Erzeugung und Empfang von Ultraschall

Das Prinzip der Ultraschallerzeugung beruht auf dem piezoelektrischen Effekt  (Piezoeffekt). Historisch entdecke man die Piezoelektrizität zuerst an Quarz (Siliciumdioxid, SiO2). Dabei stellte man fest, dass es bei einer einseitigen mechanischen Beanspruchung (Druck- oder Zugbeanspruchung) zu einer Verschiebung der Ladungsschwerpunkte in der Atomstruktur des Quarzes kommt. Es bilden sich elektrische Dipole aus, die schließlich zu einer elektrischen Spannung zwischen der Ober- und Unterseite des Quarzes führen [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung]. Nicht nur Siliciumdioxid sondern auch viele weitere Stoffe wie bspw. künstlich hergestellte Keramiken weisen einen piezoelektrischen Effekt auf. Solche Materialien werden ganz allgemein als Piezokristalle bezeichnet.

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 Abbildung: Piezoeffekt

Der erläuterte piezoelektrische Effekt lässt sich auch umkehren. Man spricht dann vom reziproken Piezoeffekt. Bei Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung kommt es dann zu einer Verformung des Kristalls. Je nach Polarität wird der Piezokristall entweder gestaucht oder gedehnt. Mit dem Piezoeffekt kann also nicht nur mechanische Energie in elektrische Energie sondern auch elektrische in mechanische Energie umgewandelt werden.

Wird an einen Piezokristall eine Wechselspannung angelegt, dann wechseln sich Druck- und Zugspannungen permanent ab. Es kommt in der Folge zu einem Schwingungsverhalten des Kristalls. Die erzwungene Schwingungsfrequenz geht mit der Frequenz der Wechselspannung einher. Besonders stark ausgeprägt ist diese angeregte Schwingung, wenn die Wechselspannungsfrequenz mit der Eigenfrequenz des Kristalls übereinstimmt. Es kommt dann zur Resonanz und der Piezokristall schwingt sich maximal auf. Die Eigenfrequenz des Kristalls ist dabei hauptsächlich von dessen Geometrie abhängig. Somit lässt sich durch Ändern der Geometrie die Eigenfrequenz des Piezokristalls auf den gewünschten Wert einstellen.

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Animation: Piezokristall an einer Wechselspannung

Der Kristall schwingt bei Anregung mit einer Wechselspannung wie die Membran eines Lautsprechers und überträgt diese Schwingungen entweder auf die umgebende Luft oder wie im Fall der Ultraschallprüfung auf das zu prüfende Bauteil. Der Piezokristall dient in diesem Fall als Sender von Schallwellen. Gleichzeitig kann ein Piezokristall auch als Empfänger von Schallwellen dienen. Treffen Schallwellen auf den Piezokristall, dann rufen diese im Inneren Druck- bzw. Zugspannungen hervor (auf die dieselbe Weise wie auch das menschliche Trommelfell durch Schallwellen angeregt wird). Die damit verbundene elektrische Spannung dient direkt als Empfangssignal. Piezokristalle dienen also sowohl der Erzeugung als auch dem Empfang von (Ultra-)Schallwellen.

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