Der Mensch kann nicht jeden Schall hören, der
von schwingenden Körpern erzeugt wird. Wenn Schall hörbar sein
soll, so muss die Lautstärke zwischen der Hörschwelle und der
Schmerzschwelle liegen und die Frequenz zwischen 16 Hz und 20.000 Hz (20
kHz) betragen.
Schall mit einer Frequenz von über 20 kHz bezeichnet man als Ultraschall.
Seine Frequenz kann bis zu 1 GHz, das sind eine Milliarde Hertz, betragen.
Ultraschall wird in vielfältiger
Weise in Technik und Medizin genutzt.
Schall mit Frequenzen von unter 16 Hz nennt man Infraschall.
Er tritt u. a. im Zusammenhang mit Erdbeben auf.
Erzeugung von Ultraschall
Ultraschall kann von verschiedenen Tieren (Fledermäuse, Wale, Delfine)
oder durch technische Anordnungen erzeugt werden. Dazu gehören im
einfachsten Fall spezielle Pfeifen, die Ultraschall abgeben und die man
im Handel als Hundepfeifen erwerben kann.
Am weitesten verbreitet sind das Prinzip des piezoelektrischen Wandlers
und des magnetostriktiven Wandlers.
Piezoelektrischer Wandler (Bild 2a):
Es wird genutzt, dass bestimmte Kristalle sich verformen, wenn ein elektrisches
Feld angelegt wird. Regt man den Kristall durch ein elektrisches Wechselfeld
mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz an, so gerät er in Schwingungen
und sendet Ultraschall aus.
Magnetostriktiver Wandler (Bild 2b):
Es wird genutzt, dass ferromagnetische Stoffe bei Magnetisierung ihre
Länge ändern. Wird ein ferromagnetischer Stab mit einer Frequenz
von über 20 kHz ständig ummagnetisiert, so ändert sich
periodisch seine Länge. Der Stab wird zu elastischen Längsschwingungen
angeregt und wirkt als Ultraschallquelle.
Anwendung von Ultraschall
Tiere wie Fledermäuse, Wale oder Delfine nutzen Ultraschall für die Orientierung und für den Beutefang. Das Prinzip, das dabei angewendet wird, ähnelt dem des Echolots: Die von den Tieren ausgestoßenen Ultraschalllaute werden an Hindernissen oder an Beutetieren reflektiert und der reflektierte Ultraschall wird wieder aufgenommen. Aus der Laufzeit und der Art des reflektierten Schalls ist für die Tiere erkennbar, in welcher Entfernung sich Hindernisse oder Beutetiere befinden.
In der Medizin wendet man Ultraschall u. a. dazu an, um gefahrlos Untersuchungen des Inneren des menschlichen Körpers durchführen. Ultraschallimpulse werden an verschiedenen Gewebeschichten (Knochen, Muskeln, Organe) unterschiedlich reflektiert. Von einem auf die Haut aufgesetzten Schallkopf (Bild 1) werden solche Ultraschallimpulse ausgesendet und auch wieder empfangen. Ein Computer errechnet dann aus den unterschiedlichen Laufzeiten der reflektierten Impulse ein Bild vom Inneren des Körpers. Mit einer solchen Ultraschalldiagnose kann z. B. ein Embryo im Mutterleib sichtbar gemacht werden (Bild 3). Ultraschalldiagnosen belasten den menschlichen Körper deutlich weniger als Röntgendiagnosen.In der Ultraschalltherapie ist es z. B. mithilfe von Ultraschall möglich, Nierensteine zu zerstören oder Knochen zu schweißen.
In der Technik wird Ultraschall u. a. zur zerstörungsfreien Materialprüfung genutzt. Dabei werden in einem Schallkopf Ultraschallimpulse erzeugt und in ein Werkstück geleitet (Bild 4). Diese Ultraschallimpulse werden reflektiert. Aus den Laufzeiten kann man ermitteln, ob sich im Material Einschlüsse oder Risse befinden.
Ultraschall kann auch dazu verwendet werden, um Brillen oder Zahnspangen zu reinigen. Bei dieser Ultraschallreinigung werden die Gegenstände zusammen mit einem Ultraschallsender in eine Flüssigkeit gebracht. Durch die schnellen Druckschwankungen erfolgt eine intensive Reinigung der Gegenstände.
Ultraschallwellen kann man mit entsprechenden Linsen
auch so bündeln, dass man sie zur Materialbearbeitung,
insbesondere zum Schneiden und Bohren von Kunststoffen, nutzen kann.
Auch beim Echolot nutzt man Ultraschall.
Nähere Erläuterungen dazu sind unter diesem Stichwort zu finden.
Infraschall
Infraschall, also Schall mit Frequenzen zwischen 0 Hz und 16 Hz, tritt z. B. im Zusammenhang mit Erdbeben oder tektonischen Verschiebungen als seismische Welle auf. Auch die Schiffsbewegungen, von denen die Seekrankheit verursacht wird, liegen im Infraschallbereich. Infraschall ist in der Bau- und Maschinenakustik vielfach Bestandteil von niederfrequentem Lärm, der wesentlich lästiger sein kann als der, den wir mit unseren Ohren wahrnehmen. Es kann durch Infraschall zu einer Beeinträchtigung des Wohlbefindens kommen, ohne dass man eine Quelle dafür wahrnehmen kann, da der Mensch kein Sinnesorgan für Infraschall hat.