Schallwellen sind die Grundlage sprachlicher Kommunikation. Der Mensch kann jedoch nicht den gesamten Bereich des Schallspektrums wahrnehmen. Anders gesagt: Es gibt Töne, die wir nicht hören können. Das betrifft u.a. den Ultraschall, der für viele Tiere wie beispielsweise Fledermäuse kein Problem darstellt, für uns Menschen aber außerhalb unseres Wahrnehmungsbereichs liegt. Doch der Ultraschall wird heute in vielfältiger Form technisch angewendet. Dazu zählen medizinische Diagnose- und spezielle Schweißverfahren sowie Methoden der berührungslosen Werkstoffprüfung in der Industrie.
Im DLR finden verschiedene Forschungs- und Entwicklungsarbeiten bezüglich der Anwendung von Ultraschallwellen statt. In der Abteilung „Nautische Systeme“ des Institutes für Kommunikation und Navigation in Neustrelitz werden im Rahmen des Projektes Testfeld Spree-Oder-Wasserstraße (SOW) digitale Assistenzsysteme für automatisiertes Fahren in der Binnenschifffahrt als Vorstufe zum autonomen (selbständig, ohne menschliches Eingreifen) Fahren auf Binnengewässern entwickelt. Die Abteilung „Nautische Systeme“ setzt zu diesem Zweck das Forschungsboot „Aurora“ auf der Spree-Oder-Wasserstraße ein. Zur Erfassung der im Schiffscomputer auszuwertenden Daten wie Wassertiefe, Seitenabstand, Kollisionserkennung, Eigen- und Strömungsgeschwindigkeit finden an Bord integrierte hochempfindliche Ultraschallsensoren Anwendung.
Ultraschallsonde zur Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten und zur Wassertiefenmessung Bild: DLR
Behms Echolot
Die physikalischen Grundlagen der Ultraschall-Technik wurden bereits Anfang des 20. Jahrhunderts bei der Entwicklung des Echolots genutzt. Als im Jahre 1912 der in Mecklenburg gebürtige Physiker Alexander Behm (1880-1952) von den vielen Opfern beim Untergang der Titanic erfuhr, stellte er sich für seine weitere wissenschaftliche Arbeit ein Ziel: Nie wieder sollte es zu einer solch verheerenden Schiffskatastrophe kommen. Behm entwickelte mit dem Sonometer (Schallstärkenmesser) die Grundlage für das Echolot. Schallreflexionen haben sich zwar für die von Behm angedachte Ortung von Eisbergen nicht bewährt, aber der Meeresboden und Objekte unter Wasser können über die Reflexion der Schallwellen hervorragend erfasst werden. Darauf aufbauend wurden bis heute immer neue Möglichkeiten zur Nutzung des Ultraschalls entwickelt.
Die Ultraschall-Experimente im DLR_School_Lab
Ultraschall im Tierreich und Alltag bildet den Ausgangspunkt für die Betrachtungen im DLR_School_Lab. Mittels kleiner Handgeräte werden von den Schülerinnen und Schülern im Labor versteckte „elektronische“ Fledermäuse und andere Ultraschallquellen detektiert. Auch die prinzipiellen Funktionen von Ultraschallsensoren, wie sie sich beispielsweise als Einparkhilfe oder Abstandswarner im PKW finden, werden praktisch vorgeführt und erklärt. In einem Hörtest für Frequenzen bis 20 kHz überprüfen die Jugendlichen ihre eigene Hörfähigkeit und im Vergleich dazu lernen sie die Kenngrößen des Ultraschalls besser einzuordnen. Nach einer theoretischen Einführung in die Messsensorik untersuchen die jungen Forscher, wie die Schallausbreitung in Flüssigkeiten erfolgt und wenden die gewonnenen Erkenntnisse zur Wassertiefenmessung an. Und weiter geht es mit der experimentellen Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten in verschiedenen Stoffen (Metalle und Plexiglas). Großes Erstaunen lösen dabei die im Vergleich zu Luft überraschend hohen Schallgeschwindigkeiten in den einzelnen Stoffen aus.
Abschließend werden an der Ultraschall-Station Anwendungen aus Medizin und Technik mit DLR-Bezug thematisiert. Mittels verschiedener Modellversuche bis hin zum 3D-Scan können die Jugendlichen diese ganz direkt nachvollziehen.
Messchart (A-Mode) einer Ultraschalluntersuchung Bild: DLR