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Ultraschall im Dienst des Menschen

Ultraschalldiagnostik
In der Medizin ist die Ultraschall-Technologie schon lange im Einsatz. Damit können Schwangere erste Bilder ihres Babys sehen, lange bevor es auf die Welt kommt.

Schall und Ultraschall breiten sich in Wellen aus. Sie versetzen feste Materialien in Schwingung und können sich so fortsetzen. Die Materialien versetzen auch die Luft in Schwingung, weshalb laute Geräusche noch über große Distanzen hörbar sind. Je dichter das Material, umso schneller breitet sich der Schall aus. Im Wasser erfolgt das wesentlich schneller als in der Luft. In einem Vakuum kann Schall sich nämlich nicht fortpflanzen. Dort funktionieren keine Ultraschallsensoren. Deshalb sind beispielsweise Raumsonden nicht mit Ultraschallsensoren ausgestattet. Ultraschallwellen haben eine Frequenz von mehr als 20 kHz. Damit liegen sie oberhalb dessen, was das menschliche Ohr wahrnehmen kann. Im Gegensatz dazu können viele Tiere Ultraschallwellen sehr wohl hören, wie Hunde oder Fledermäuse. Fledermäuse können Ultraschall auch aussenden. Sie orientieren sich mithilfe der sogenannten Echoortung. Genau dieses Prinzip machen sich Systeme zunutze, mit denen Roboter programmiert sind. Es gibt noch andere Tiere, die dieses Prinzip nutzen, wie Walfische, Fledertiere oder einige Nagetiere. Sie nutzen Ultraschall nicht nur zur Orientierung. Sie kommunizieren auch damit und orten ihre Beute.

Fledermaus im Regenwald von Costa Rica
Fledermäuse machen es vor: Sie orientieren sich mithilfe von Echoortung. Für den Menschen war es lange Zeit schwierig, die Ultraschallmessungen an der Luft durchzuführen.
Ultraschall in der Medizin und anderswo

Der Mensch macht sich dieses System der Echoortung zunutze. Sehr bekannt sind Ultraschalluntersuchungen, mit denen Mediziner lebendes Gewebe sichtbar machen können. Sie können damit in den Körper „schauen“, ohne ihn aufzuschneiden, und feststellen, ob es krankhafte Veränderungen an Organen gibt oder an Sehnen und Bändern. In der Schwangerschaftsbegleitung ist der Ultraschall im Einsatz, um den Fötus im Mutterleib zu untersuchen. Eine weitere Anwendung sind Sonargeräte auf Schiffen oder U-Booten. Hier sind schwache Ultraschallwellen im Einsatz, die zerstörungsfreie Prüfungen ermöglichen oder für die Entfernungsmessen verwendet werden. Starke Ultraschallwellen breiten sich im Medium aus und verändern es. Wie sie wirken ist abhängig vom Medium. Dabei kann eine mechanische, chemische oder thermische Wirkung auftreten.

Prinzip der Messung

Mit Ultraschallsensoren lässt sich die Entfernung messen. Dabei misst das Gerät die Zeit, die eine Ultraschallwelle braucht, um wieder zurückzukommen. Die Schallgeschwindigkeit ist relativ konstant. Dadurch ist es möglich, die Entfernung bis zu einem gewünschten Punkt, einem Hindernis, zu messen. Die Sensoren haben dazu einen Sender und einen Empfänger. Der Sender schickt ein Signal in einer Frequenz von etwa 40 kHz. Der Empfänger fängt den Schall auf, den das Hindernis zurückgeworfen hat. Die Entfernung berechnet das Gerät über die Laufzeit des Signals, das heißt, wie viel Zeit der Schall braucht, um zurückzukehren. Elobau hat solche Ultraschallsensoren, die sich für verschiedene Einsatzmöglichkeiten eignen, beispielsweise auch für die Füllstandsmessung in geschlossenen Behältnissen.

Was die Messergebnisse beeinflussen kann

Sensoren können Hindernisse nicht immer korrekt wahrnehmen. So kann die Form des Hindernisses zu Fehlmessungen führen. Auch die Struktur kann das Messergebnis beeinflussen. Von einer gestrichenen Wand kommt ein Signal viel stärker zurück, als von einer Wand, die mit Teppich bezogen ist. Wenn zwei Ultraschallsensoren nebeneinander eingesetzt sind und mit der gleichen Frequenz arbeiten, stören sie sich gegenseitig. Es kommt zum Phänomen „Crosstalk“. Die Sensoren unterscheiden nicht, welcher Sensor die Welle ausgesendet hat.

Ein weiteres Problem ist die sogenannte perzeptuelle Kongruenz, wenn Ultraschallsensoren bei Robotern zum Einsatz kommen. Existieren um den Roboter herum zweideutige Situationen, bekommt er nicht ausreichend Informationen. Diese Informationsmängel können dazu führen, dass der Roboter sich nicht entscheiden kann, was jetzt zu tun ist. Der Roboter erkennt zwar beispielsweise, dass er sich vor einer Mauer befindet, doch er kann seinen Standort nicht genauer bestimmen. Das kommt vor, wenn zwei Messungen an verschiedenen Stellen entlang der Mauer das gleiche Ergebnis liefern. Dieses Phänomen beheben Ingenieure, indem sie bestimmte Algorithmen verwenden, beispielsweise für Lern- und Gedächtnisleistungen. Durch die Programmierung des Roboters und die gleichzeitige Erhöhung der Zahl der Sensoren, lassen sich diese Randeffekte verringern.

Linkes Auge einer junge Frau
Das IMS der Fraunhofer-Gesellschaft hat einen Sensor entwickelt, der automatisch den Augeninnendruck misst. Damit lassen sich schwere Augenerkrankungen bis hin zu Erblindung vermeiden.
Hier kommen Ultraschallsensoren in der Praxis zum Einsatz

Bei der Anwendung von Ultraschallsensoren sind hohe Messgenauigkeiten gefordert sowie unkomplizierte aber effektive Technologien. Ultraschallsensoren kommen immer dann zum Einsatz, wenn eine Position zu erfassen oder Abstände zu messen sind.

-          Ein Einsatzbereich ist die Füllstandsmessung. In vielen Branchen sind Füllstandshöhen wichtige Messwerte, beispielsweise in Chemiebetrieben oder in der Landwirtschaft. Die Sensoren liefern unabhängig von den verschiedenen Stoffeigenschaften zuverlässige Messwerte.

-          Ein weiterer Einsatzbereich ist die Objekterkennung. Ultraschallsensoren liefern, unabhängig von anderen Einflussfaktoren, sehr genau Messwerte. In der Logistikbranche übernehmen Sensoren zusammen mit einer Reflexionsschranke beispielsweise das Zählen von Objekten.

-          Auch in der Medizin kommen Ultraschallsensoren zu Messzwecken zum Einsatz. So entwickelte das Fraunhofer-Institut einen Sensor, der automatisch den Augeninnendruck misst. Er meldet, wenn der Druck zu hoch wird. Dann wird es Zeit für Medikamente, die den Augendruck verringern. So lässt sich die Zerstörung der Nervenfasern in den Augen durch zu hohen Augeninnendruck verringern. In Großbritannien haben Forscher einen Sensor entwickelt, der Herztöne messen kann, ohne direkten Körperkontakt zu benötigen. Damit lassen sich Untersuchungen bei speziellen Krankheiten genauer und schonender durchführen.

Roboter mit Sensoren

Ultraschallsensoren machen es möglich, dass Menschen und Maschinen in unmittelbarer Nähe zusammenarbeiten können. Mithilfe der Sensortechnik sind Roboter in der Lage zu erkennen, wenn sich ein Mensch in ihrer Nähe befindet. Sie verlangsamen dann in einer Anlage ihre Bewegungen oder kommen sogar ganz zum Stillstand. Damit wird eine Berührung des Menschen mit dem Werkzeug ausgeschlossen und die Unfallgefahr wesentlich verringert. Das macht eine gefahrlose Zusammenarbeit von Mensch und Roboter möglich.

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