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News: Ultraschall aus einem Sandwich

Ultraschall hat viele Anwendungsbereiche - von der Untersuchung ungeborener Babys bis zur Materialkontrolle bei Flugzeugteilen. Die Geräte, mit denen bisher Ultraschall produziert wird, besitzen jedoch ihre Grenzen. So arbeiten sie nicht in jedem Frequenzbereich gleich gut ,und Versuche, bessere Emitter zu entwerfen, die aus hunderten von winzigen Lautsprechern bestehen, blieben bislang im wesentlichen erfolglos. Japanische Forscher haben nun eine völlig neue Konstruktion für einen effizienten und hochpräzisen Ultraschallgenerator entworfen.
Piezo-elektrische Geräte, die üblicherweise für die Erzeugung von Ultraschall eingesetzt werden, funktionieren durch Anlegen einer elektrischen Spannung an ein keramisches Material, das darauf mit Verformungen reagiert. Diese Deformationen bringen die Luft um die Keramik herum zum Schwingen und erzeugen so Schallwellen. Auf diese Weise wird zum Beispiel das nervige Piepgeräusch bei Digitaluhren erzeugt. Auch wenn piezo-elektrische Geräte kostengünstig und einfach sind, besitzen sie einige ernstzunehmende Nachteile: Sie arbeiten nicht bei allen Frequenzen gleich gut und sind oft nicht "lautstark" genug.

Hiroyuki Shinoda und seine Kollegen von der Tokyo University of Agriculture and Technology haben nun den Prototyp eines Ultraschallgenerators entwickelt, der ohne vibrierenden Platten funktioniert – er besitzt überhaupt keine beweglichen Teile und sieht eher wie ein Sandwich aus statt wie ein Lautsprecher. Wie die Wissenschaftler in Nature vom 26. August 1999 berichten, besteht die untere Schicht aus Silicium, das üblicherweise für die Herstellung von Mikrochips verwendet wird. Darauf folgt wiederum eine dünne Siliciumschicht, diesmal jedoch durchsetzt von mikroskopisch kleinen Löchern. Den Abschluß bildet eine sehr dünne Beschichtung aus leitendem Aluminium. Das ganze "Sandwich" ist dabei nur etwa einen Millimeter dick.

Wenn Strom durch diese Anordnung geleitet wird, heizt sich das poröse Silicium in der Mitte auf, so wie ein Draht, der von einem starken Strom zum Glühen gebracht wird. Die Hitze aus der mittleren Schicht durchquert die Aluminiumbeschichtung und erwärmt die umgebende Luft, so daß sich diese ausdehnt. Die so entstandenen Dichteschwankungen breiten sich durch die Luft als Schallwelle aus. Wenn der Strom abgestellt wird, fällt die Luft rasch wieder auf Zimmertemperatur zurück und zieht sich wieder auf ihr übliches Volumen zusammen.

Wiederholt man diesen Zyklus häufig genug, so können die Schwingungen der expandierenden und kontrahierenden Luft verwendet werden, um Ultraschall zu erzeugen. Shinodas Team konnten erreichen, daß ihr neues Gerät bis in einem Bereich von hundert Kilohertz funktioniert – das sind hunderttausend Expansionen und Kontraktionen der Luft pro Sekunde oder eine fünfmal höhere Frequenz als der höchste Ton, den das menschliche Ohr gerade noch hören kann. Die dabei pro Zeit abgegebene Energie hängt günstigerweise nicht von der Schallfrequenz ab, so daß die Sandwich-Konstruktion ,im Gegensatz zu piezo-elektrischen Geräten, bei allen Frequenzen mit gleicher Güte funktioniert.

Die neuen Ultraschallgeneratoren können möglicherweise sogar auf Mikrochips angebracht werden. Eine Anordnung vieler solcher bestückter Mikrochips könnte dann verwendet werden, um mit hoher Präzision Schallwellen von ganz bestimmter Form zu produzieren. Damit ließe sich die Abbildungsqualität bei Ultraschallaufnahmen deutlich erhöhen. Und das nervige Piepen aus der Digitaluhr wäre dann nichts weiter als das Resultat von heißer Luft.

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