Was sind die verschiedenen Arten von Ultraschallanwendungen?
Schall ist die Druckschwingung eines Mediums wie Luft oder Wasser. Die Wellenlänge des Schalls variiert mit der Temperatur, dem Medium und der Anfangsenergie. Ultraschall bezieht sich auf Wellenlängen oberhalb des menschlichen Hörbereichs von ungefähr 20.000 Kilohertz. Viele Ultraschallanwendungen nutzen die mechanischen Vibrationen des Schalls, um die Zell- oder Partikelstruktur zu stören. Andere Anwendungen verwenden die Reflexion von Schallwellen, um Objekte zu erkennen oder zu beobachten.
Ultraschallanwendungen ergeben sich aus den Eigenschaften von Schall. Ton ist kein Licht; es besteht aus einer mechanischen Schwingung eines Gases oder einer Flüssigkeit, während Licht elektromagnetischer Natur ist. Die Wellen breiten sich von einer Punktquelle aus in drei Dimensionen aus, wobei sich ihre Energie auflöst und ihre Amplitude abnimmt, während sie sich fortbewegen. Weniger dichte Medien wie Gase transportieren Schallwellen weiter als Flüssigkeiten. Feststoffe leiten Schall durch Aufprall der Welle auf eine Oberfläche und durch physikalische Bewegung des Gases oder der Flüssigkeit auf die andere Oberfläche des Festkörpers.
Die physikalische Einwirkung von Schallwellen verbessert die Konsistenz von Fest-Flüssig-Gemischen bei Ultraschallanwendungen im Labor- und kommerziellen Maßstab. Die Homogenisierung erfolgt durch Verringerung der Partikelgröße von Feststoffen, Dispergieren der Feststoffe oder Aufbrechen von Partikelagglomeraten. Die Ultrahochfrequenzenergie der Schallwellen verursacht Kavitation in der Flüssigkeit. Kavitation tritt als wechselnde Bereiche mit hohem und niedrigem Druck auf, wodurch sich Mikroblasen bilden und heftig kollabieren.
Biologische Labors nutzen die mechanische Kraft des Ultraschalls, um Zellen aufzubrechen und Organellen zu trennen, die kleine intrazelluläre Bestandteile sind. Nützliche biologische Verbindungen können aus der Zellflüssigkeit extrahiert werden. Ebenso kann ein Ultraschallaufschluss von Zellen als Sterilisationstechnik verwendet werden. Die Reinigung von Laborgeräten von hartnäckigen organischen Stoffen oder mineralischen Ablagerungen erfolgt häufig durch Einweichen der Teile in Ultraschallbädern.
Die Sonochemie fördert chemische Reaktionen, indem sie das heftige Kavitationsmischen von Ultraschallanwendungen verwendet. Die Reaktionsgeschwindigkeiten erhöhen sich aufgrund der erhöhten Vermischung der Reaktanten oder der erhöhten Aktivität von Mischphasenkatalysatoren. Kommerzielle Anwendungen dieser Technologie umfassen die Umwandlung von Pflanzenölen in Biodieselkraftstoffe.
Andere Ultraschallanwendungen nutzen die Wellennatur von Schall. Schall wird von festen Oberflächen reflektiert und kann von einer Antenne empfangen werden. Viele Ultraschallanwendungen liefern diagnostische Informationen im medizinischen Bereich, um die Beurteilung von Föten, Tumoren und Verletzungen zu erleichtern. Diese nicht-invasiven Untersuchungen sind einfach, schmerzlos und kostengünstig.
Sonar verwendet Schall als Entfernungsmessgerät und als Gerät, das Wellenenergie sendet und empfängt, um Objekte zu lokalisieren. Die Wellenlängen können von Infraschall bis Ultraschall variieren. Reichweitenanwendungen werden von Militäreinheiten für die Zielerfassung, Navigation und Sicherheit verwendet. Fischer verwenden oft Sonar, um Fischschwärme zu lokalisieren. Drohnen und Roboter können durch Ultraschallbefehle gesteuert werden.