1 Physikalische und technische Grundlagen der Ultraschallanwendung

1.1 Ultraschallphysik

In der Physik werden Transversal- und Longitudinalwellen (Quer- und Längswellen) unterschieden. Bei Transversalwellen erfolgt die Wellenauslenkung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung; Beispiele sind die sich ausbreitende Oberflächenwelle nach dem Wurf eines Steins ins Wasser, eine La-Ola-Welle im Fußballstadion oder auch elektromagnetische Wellen. Im Gegensatz dazu erfolgt bei Longitudinalwellen die Auslenkung parallel zur Ausbreitungsrichtung. Der Prototyp hierfür sind Schallwellen, bei denen das Trägermedium der Welle durch periodische Druckschwankungen komprimiert oder expandiert wird.

Schalldruckschwankungen führen im Überträgermedium zu einer entsprechenden Bewegung von Materieteilchen in Ausbreitungsrichtung und von ihr weg ( ▶ Abb. 1.1), d.h., die Ausbreitung von Schallwellen ist an das Vorhandensein eines Trägermediums gebunden. Schallwellen im Vakuum gibt es nicht. Schallwellen lassen sich wie andere Wellen auch durch die Größen Frequenz (f), Wellenlänge (λ), Periodendauer (T) und Amplitude (A) beschreiben. Zur Rekapitulation sind die Definitionen der wichtigsten Kenngrößen in ( ▶ Abb. 1.1) zusammengefasst.

Schallausbreitung Wellenlänge und Frequenz verhalten sich umgekehrt proportional, sind aber auch nach Gl. ▶ Formel 1.1 mit der Schallausbreitungsgeschwindigkeit oder kurz Schallgeschwindigkeit (c) verknüpft. Mit steigender Frequenz nimmt die Wellenlänge ab.

 (1.1)

Die Schallgeschwindigkeit (c) hängt entscheidend von Materialeigenschaften ab. Sie ist umso höher, je elastischer das Material und je geringer dessen spezifische Dichte ist, da die Auslenkung der Materieteilchen um die Ruhelage leichter ist.

Wellenwiderstand Jedes Material setzt der Ausbreitung von Schallwellen einen mehr oder weniger starken Widerstand entgegen ( ▶ Tab. 1.1). Analog zum Wechselstromwiderstand bezeichnet man diesen als akustische Impedanz (Z). Die Impedanz nimmt mit steigender spezifischer Dichte (ρ) zu. Sind die Schallwechseldrücke relativ niedrig, gilt ein linearer Zusammenhang nach Gl. ▶ Formel 1.2:

 (1.2)

Mit zunehmendem Schalldruck wird es aber verhältnismäßig immer schwerer, das Trägermedium im Wellenberg zu komprimieren, als es im Wellental zu dilatieren, sodass bei hohen Schalldrücken diese Gleichung nicht mehr anwendbar ist und keine linearen Verhältnisse auftreten.

Weitere Größen Je nach Stärke der Ultraschallwellen können Nierensteine zertrümmert oder Feten im Mutterleib beurteilt werden. Für den sicheren Umgang mit Ultraschall sind folgende Größen von Bedeutung:

• Akustische Energie: Sie wird in Joule (J) angegeben und entspricht der mechanischen Energie, die von der Welle transportiert wird. Sie ist proportional zum Quadrat der Schalldruckamplitude und hängt von Elastizität und Dichte des Materials ab.

• Akustische Leistung: Sie bezeichnet die pro Zeiteinheit transportierte Energie in Watt (W).

• Akustische Intensität: Sie ist definiert als die akustische Energie (E), die senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung pro Flächeneinheit transportiert wird. Die Einheit der akustischen Intensität ist W/m2, üblicher ist aber die Angabe in W/cm2.

Um einen Eindruck von der Bedeutung der Materialeigenschaften für den Ultraschall zu erhalten, gibt ▶ Tab. 1.1 verschiedene wichtige Parameter wieder.

Tab. 1.1 Schallgeschwindigkeit (c), akustische Impedanz (Z), Absorptionskoeffizient (α) und Reflexionskoeffizient (r) in Abhängigkeit vom Material (nach ▶ [34], ▶ [38]).

Medium

c [m/s]

Z [106 kg m–2 s–1]

α [dB cm–1]

r [im Verhältnis zu Wasser]

Wasser

1480

1,48

0,002

0

Blut

1570

1,61

0,2

0,01

Hirngewebe

1540

1,58

0,9

0,029

Fett

1450

1,33

0,6

0,042

Leber

1550

1,65

0,9

0,054

Muskel

1590

1,70

1,5–3,5

0,054

Schädelknochen

4000

7,80

13

0,614

Luft

330

0,00004

1,2

0,999

1.2 Interaktion von Ultraschall mit Gewebe

1.2.1 Ultraschallabschwächung

Bei der Schallausbreitung in einem Medium werden die Schallwellen längs ihres...