.

Wahrnehmung

Ein medizinisches Ultraschallergebnis auf einem Blatt Papier

Menschen

Die obere Frequenzgrenze beim Menschen (ca. 20 kHz) ist auf Einschränkungen des Mittelohrs zurückzuführen . Hörempfindungen können auftreten, wenn hochintensiver Ultraschall direkt in den menschlichen Schädel eingespeist wird und die Cochlea durch Knochenleitung erreicht , ohne das Mittelohr zu passieren.

Kinder können einige hohe Töne hören, die ältere Erwachsene nicht hören können, da beim Menschen die obere Grenzfrequenz des Hörvermögens mit zunehmendem Alter tendenziell abnimmt. Ein amerikanischer Mobilfunkanbieter hat damit Klingeltöne erzeugt, die angeblich nur für jüngere Menschen hörbar sind, aber viele ältere Menschen die Signale hören können, was an der stark variierenden altersbedingten Verschlechterung der oberen Hörschwelle liegen mag. Der Mosquito ist ein elektronisches Gerät, das eine hohe Frequenz verwendet, um junge Leute vom Herumlungern abzuhalten.

Tiere

Fledermäuse nutzen Ultraschall, um sich in der Dunkelheit zurechtzufinden.
Eine Hundepfeife , eine Pfeife, die Töne im Ultraschallbereich aussendet, dient zur Erziehung von Hunden und anderen Tieren

Fledermäuse verwenden eine Vielzahl von Ultraschall-Entfernungstechniken ( Echoortung ), um ihre Beute zu erkennen. Sie können Frequenzen über 100 kHz, möglicherweise bis zu 200 kHz, erkennen.

Viele Insekten haben ein gutes Ultraschall-Hörvermögen, und die meisten von ihnen sind nachtaktive Insekten, die nach echolokalisierenden Fledermäusen lauschen . Dazu gehören viele Gruppen von Motten , Käfern , Gottesanbeterinnen und Florfliegen . Einige Insekten machen beim Hören einer Fledermaus Ausweichmanöver , um nicht gefangen zu werden. Ultraschallfrequenzen lösen beim Nachtfalter einen Reflex aus , der ihn im Flug leicht fallen lässt, um Angriffen auszuweichen. Tigermotten geben auch Klicks ab, die die Echoortung von Fledermäusen stören können, und in anderen Fällen können sie die Tatsache ankündigen, dass sie giftig sind, indem sie Geräusche abgeben.

Der Hörbereich von Hunden und Katzen erstreckt sich bis in den Ultraschall; Das obere Ende des Hörbereichs eines Hundes liegt bei etwa 45 kHz, während der einer Katze bei 64 kHz liegt. Die wilden Vorfahren von Katzen und Hunden haben diesen höheren Hörbereich entwickelt, um hochfrequente Geräusche zu hören, die von ihrer bevorzugten Beute, kleinen Nagetieren, stammen. Eine Hundepfeife ist eine Pfeife, die Ultraschall aussendet und zum Trainieren und Rufen von Hunden verwendet wird. Die Frequenz der meisten Hundepfeifen liegt im Bereich von 23 bis 54 kHz.

Zahnwale , einschließlich Delfine , können Ultraschall hören und diese Geräusche in ihrem Navigationssystem ( Biosonar ) verwenden, um sich zu orientieren und Beute zu fangen. Schweinswale haben die höchste bekannte obere Hörgrenze bei etwa 160 kHz. Mehrere Fischarten können Ultraschall erkennen. In der Ordnung Clupeiformes konnten Mitglieder der Unterfamilie Alosinae ( Maische ) nachweislich Töne bis 180 kHz wahrnehmen, während die anderen Unterfamilien (z. B. Heringe ) nur bis 4 kHz hören können.

Ultraschall-Generator/Lautsprecher-Systeme werden als elektronische Schädlingsbekämpfungsgeräte verkauft , von denen behauptet wird, dass sie Nagetiere und Insekten verscheuchen , aber es gibt keinen wissenschaftlichen Beweis dafür, dass die Geräte funktionieren.

Erkennung und Entfernung

Berührungsloser Sensor

Ein Ultraschall-Füllstands- oder Sensorsystem erfordert keinen Kontakt mit dem Ziel. Für viele Prozesse in der medizinischen, pharmazeutischen, militärischen und allgemeinen Industrie ist dies ein Vorteil gegenüber Inline-Sensoren, die die Flüssigkeiten in einem Behälter oder Rohr kontaminieren oder durch das Produkt verstopft werden können.

Es werden sowohl Dauerstrich- als auch gepulste Systeme verwendet. Das Prinzip hinter einer gepulsten Ultraschalltechnologie besteht darin, dass das Sendesignal aus kurzen Impulsen von Ultraschallenergie besteht. Nach jedem Burst sucht die Elektronik innerhalb eines kleinen Zeitfensters nach einem Rücksignal, das der Zeit entspricht, die die Energie benötigt, um das Gefäß zu passieren. Nur ein während dieses Fensters empfangenes Signal qualifiziert sich für eine zusätzliche Signalverarbeitung.

Eine beliebte Verbraucheranwendung der Ultraschallentfernung war die Polaroid SX-70- Kamera, die ein leichtes Wandlersystem zum automatischen Fokussieren der Kamera enthielt. Später lizenzierte Polaroid diese Ultraschalltechnologie und sie wurde zur Grundlage einer Vielzahl von Ultraschallprodukten.

Bewegungssensoren und Durchflussmessung

Eine gängige Ultraschallanwendung ist ein automatischer Türöffner, bei dem ein Ultraschallsensor die Annäherung einer Person erkennt und die Tür öffnet. Ultraschallsensoren werden auch verwendet, um Eindringlinge zu erkennen; Der Ultraschall kann von einem einzigen Punkt aus einen weiten Bereich abdecken. Die Strömung in Rohren oder offenen Kanälen kann mit Ultraschall-Durchflussmessern gemessen werden, die die mittlere Geschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit messen. In der Rheologie beruht ein akustisches Rheometer auf dem Prinzip des Ultraschalls. In der Strömungsmechanik kann der Flüssigkeitsstrom mit einem Ultraschall-Durchflussmesser gemessen werden .

Zerstörungsfreie Prüfung

Prinzip der Fehlersuche mit Ultraschall. Ein Hohlraum im festen Material reflektiert etwas Energie zurück zum Wandler, der erfasst und angezeigt wird.

Die Ultraschallprüfung ist eine Art der zerstörungsfreien Prüfung , die üblicherweise verwendet wird, um Fehler in Materialien zu finden und die Dicke von Objekten zu messen. Frequenzen von 2 bis 10 MHz sind üblich, aber für spezielle Zwecke werden andere Frequenzen verwendet. Die Inspektion kann manuell oder automatisiert erfolgen und ist ein wesentlicher Bestandteil moderner Fertigungsprozesse. Die meisten Metalle können ebenso inspiziert werden wie Kunststoffe und Luft- und Raumfahrtverbundwerkstoffe . Niederfrequenter Ultraschall (50–500 kHz) kann auch verwendet werden, um weniger dichte Materialien wie Holz , Beton und Zement zu prüfen .

Die Ultraschallprüfung von Schweißverbindungen ist seit den 1960er Jahren eine Alternative zur Radiographie für die zerstörungsfreie Prüfung . Die Ultraschallinspektion eliminiert den Einsatz ionisierender Strahlung, was zu Sicherheits- und Kostenvorteilen führt. Ultraschall kann auch zusätzliche Informationen wie die Tiefe von Fehlern in einer Schweißverbindung liefern. Die Ultraschallprüfung hat sich von manuellen Verfahren zu computergestützten Systemen entwickelt, die einen Großteil des Prozesses automatisieren. Eine Ultraschallprüfung einer Verbindung kann das Vorhandensein von Fehlern identifizieren, ihre Größe messen und ihren Ort identifizieren. Nicht alle geschweißten Materialien eignen sich gleichermaßen für die Ultraschallprüfung; Einige Materialien haben eine große Korngröße, die bei Messungen ein hohes Hintergrundrauschen erzeugt.

Zerstörungsfreie Prüfung einer Schwenkwelle mit Spline - Rissbildung

Die Ultraschall-Dickenmessung ist eine Technik, die verwendet wird, um die Qualität von Schweißnähten zu überwachen.

Ultraschall-Entfernungsmessung

Prinzip eines aktiven Sonars

Eine übliche Anwendung von Ultraschall ist die Unterwasser -Entfernungsmessung ; diese Verwendung wird auch Sonar genannt . Ein Ultraschallimpuls wird in einer bestimmten Richtung erzeugt. Wenn sich ein Objekt im Pfad dieses Impulses befindet, wird ein Teil oder der gesamte Impuls als Echo zum Sender zurückreflektiert und kann über den Empfängerpfad erfasst werden. Durch die Messung der Zeitdifferenz zwischen dem Senden des Impulses und dem Empfangen des Echos ist es möglich, die Entfernung zu bestimmen.

Die gemessene Laufzeit von Sonarimpulsen in Wasser ist stark abhängig von der Temperatur und dem Salzgehalt des Wassers. Die Ultraschall-Entfernungsmessung wird auch zur Messung in Luft und für kurze Entfernungen angewendet. Beispielsweise können handgehaltene Ultraschallmessgeräte die Anordnung von Räumen schnell vermessen.

Obwohl die Entfernungsmessung unter Wasser sowohl bei nicht hörbaren als auch bei hörbaren Frequenzen für große Entfernungen (1 bis mehrere Kilometer) durchgeführt wird, wird die Ultraschall-Entfernungsmessung verwendet, wenn die Entfernungen kürzer sind und die Genauigkeit der Entfernungsmessung feiner sein soll. Ultraschallmessungen können durch Sperrschichten mit großen Salinitäts-, Temperatur- oder Wirbeldifferenzen eingeschränkt sein. Die Entfernung im Wasser variiert von etwa Hunderten bis Tausenden von Metern, kann jedoch mit einer Genauigkeit von Zentimetern bis Metern durchgeführt werden

Ultraschallidentifikation (USID)

Ultraschallidentifikation (USID) ist eine Real-Time Locating System (RTLS)- oder Indoor Positioning System (IPS)-Technologie, die verwendet wird, um den Standort von Objekten in Echtzeit automatisch zu verfolgen und zu identifizieren, indem einfache, kostengünstige Knoten (Badges/Tags) angebracht oder eingebettet werden in Objekten und Geräten, die dann ein Ultraschallsignal senden, um ihren Standort an Mikrofonsensoren zu übermitteln.

Bildgebung

Sonogramm eines Fötus nach 14 Wochen (Profil)
Kopf eines 29 Wochen alten Fötus im „ 3D-Ultraschall

Das Potenzial für die Ultraschallbildgebung von Objekten mit einer 3-GHz-Schallwelle, die eine mit einem optischen Bild vergleichbare Auflösung erzeugt, wurde 1939 von Sokolov erkannt, aber die damaligen Techniken erzeugten relativ kontrastarme Bilder mit geringer Empfindlichkeit. Die Ultraschallbildgebung verwendet Frequenzen von 2 Megahertz und höher; Die kürzere Wellenlänge ermöglicht die Auflösung kleiner interner Details in Strukturen und Geweben. Die Leistungsdichte beträgt in der Regel weniger als 1 Watt pro Quadratzentimeter, um Erwärmungs- und Kavitationseffekte im Untersuchungsobjekt zu vermeiden. In der akustischen Mikroskopie werden hohe und ultrahohe Ultraschallwellen mit Frequenzen bis zu 4 Gigahertz verwendet. Ultraschall-Bildgebungsanwendungen umfassen industrielle zerstörungsfreie Prüfungen, Qualitätskontrolle und medizinische Anwendungen.

Akustische Mikroskopie

Akustische Mikroskopie ist die Technik, bei der Schallwellen verwendet werden, um Strukturen sichtbar zu machen, die zu klein sind, um vom menschlichen Auge aufgelöst zu werden. In akustischen Mikroskopen werden Frequenzen bis zu mehreren Gigahertz verwendet. Die Reflexion und Beugung von Schallwellen an mikroskopischen Strukturen kann Informationen liefern, die mit Licht nicht verfügbar sind.

Humanmedizin

Medizinischer Ultraschall ist eine auf Ultraschall basierende diagnostische medizinische Bildgebungstechnik , die zur Visualisierung von Muskeln, Sehnen und vielen inneren Organen verwendet wird, um ihre Größe, Struktur und alle pathologischen Läsionen mit tomographischen Echtzeitbildern zu erfassen. Ultraschall wird seit mindestens 50 Jahren von Radiologen und Sonographen zur Abbildung des menschlichen Körpers verwendet und ist zu einem weit verbreiteten Diagnosewerkzeug geworden. Die Technologie ist relativ kostengünstig und tragbar, insbesondere im Vergleich zu anderen Techniken wie Magnetresonanztomographie (MRT) und Computertomographie (CT). Ultraschall wird auch verwendet, um Föten während der routinemäßigen und notfallmäßigen Schwangerschaftsvorsorge sichtbar zu machen . Solche diagnostischen Anwendungen während der Schwangerschaft werden als geburtshilfliche Sonographie bezeichnet . Wie derzeit im medizinischen Bereich angewendet, birgt ein sachgemäß durchgeführter Ultraschall keine bekannten Risiken für den Patienten. Die Sonographie verwendet keine ionisierende Strahlung , und die für die Bildgebung verwendeten Leistungspegel sind zu niedrig, um nachteilige Erwärmungs- oder Druckeffekte im Gewebe zu verursachen. Obwohl die Langzeitwirkungen einer Ultraschallexposition mit diagnostischer Intensität noch unbekannt sind, sind die meisten Ärzte derzeit der Meinung, dass der Nutzen für die Patienten die Risiken überwiegt. Das ALARA-Prinzip (As Low As Reasonably Achievable) wurde für eine Ultraschalluntersuchung befürwortet – das heißt, die Scanzeit und die Leistungseinstellungen so niedrig wie möglich zu halten, aber im Einklang mit der diagnostischen Bildgebung – und das nach diesem Prinzip nichtmedizinische Verwendungen, die per Definition sind nicht erforderlich, wird ausdrücklich davon abgeraten.

Ultraschall wird auch zunehmend in Trauma- und Erste-Hilfe-Fällen eingesetzt, wobei Notfall-Ultraschall zu einem festen Bestandteil der meisten EMT-Einsatzteams wird. Darüber hinaus wird Ultraschall in Ferndiagnosefällen eingesetzt, in denen eine Telekonsultation erforderlich ist, wie z. B. bei wissenschaftlichen Experimenten im Weltraum oder bei der Diagnose mobiler Sportmannschaften.

Laut RadiologyInfo ist Ultraschall bei der Erkennung von Beckenanomalien nützlich und kann Techniken umfassen, die als abdominaler (transabdominaler) Ultraschall, vaginaler (transvaginaler oder endovaginaler) Ultraschall bei Frauen und auch rektaler (transrektaler) Ultraschall bei Männern bekannt sind.

Tiermedizin

Der diagnostische Ultraschall wird bei Pferden äußerlich zur Beurteilung von Weichteil- und Sehnenverletzungen und innerlich insbesondere zur Reproduktionsarbeit – Beurteilung des Fortpflanzungstraktes der Stute und Trächtigkeitserkennung – eingesetzt. Es kann auch äußerlich bei Hengsten zur Beurteilung des Hodenzustands und -durchmessers sowie innerlich zur Beurteilung der Fortpflanzung (Deferensgang usw.) verwendet werden.

Im Jahr 2005 wurde Ultraschalltechnologie von der Rinderindustrie eingesetzt, um die Tiergesundheit und den Ertrag von Rinderbetrieben zu verbessern. Ultraschall wird verwendet, um die Fettdicke, den Rib-Eye-Bereich und das intramuskuläre Fett bei lebenden Tieren zu bewerten. Es wird auch verwendet, um die Gesundheit und die Eigenschaften ungeborener Kälber zu beurteilen.

Die Ultraschalltechnologie bietet Viehzüchtern die Möglichkeit, Informationen zu erhalten, die zur Verbesserung der Zucht und Haltung von Rindern verwendet werden können. Die Technologie kann teuer sein und erfordert einen erheblichen Zeitaufwand für die kontinuierliche Datenerfassung und Bedienerschulung. Nichtsdestotrotz hat sich diese Technologie bei der Verwaltung und Führung eines Viehzuchtbetriebes als nützlich erwiesen.

Verarbeitung und Leistung

Hochleistungsanwendungen von Ultraschall verwenden häufig Frequenzen zwischen 20 kHz und einigen hundert kHz. Intensitäten können sehr hoch sein; über 10 Watt pro Quadratzentimeter kann Kavitation in flüssigen Medien induziert werden, und einige Anwendungen verbrauchen bis zu 1000 Watt pro Quadratzentimeter. Solche hohen Intensitäten können chemische Veränderungen hervorrufen oder durch direkte mechanische Einwirkung erhebliche Wirkungen hervorrufen und schädliche Mikroorganismen inaktivieren.

Physiotherapie

Ultraschall wird seit den 1940er Jahren von Physio- und Ergotherapeuten zur Behandlung von Bindegewebe eingesetzt : Bänder , Sehnen und Faszien (und auch Narbengewebe ). Erkrankungen , für die Ultraschall zur Behandlung verwendet werden kann, umfassen die folgenden Beispiele: Bänderverstauchungen , Muskelzerrungen , Sehnenentzündungen , Gelenkentzündungen, Plantarfasziitis , Metatarsalgie , Facettenreizung, Impingement-Syndrom , Schleimbeutelentzündung , rheumatoide Arthritis , Osteoarthritis und Adhäsion von Narbengewebe.

Biomedizinische Anwendungen

Ultraschall hat diagnostische und therapeutische Anwendungen , die sehr vorteilhaft sein können, wenn sie mit Vorsichtsmaßnahmen bei der Dosierung verwendet werden. Ultraschall mit relativ hoher Leistung kann steinige Ablagerungen oder Gewebe aufbrechen, die Wirkung von Medikamenten in einem bestimmten Bereich beschleunigen, die Messung der elastischen Eigenschaften von Gewebe unterstützen und zum Sortieren von Zellen oder kleinen Partikeln für Forschungszwecke verwendet werden.

Ultraschallschlagbehandlung

Die Ultraschallschlagbehandlung (UIT) verwendet Ultraschall, um die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Metallen zu verbessern. Es ist eine metallurgische Verarbeitungstechnik, bei der Ultraschallenergie auf ein Metallobjekt angewendet wird. Die Ultraschallbehandlung kann zu kontrollierter Druckeigenspannung, Kornverfeinerung und Korngrößenreduzierung führen. Die Ermüdung bei niedrigen und hohen Zyklen wird verbessert und es wurde dokumentiert, dass sie eine bis zu zehnmal größere Steigerung als bei Nicht-UIT-Proben liefert. Darüber hinaus hat sich UIT bei der Behandlung von Spannungskorrosionsrissen , Korrosionsermüdung und verwandten Problemen als wirksam erwiesen .

Wenn das UIT-Werkzeug, bestehend aus dem Ultraschallwandler, Stiften und anderen Komponenten, mit dem Werkstück in Kontakt kommt, koppelt es sich akustisch mit dem Werkstück und erzeugt eine harmonische Resonanz. Diese harmonische Resonanz wird bei einer sorgfältig kalibrierten Frequenz ausgeführt, auf die Metalle sehr günstig reagieren.

Je nach gewünschtem Behandlungseffekt wird eine Kombination verschiedener Frequenzen und Auslenkungsamplituden angewendet. Diese Frequenzen liegen zwischen 25 und 55 kHz, wobei die Auslenkungsamplitude des Resonanzkörpers zwischen 22 und 50 µm (0,00087 und 0,0020 Zoll) liegt.

UIT-Geräte beruhen auf magnetostriktiven Wandlern.

wird bearbeitet

Ultraschall bietet ein großes Potenzial bei der Verarbeitung von Flüssigkeiten und Schlämmen, indem das Mischen und die chemischen Reaktionen in verschiedenen Anwendungen und Branchen verbessert werden. Ultraschall erzeugt in Flüssigkeiten abwechselnd Niederdruck- und Hochdruckwellen, die zur Bildung und zum heftigen Zerfall kleiner Vakuumbläschen führen . Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet und verursacht mit hoher Geschwindigkeit auftreffende Flüssigkeitsstrahlen und starke hydrodynamische Scherkräfte. Diese Effekte werden zum Desagglomerieren und Mahlen von mikro- und nanometergroßen Materialien sowie zum Aufschließen von Zellen oder zum Mischen von Reaktanden genutzt. In diesem Aspekt ist die Ultraschallbehandlung eine Alternative zu Hochgeschwindigkeitsmischern und Rührwerkskugelmühlen. Ultraschallfolien unter dem sich bewegenden Sieb in einer Papiermaschine nutzen die Stoßwellen der implodierenden Blasen, um die Zellulosefasern gleichmäßiger in der produzierten Papierbahn zu verteilen, wodurch ein stärkeres Papier mit gleichmäßigeren Oberflächen entsteht. Darüber hinaus profitieren chemische Reaktionen von den durch die Kavitation entstehenden freien Radikalen sowie dem Energieeintrag und dem Stofftransport durch Grenzschichten. Bei vielen Prozessen führt dieser sonochemische (siehe Sonochemie ) Effekt zu einer erheblichen Verkürzung der Reaktionszeit, wie etwa bei der Umesterung von Öl zu Biodiesel .

Schema von Ultraschall-Flüssigkeitsprozessoren im Labor- und Industriemaßstab

Für viele Verarbeitungsanwendungen wie Nanokristallisation, Nanoemulgierung, Desagglomeration, Extraktion, Zellaufschluss und viele andere sind eine erhebliche Ultraschallintensität und hohe Ultraschallschwingungsamplituden erforderlich. Üblicherweise wird ein Verfahren zunächst im Labormaßstab getestet, um die Machbarkeit zu beweisen und einige der erforderlichen Ultraschall-Bestrahlungsparameter festzulegen. Nachdem diese Phase abgeschlossen ist, wird der Prozess in einen Pilotmaßstab (Labormaßstab) für die Durchflussoptimierung vor der Produktion und dann in einen industriellen Maßstab für die kontinuierliche Produktion überführt. Bei diesen Scale-up-Schritten ist unbedingt darauf zu achten, dass alle lokalen Expositionsbedingungen (Ultraschallamplitude, Kavitationsintensität , Verweildauer in der aktiven Kavitationszone etc.) gleich bleiben. Ist diese Bedingung erfüllt, bleibt die Qualität des Endprodukts auf dem optimierten Niveau, während die Produktivität um einen vorhersehbaren „Scale-up-Faktor“ gesteigert wird. Die Produktivitätssteigerung ergibt sich aus der Tatsache, dass Ultraschallprozessorsysteme im Labor-, Labor- und Industriemaßstab immer größere Ultraschallhörner enthalten , die in der Lage sind, immer größere hochintensive Kavitationszonen zu erzeugen und daher mehr Material pro Zeiteinheit zu verarbeiten. Dies wird als "direkte Skalierbarkeit" bezeichnet. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass die Erhöhung der Leistung des Ultraschallprozessors allein nicht zu einer direkten Skalierbarkeit führt, da sie mit einer Verringerung der Ultraschallamplitude und der Kavitationsintensität einhergehen kann (und häufig ist). Beim direkten Scale-up müssen alle Verarbeitungsbedingungen beibehalten werden, während die Nennleistung der Ausrüstung erhöht wird, um den Betrieb eines größeren Ultraschallhorns zu ermöglichen.

Ultraschallmanipulation und Charakterisierung von Partikeln

Ein Forscher am Industrial Materials Research Institute, Alessandro Malutta, entwickelte ein Experiment, das die Einfangwirkung von stehenden Ultraschallwellen auf in Wasser verdünnte Zellstofffasern und ihre parallele Ausrichtung in den äquidistanten Druckebenen demonstrierte. Die Zeit zum Ausrichten der Fasern in äquidistanten Ebenen wird mit einem Laser und einem elektrooptischen Sensor gemessen. Dies könnte der Papierindustrie ein schnelles Online-Fasergrößenmesssystem zur Verfügung stellen. Eine etwas andere Implementierung wurde an der Pennsylvania State University unter Verwendung eines Mikrochips demonstriert, der ein Paar senkrecht stehender akustischer Oberflächenwellen erzeugte, die es ermöglichten, Teilchen in gleichem Abstand zueinander auf einem Gitter zu positionieren. Dieses als akustische Pinzette bezeichnete Experiment kann für Anwendungen in den Materialwissenschaften, der Biologie, der Physik, der Chemie und der Nanotechnologie verwendet werden.

Ultraschallreinigung

Ultraschallreiniger , manchmal fälschlicherweise als Überschallreiniger bezeichnet , werden bei Frequenzen von 20 bis 40 kHz für Schmuck , Linsen und andere optische Teile, Uhren , zahnärztliche Instrumente , chirurgische Instrumente , Atemregler und Industrieteile verwendet. Ein Ultraschallreiniger arbeitet hauptsächlich mit Energie, die durch den Zusammenbruch von Millionen mikroskopischer Kavitationen in der Nähe der schmutzigen Oberfläche freigesetzt wird. Die durch Kavitation gebildeten Blasen bilden winzige Stoßwellen, die aufbrechen und Verunreinigungen auf der Oberfläche des Objekts verteilen.

Ultraschall-Desintegration

Ähnlich wie bei der Ultraschallreinigung können biologische Zellen einschließlich Bakterien aufgeschlossen werden. Hochleistungs-Ultraschall erzeugt Kavitation , die den Partikelzerfall oder Reaktionen erleichtert. Dies wird in der biologischen Wissenschaft für analytische oder chemische Zwecke ( Beschallung und Sonoporation ) und beim Abtöten von Bakterien im Abwasser verwendet . Hochleistungs-Ultraschall kann Maisschlamm zerkleinern und die Verflüssigung und Verzuckerung für eine höhere Ethanolausbeute in Trockenmaismühlen verbessern.

Ultraschall-Luftbefeuchter

Der Ultraschall-Luftbefeuchter, eine Art Vernebler (ein Gerät, das ein sehr feines Spray erzeugt), ist eine beliebte Art von Luftbefeuchter. Es funktioniert durch Vibrieren einer Metallplatte mit Ultraschallfrequenzen, um das Wasser zu zerstäuben (manchmal fälschlicherweise als "Zerstäuben" bezeichnet). Da das Wasser nicht zur Verdunstung erhitzt wird, erzeugt es einen kühlen Nebel. Die Ultraschall-Druckwellen zerstäuben nicht nur das Wasser, sondern auch Materialien im Wasser, einschließlich Kalzium, andere Mineralien, Viren, Pilze, Bakterien und andere Verunreinigungen. Krankheiten, die durch Verunreinigungen verursacht werden, die sich im Reservoir eines Luftbefeuchters befinden, fallen unter die Überschrift „Luftbefeuchter-Fieber“.

Ultraschall-Luftbefeuchter werden häufig in der Aeroponik verwendet , wo sie allgemein als Nebelgeräte bezeichnet werden .

Ultraschallschweißen

Beim Ultraschallschweißen von Kunststoffen wird eine hochfrequente (15 kHz bis 40 kHz) Vibration mit niedriger Amplitude verwendet, um durch Reibung zwischen den zu verbindenden Materialien Wärme zu erzeugen. Die Schnittstelle der beiden Teile wurde speziell entwickelt, um die Energie für maximale Schweißfestigkeit zu konzentrieren.

Sonochemie

Leistungsultraschall im Bereich von 20–100 kHz wird in der Chemie eingesetzt . Der Ultraschall interagiert nicht direkt mit Molekülen , um die chemische Veränderung zu induzieren, da seine typische Wellenlänge (im Millimeterbereich) im Vergleich zu den Molekülen zu lang ist. Stattdessen verursacht die Energie Kavitation , die Temperatur- und Druckextreme in der Flüssigkeit erzeugt, in der die Reaktion stattfindet. Ultraschall bricht auch Feststoffe auf und entfernt passivierende Schichten aus inertem Material, um eine größere Oberfläche zu schaffen, auf der die Reaktion stattfinden kann. Beide Effekte beschleunigen die Reaktion. Im Jahr 2008 berichtete Atul Kumar über die Synthese von Hantzsch-Estern und Polyhydrochinolin-Derivaten über ein Mehrkomponenten-Reaktionsprotokoll in wässrigen Mizellen unter Verwendung von Ultraschall.

Bei der Extraktion wird Ultraschall mit verschiedenen Frequenzen verwendet.

Kabellose Kommunikation

Im Juli 2015 berichtete The Economist , dass Forscher der University of California, Berkeley , Ultraschallstudien mit Graphendiaphragmen durchgeführt haben . Die Dünnheit und das geringe Gewicht von Graphen in Kombination mit seiner Festigkeit machen es zu einem effektiven Material für die Verwendung in der Ultraschallkommunikation. Eine vorgeschlagene Anwendung der Technologie wäre die Unterwasserkommunikation, wo sich Funkwellen normalerweise nicht gut ausbreiten.

Ultraschallsignale wurden in „Audio Beacons“ zur geräteübergreifenden Verfolgung von Internetnutzern verwendet.

Andere Verwendungen

Ultraschall kann, wenn er in bestimmten Konfigurationen angewendet wird, kurze Lichtblitze in einem exotischen Phänomen erzeugen, das als Sonolumineszenz bekannt ist . Dieses Phänomen wird teilweise wegen der Möglichkeit einer Blasenfusion untersucht (eine Kernfusionsreaktion , von der angenommen wird, dass sie während der Sonolumineszenz auftritt).

Ultraschall wird zur Charakterisierung von Partikeln durch die Technik der Ultraschall-Dämpfungsspektroskopie oder durch Beobachtung elektroakustischer Phänomene oder durch transkraniellen gepulsten Ultraschall verwendet .

Audio kann durch modulierten Ultraschall übertragen werden .

Eine früher beliebte Verbraucheranwendung von Ultraschall waren Fernsehfernbedienungen zum Einstellen der Lautstärke und zum Wechseln von Kanälen . Das Ende der 1950er Jahre von Zenith eingeführte System verwendete eine Handfernbedienung mit kurzen Stabresonatoren, die von kleinen Hämmern angeschlagen wurden, und ein Mikrofon am Set. Filter und Detektoren unterschieden zwischen den verschiedenen Operationen. Die Hauptvorteile bestanden darin, dass in der Handsteuerbox keine Batterie benötigt wurde und im Gegensatz zu Funkwellen der Ultraschall benachbarte Geräte wahrscheinlich nicht beeinträchtigte. Ultraschall blieb in Gebrauch, bis er ab Ende der 1980er Jahre durch Infrarotsysteme ersetzt wurde.

Sicherheit

Eine berufsbedingte Ultraschallbelastung von über 120 dB kann zu Hörverlust führen. Eine Belastung von mehr als 155 dB kann für den menschlichen Körper schädliche Hitzewirkungen hervorrufen, und es wurde berechnet, dass Belastungen über 180 dB zum Tod führen können. Die unabhängige Beratungsgruppe des Vereinigten Königreichs für nichtionisierende Strahlung (AGNIR) erstellte 2010 einen Bericht, der von der britischen Gesundheitsbehörde (HPA) veröffentlicht wurde. Dieser Bericht empfahl eine Expositionsgrenze für die breite Öffentlichkeit gegenüber Luftschalldruckpegeln (SPL) von 70 dB (bei 20 kHz) und 100 dB (bei 25 kHz und darüber).

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

  • Kundu T. (2004). Zerstörungsfreie Ultraschallbewertung: technische und biologische Materialcharakterisierung . Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-0-8493-1462-9.
  • Grzesik J, Pluta E (1983). "Hochfrequenz-Hörrisiko von Bedienern industrieller Ultraschallgeräte". Internationale Archive für Arbeits- und Umweltgesundheit . 53 (1): 77–88. doi : 10.1007/BF00406179 . PMID  6654504 . S2CID  37176293 .

Externe Links