超音波

人間の聴覚の上限周波数（約20kHz ）は、中耳 の制限によるものです。高強度の超音波が人間の頭蓋骨に直接送り込まれ、中耳を通らずに骨伝導によって蝸牛に到達すれば、聴覚が生じる可能性があります。 ^{[ 15 ]}

子供は、高齢者には聞こえない高音域の音を聞くことができます。これは、人間の聴覚の上限音高が加齢とともに低下する傾向があるためです。^{[ 16 ]}あるアメリカの携帯電話会社は、このことを利用して、若い人にしか聞こえないとされる着信音を作成しましたが、^{[ 17 ]}多くの高齢者もその音を聞くことができます。これは、加齢に伴う聴覚の上限音高の低下にかなりのばらつきがあるためかもしれません。

コウモリはさまざまな超音波測距（エコーロケーション）技術を使用して獲物を探知します。100  kHz を超える周波数、おそらく 200 kHz まで探知できます 。^{[ 18 ]}

多くの昆虫は超音波の聴覚が優れており、そのほとんどは夜行性の昆虫で、コウモリの反響定位を聞き取っています。これには、多くのガのグループ、甲虫、カマキリ、クサカゲロウなどが含まれます。コウモリの音を聞くと、捕獲を逃れるために回避行動をとる昆虫もいます。 ^{[ 19 ]}超音波周波数は、ヤガ科のガに反射的な動作を引き起こし、攻撃を避けるために飛行中にわずかに落下させます。^{[ 20 ]}ヒトリガは、コウモリの反響定位を妨害する可能性のあるクリック音を発することもあり、^{[ 21 ] [ 22 ]}また、音を発することで毒を持っていることを知らせる場合もあります。^{[ 23 ] [ 24 ]}

犬と猫の聴覚範囲は超音波まで及んでおり、犬の聴覚範囲の上限は約 45  kHz、猫は 64  kHz です。^{[ 25 ] [ 26 ]} 猫と犬の野生の祖先は、好んで捕食する小型げっ歯類が出す高周波音を聞き取るために、このより高い聴覚範囲を進化させました。^{[ 25 ]} 犬笛は超音波を発する笛で、犬の訓練や呼び寄せに使用されます。ほとんどの犬笛の周波数は 23 ～ 54 kHz の範囲内です 。^{[ 27 ]}

イルカを含む歯クジラ類は超音波を聞き取ることができ、その音を航行システム（バイオソナー）で利用して方向を定めたり獲物を捕らえたりします。^{[ 28 ]}ネズミイルカは、約160kHzという既知の最高聴覚上限を持っています 。^{[ 29 ]}いくつかの種類の魚は超音波を検出できます。ニシン目では、アロシナ亜科（ニシン）のメンバーは180kHzまでの音を検出できることが示されています が、他の亜科（ニシンなど）は4kHzまでしか聞き取ることができません 。^{[ 30 ]}

超音波に敏感な鳥類は報告されていない。^{[ 31 ]}

市販の超音波システムは、屋内での電子害虫駆除や屋外での超音波藻類駆除を目的として販売されている。しかし、これらの目的におけるこれらの装置の有効性に関する科学的証拠は存在しない。^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

超音波レベル計またはセンシングシステムは、対象物との接触を必要としません。医療、製薬、軍事、および一般産業における多くのプロセスにおいて、これは容器やチューブ内の液体を汚染したり、製品によって詰まったりする可能性のあるインラインセンサーに比べて大きな利点となります。

連続波方式とパルス方式の両方が用いられます。パルス超音波技術の原理は、送信信号が短い超音波エネルギーのバーストで構成されるというものです。各バーストの後、電子回路はエネルギーが容器を通過する時間に相当する短い時間枠内で戻り信号を探します。この時間枠内で受信された信号のみが、追加の信号処理の対象となります。

超音波測距技術の代表的な消費者向け応用例として、ポラロイドSX-70カメラが挙げられる。このカメラには、カメラの焦点を自動的に合わせるための軽量トランスデューサーシステムが搭載されていた。ポラロイドはこの超音波技術のライセンスを取得し、それが様々な超音波製品の基礎となった。

超音波の一般的な応用例としては、自動ドアオープナーが挙げられます。これは、超音波センサーが人の接近を検知してドアを開ける仕組みです。超音波センサーは侵入者の検知にも用いられ、一点から広範囲をカバーできます。パイプや開水路内の流量は、流れる液体の平均速度を測定する超音波流量計で計測できます。

レオロジーにおいて、音響レオメーターは超音波の伝播を分析することで流体の粘度を測定する。

流体力学において、流体の流れはドップラー効果に基づいた超音波流量計を用いて測定することができる。

超音波探傷検査は、材料の欠陥を検出したり、物体の厚さを測定したりするために一般的に用いられる非破壊検査の一種です。2～10MHzの周波数が一般的ですが、特殊な用途では他の周波数も使用されます。検査は手動または自動で行うことができ、現代の製造工程において不可欠な部分です。ほとんどの金属、プラスチック、航空宇宙用複合材料 などが検査可能です。低周波超音波（50～ 500kHz）は、木材、コンクリート、セメントなどの密度の低い材料の検査にも使用できます。 

溶接継手の超音波検査は、1960年代から非破壊検査の放射線検査の代替手段として用いられてきました。超音波検査は電離放射線を使用しないため、安全性とコスト面でメリットがあります。また、超音波検査では、溶接継手の欠陥の深さなどの追加情報も得られます。超音波検査は、手動方式から、プロセスの多くを自動化するコンピュータシステムへと進化してきました。継手の超音波検査では、欠陥の存在、そのサイズ、位置を特定できます。ただし、すべての溶接材料が超音波検査に適しているわけではありません。材料によっては、結晶粒径が大きいため、測定時に高いレベルのバックグラウンドノイズが発生する場合があります。^{[ 35 ]}

超音波厚さ測定は、溶接部の品質を監視するために用いられる技術の一つである。

超音波の一般的な用途の一つに、水中測距があります。この用途はソナーとも呼ばれます。超音波パルスは特定の方向に発信されます。このパルスの経路に物体があると、パルスの一部または全部が反射されて送信機に戻り、受信経路で検出されます。送信されたパルスと受信されたエコーとの時間差を測定することで、距離を求めることができます。

水中におけるソナーパルスの伝搬時間は、水温と塩分濃度に大きく依存する。超音波測距は、空気中や短距離の測定にも応用されている。例えば、携帯型の超音波測定器を使えば、部屋の間取りを素早く測定できる。

水中測距は、長距離（1～数キロメートル）では可聴周波数と亜可聴周波数の両方で行われますが、距離が短く、距離測定の精度が求められる場合は超音波測距が用いられます。超音波測定は、塩分濃度、温度、渦の差が大きい障壁層を通過すると制限される場合があります。水中測距は数百メートルから数千メートルまで様々ですが、精度はセンチメートルからメートル単位で測定できます。

超音波識別（USID）は、リアルタイム位置情報システム（RTLS）または屋内位置情報システム（IPS）技術の一種で、物体やデバイスに取り付けられたり埋め込まれたりしたシンプルで安価なノード（バッジ／タグ）を使用して、物体の位置をリアルタイムで自動的に追跡および識別します。これらのノードは超音波信号を送信して、マイクロフォンセンサーに位置情報を伝えます。

音響顕微鏡とは、人間の目では識別できないほど小さな構造を音波を用いて可視化する技術である。音響顕微鏡では、数ギガヘルツまでの高周波および超高周波が用いられる。微細構造からの音波の反射と回折によって、光では得られない情報を得ることができる。

医療用超音波は、筋肉、腱、および多くの内臓を可視化し、リアルタイムの断層画像でそれらのサイズ、構造、および病理学的病変を捉えるために使用される超音波ベースの診断用医療画像技術です。超音波は、少なくとも 50 年にわたって放射線科医や超音波技師によって人体を画像化するために使用されており、広く使用されている診断ツールとなっています。^{[ 38 ]}この技術は、特に磁気共鳴画像法(MRI) やコンピュータ断層撮影(CT)などの他の技術と比較すると、比較的安価で持ち運び可能です。

超音波は、通常の妊婦健診や緊急時の妊婦健診で胎児を視覚化するためにも使用されます。妊娠中に使用されるこのような診断アプリケーションは、産科超音波検査と呼ばれます。超音波は、外傷や応急処置のケースでもますます使用されるようになっており、一部の救急救命士対応チームでは緊急超音波が使用されています。さらに、超音波は、他の画像診断方法に比べて機器の携帯性が高いため、宇宙での科学実験や移動スポーツチームの診断など、遠隔診療が必要な遠隔診断のケースでも使用されます。 ^{[ 39 ]}

RadiologyInfoによると^{[ 40 ]} 、超音波検査は骨盤異常の検出に役立ち、腹部（経腹）超音波、女性の場合は膣（経膣または内膣）超音波、男性の場合は直腸（経直腸）超音波として知られる技術が含まれる。

ドップラー超音波検査では、物体の位置とともに速度も測定されます。これは特に心臓内の血流を分析する際に役立ちます（ドップラー心エコー検査）。

現在医療分野で適用されている超音波検査は、適切に実施すれば患者に既知のリスクはありません。^{[ 41 ]}超音波検査は電離放射線を使用せず、画像化に使用される出力レベルは組織に有害な加熱や圧力効果を引き起こすほど高くありません。^{[ 42 ] [ 43 ]}診断強度での超音波曝露による長期的な影響はまだ不明ですが、^{[ 44 ]}現在、ほとんどの医師は患者への利益がリスクを上回ると考えています。^{[ 45 ]} ALARA（合理的に達成可能な限り低く）原則は超音波検査に推奨されており、つまり、スキャン時間と出力設定を診断画像と矛盾しない範囲で可能な限り低く保つことであり、この原則により、定義上必要ではない非医療用途は積極的に抑制されます。^{[ 46 ]}  

診断用超音波は、馬の軟部組織や腱の損傷の評価に体外から使用され、特に繁殖作業、つまり雌馬の生殖器系の評価や妊娠の検出に体内から使用されます。^{[ 47 ]}また、種牡馬では、精巣の状態や直径の評価に体外から、また生殖器系の評価（精管など）に体内から使用されることもあります。^{[ 48 ]} 

2005年までに、超音波技術は肉牛産業において動物の健康状態と牛の生産性を向上させるために使用され始めました。 ^{[ 49 ]}超音波は、生きた動物の脂肪の厚さ、リブロース面積、筋肉内脂肪を評価するために使用されます。^{[ 50 ]}また、胎児の健康状態や特徴を評価するためにも使用されます。

超音波技術は、牛の繁殖と飼育を改善するために使用できる情報を得る手段を牛生産者に提供する。この技術は高価であり、継続的なデータ収集とオペレーターのトレーニングにかなりの時間を費やす必要がある。^{[ 50 ]}それにもかかわらず、この技術は牛の繁殖事業の管理と運営に役立つことが証明されている。^{[ 49 ]}

超音波は、1940年代から理学療法士や作業療法士によって、靭帯、腱、筋膜（および瘢痕組織）などの結合組織の治療に使用されてきました。 ^{[ 51 ]}超音波が治療に使用される可能性のある症状には、靭帯捻挫、筋肉の挫傷、腱炎、関節炎、足底筋膜炎、中足骨痛、関節面刺激、インピンジメント症候群、滑液包炎、関節リウマチ、変形性関節症、瘢痕組織の癒着などの例があります。

比較的高出力の超音波は、石状の沈着物や組織を分解したり、皮膚の透過性を高めたり、標的部位での薬剤の効果を加速させたり、組織の弾性特性の測定を補助したり、研究のために細胞や微粒子を選別したりすることができる。^{[ 52 ]}

超音波衝撃処理（UIT）は、超音波を用いて金属の機械的特性と物理的特性を向上させる技術です。^{[ 53 ]}これは、金属物体に超音波エネルギーを印加する冶金処理技術です。超音波処理により、制御された残留圧縮応力、結晶粒の微細化、結晶粒径の減少が実現できます。低サイクル疲労と高サイクル疲労が強化され、UIT処理されていない試料と比較して最大10倍の増加が報告されています。さらに、UITは応力腐食割れ、腐食疲労、および関連する問題に対処するのに効果的であることが証明されています。

超音波トランスデューサ、ピン、その他のコンポーネントで構成される UIT ツールがワークピースに接触すると、ワークピースと音響的に結合し、高調波共振が発生します。^{[ 54 ]}この高調波共振は、金属が非常に好反応を示すように慎重に校正された周波数で行われます。

治療の望ましい効果に応じて、異なる周波数と変位振幅の組み合わせが適用されます。これらの周波数は 25 ～ 55  kHz の範囲であり、^{[ 55 ]}共振体の変位振幅は 22 ～ 50  μm (0.00087 ～ 0.0020 インチ) です。

UITデバイスは磁歪変換器を利用している。

超音波処理は、様々な用途や​​産業において混合や化学反応を改善することで、液体やスラリーの処理に大きな可能性をもたらします。超音波処理は、液体中に低圧波と高圧波を交互に発生させ、小さな真空気泡の形成と激しい崩壊を引き起こします。この現象はキャビテーションと呼ばれ、高速で衝突する液体ジェットと強い流体力学的せん断力を生み出します。これらの効果は、マイクロメートルおよびナノメートルサイズの材料の脱凝集や粉砕、細胞の分解、反応物の混合などに利用されます。この点において、超音波処理は高速ミキサーや攪拌ビーズミルに代わる手段となります。抄紙機内の移動ワイヤの下にある超音波箔は、崩壊する気泡からの衝撃波を利用して、製造される紙ウェブ中のセルロース繊維をより均一に分散させ、より強く、より均一な表面を持つ紙を製造します。さらに、キャビテーションによって生成されるフリーラジカル、エネルギー入力、境界層を通じた物質移動は、化学反応に好影響を与えます。多くのプロセスにおいて、この超音波化学（超音波化学を参照）効果は、油のバイオディーゼルへのエステル交換反応のように、反応時間の大幅な短縮につながります。

ナノ結晶化、ナノ乳化、^{[ 56 ]}脱凝集、抽出、細胞破壊など、多くの処理用途では、相当な超音波強度と高い超音波振動振幅が要求されます。一般的に、プロセスはまず実験室規模でテストされ、実現可能性が証明され、必要な超音波照射パラメータの一部が確立されます。この段階が完了すると、プロセスはパイロット（ベンチ）スケールに移され、フロースルーによる生産前最適化が行われ、その後、工業規模に移されて連続生産が行われます。これらのスケールアップのステップでは、すべての局所的な照射条件（超音波振幅、キャビテーション強度、活性キャビテーションゾーンでの滞在時間など）が同じであることを確認することが不可欠です。この条件が満たされると、最終製品の品質は最適化されたレベルに維持され、生産性は予測可能な「スケールアップ係数」によって向上します。生産性の向上は、実験室、ベンチ、および工業規模の超音波プロセッサシステムが、より大きな超音波ホーンを徐々に組み込むことで、より大きな高強度キャビテーション領域を生成し、単位時間あたりにより多くの材料を処理できるようになるという事実によるものです。これは「直接スケーラビリティ」と呼ばれます。超音波プロセッサの出力を上げるだけでは直接スケーラビリティにはならないことに注意することが重要です。なぜなら、超音波振幅とキャビテーション強度の低下を伴う場合があり（そして多くの場合伴います）、直接スケールアップ中は、より大きな超音波ホーンの動作を可能にするために装置の定格出力を上げながら、すべての処理条件を維持する必要があります。^{[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]}

工業材料研究所の研究員であるアレッサンドロ・マルッタは、水で希釈した木材パルプ繊維に対する超音波定在波の捕捉作用と、等間隔の圧力平面への平行配向を実証する実験を考案した。^{[ 60 ]}繊維を等間隔の平面に配向させる時間は、レーザーと電気光学センサーで測定される。これにより、製紙業界に迅速なオンライン繊維サイズ測定システムを提供できる可能性がある。ペンシルベニア州立大学では、マイクロチップを使用して、互いに垂直な定在表面弾性波のペアを生成し、粒子をグリッド上に等間隔に配置する、やや異なる実装が実証された。音響ピンセットと呼ばれるこの実験は、材料科学、生物学、物理学、化学、ナノテクノロジーの応用に使用できる。

超音波洗浄機（時折、誤って超音速洗浄機と呼ばれることもある）は、20～40kHzの周波数で、宝飾品、レンズやその他の光学部品、時計、歯科用器具、外科用器具、ダイビング用レギュレーター、工業用部品などの洗浄に使用されます。超音波洗浄機は、主に汚れた表面付近で発生する数百万個の微細なキャビテーション気泡の崩壊によって放出されるエネルギーを利用して洗浄を行います。崩壊する気泡は微小な衝撃波を形成し、対象物の表面の汚染物質を分解・分散させます。

超音波洗浄と同様に、細菌を含む生物細胞も分解することができます。高出力超音波は、粒子の分解や反応を促進するキャビテーションを生成します。これは、分析や化学目的（超音波処理やソノポレーション）のための生物科学や、下水中の細菌の殺菌に利用されています。高出力超音波は、乾燥トウモロコシ製粉工場でトウモロコシスラリーを分解し、液化と糖化を促進してエタノール収率を高めることができます。^{[ 61 ] [ 62 ]}

超音波は、小さな金属板を超音波周波数で振動させて液体を噴霧（「霧化」と誤って呼ばれることもある）することで、非常に細かいエアロゾルミストを生成するのに利用できる。水は蒸発のために加熱されないため、冷たいミストが発生する。

超音波加湿は、新生児保育器^{[ 63 ]}、呼吸器治療薬のネブライザー、室内加湿、エアロポニックスで使用される超音波水耕栽培用噴霧器として使用できます。

超音波圧力波は水だけでなく、水中の物質も噴霧します。これは、噴霧中に薬剤の均一なミストを気道に届けるのに有益です。^{[ 64 ]}しかし、カルシウム、その他のミネラル、ウイルス、真菌、細菌、その他の不純物^{[ 65 ]}も、特に室内加湿器で発生するミスト中に存在する可能性があります。加湿器の貯水槽に存在する不純物によって引き起こされる病気は、「加湿器熱」と呼ばれます。^{[ 65 ]}

プラスチックの超音波溶着では、高周波（15kHz  ～40kHz  ）で低振幅の振動を用いて、接合する材料間の摩擦によって熱を発生させます。接合面は、最大の溶着強度を得るためにエネルギーを集中させるように特別に設計されています。

化学では、20～100 kHz の周波数範囲の高出力超音波が使用されています。超音波は、その典型的な波長（ミリメートル範囲）が分子に比べて長すぎるため、分子 と直接相互作用して化学変化を誘発することはありません。代わりに、エネルギーによってキャビテーションが発生し、反応が起こる液体中で極端な温度と圧力が生じます。超音波はまた、固体を分解し、不活性物質の不動態化層を除去して、反応が起こる表面積を大きくします。これらの効果はいずれも反応を速めます。2008 年、Atul Kumar は、超音波を使用した水性ミセル内での多成分反応プロトコルにより、Hantzsch エステルとポリヒドロキノリン誘導体を合成したと報告しました。^{[ 66 ]}

超音波は、さまざまな周波数を用いて抽出に使用されます。

音声は変調超音波によって伝搬することができる。

かつて人気だった超音波の消費者向け用途の一つは、テレビのリモコンで音量調整やチャンネル変更に使われていました。 1950年代後半にゼニス社が導入したこのシステムは、小さなハンマーで叩かれる短い棒状の共振器を内蔵した手持ち式リモコンと、テレビ本体に取り付けられたマイクロホンを使用していました。フィルターと検出器が様々な操作を識別していました。主な利点は、手持ち式リモコンに電池が不要であることと、電波とは異なり、超音波は近隣のテレビに影響を与えにくいことでした。超音波は、1980年代後半に赤外線システムに取って代わられるまで使用され続けました。^{[ 67 ]}

2015年7月、エコノミスト誌は、カリフォルニア大学バークレー校の研究者らがグラフェン振動板を用いた超音波研究を実施したと報じた。グラフェンの薄さと軽量性、そして強度が相まって、超音波通信に効果的な材料となっている。この技術の応用例の一つとして、電波が伝わりにくい水中通信が挙げられる。^{[ 68 ]}

超音波信号は、インターネットユーザーのデバイス間追跡のための「オーディオビーコン」に使用されている。^{[ 69 ] [ 70 ]}