超音波

超音波（ちょうおんぱ、英語: ultrasound または ultrasonic）とは、人間の可聴域（約20Hz〜20kHz）を超える高い周波数を持つ音波である。物理的な性質は通常の音と同じだが、波長が短いため直進性が高く、反射しやすいという特徴を持つ。広義には「聞くこと以外を目的とする音」を指し、可聴域であっても計測や洗浄などに使われる場合は超音波の概念に含まれることがある。自然界ではイルカやコウモリがナビゲーションに利用しており、産業界では医療用エコー、魚群探知機、超音波洗浄、非破壊検査など、極めて幅広い分野で活用されている。

超音波の周波数の下限に関する定義はいくつかあるが、1つは20kHz以上の音波とするものであり、例えば広辞苑では『超音波は振動数が毎秒2万ヘルツ以上で定常音として耳に感じない音』と定義されている。なお、「人間が聞き取れない」周波数ではあるが、発声に関しては20kHzを超える音成分を発することができる人もいる。
一方、超音波の周波数の上限は特に規定されていないが、2007年現在の科学技術では数GHzまでの超音波が発生できるため、このあたりが実質的な上限といえるかもしれない^[1]。但し、周波数を高めても伝搬媒体とのインピーダンスが整合していなければキャビテーションが発生して伝搬できないので実用上の上限になる。逆にこの現象を利用して超音波洗浄機等に応用される。
実用面では、周波数帯域によって用途が明確に分かれている。低い周波数（数十kHz帯）はキャビテーションによる破壊力を伴う洗浄や加工に適しており、高い周波数（MHz帯以上）は波長の短さを活かした高精度な画像診断や計測に適している。さらに高いGHz帯の超音波は、スマートフォンの通信フィルタ（SAWフィルタ）など、電子部品の内部で弾性表面波として高度に利用されている。

超音波の利用は、大きく分けて「情報の伝達・計測」と「エネルギーの照射」の2つに分類される。前者は波の反射や散乱を捉えることで内部を可視化し、後者は強力な振動波によって物理的な変化（洗浄、加熱、破壊、霧化）を引き起こす。以下にさまざまな用途を挙げる^[2]。

情報的な利用

• 距離計（自動車周辺の障害物検出、車両感知器、積雪計など）
• 漏洩検査（ガス・水道などの配管のリークセンサ）
• 超音波厚さ計
• 超音波ボルト軸力計
• 非破壊検査装置（超音波探傷検査、レーザー超音波計測）
• 超音波検査（医療）

• 胎児超音波検査
• 腹部超音波検査
• 心臓超音波検査
• 頸部超音波検査
• 頸部血管超音波検査
• 乳房超音波検査
• 血管超音波検査
• 経膣超音波検査
• 運動器超音波検査
• 超音波内視鏡
• 気管支腔内超音波断層法

• ソナー（魚群探知機）
• 測深機（環境測定など）
• 超音波流速計
• 超音波式風速計
• 超音波映像装置（遠隔操作無人探査機ほか）
• 建築物の破壊音探知
• リモコンなどの通信
• 水中電話
• 超音波指紋センサー（スマートフォンの画面内指紋認証などに採用。光を利用する光学式と異なり、皮膚の溝を立体的にスキャンするため、指が濡れていたり汚れていたりしても精度が高く、偽造も困難という特徴がある）

動力的な利用

• 超音波洗浄機（メガネの洗浄など。超音波振動エネルギーにより洗浄）
• 超音波加工機（超音波カッター、ドリルのほか、金属やプラスチックの溶接・研磨など。超音波振動エネルギーを利用）
• 超音波モータ（小型化しやすいため、カメラ用レンズのAFやズームの制御や腕時計などに使われている）
• 高密度焦点式超音波治療法（集中超音波による前立腺癌・胆石・脳血栓の破壊・除去）
• 超音波骨折治療法^[3]
• 超音波スケーラー（歯石の除去）
• 超音波歯ブラシ
• 超音波加湿器
• 超音波霧化機（ネブライザなど^[4]）
• 超音波霧化分離装置（廃液の浄化や、薬液の分離・濃縮、エタノールや温泉成分の濃縮^[5]）
• 超音波アイロン
• 超音波ミシン
• 乳化凝固装置
• 超音波援用切削（難削材（チタン合金やセラミックスなど）の加工において、工具に数万回/秒の振動を加えることで、切削抵抗を大幅に低減し、表面を滑らかに仕上げる技術）
• 超音波ホモジナイザー（強力な超音波が生む衝撃波（キャビテーション）を利用し、液中の粒子をナノレベルで粉砕・分散、あるいは乳化させる装置。化粧品や医薬品の製造、化学実験などに不可欠な道具）

その他の利用

• 特殊なスピーカー
• 骨伝導スピーカー
• 酒の熟成器
• 超音波治療（骨折治療・視力改善治療機器など）
• 空中超音波触覚ディスプレイ（フェーズドアレイ技術を用いて空中の1点に超音波を収束させ、その放射圧で「何もない場所に触感」を作り出す技術。VR/ARの非接触操作デバイスとして注目されている）

公正取引委員会は、超音波による「ダニ撃退」および「蚊よけ」をうたう商品について、効果が認められないとして排除命令を出した事がある^[6][7]。

• 

  超音波洗浄機

• 

  超音波加湿器

• 

  超音波カッター

• 

  超音波流量計による流量計測

幾種かの動物も、生活の中で超音波を巧みに利用している。コウモリは口や鼻から超音波を発し、その反響を捉えて周囲の状況を把握する反響定位（エコーロケーション）を行う。これにより、暗闇の中でも自分の位置や獲物となる虫の場所を正確に知ることができ、その探知範囲は数十cmから十数mに及ぶと言われている。同様にイルカも、鼻腔で発した音波を頭部の「メロン」と呼ばれる脂肪組織で集束させ、指向性の高い音波として発信することで、反響定位や仲間とのコミュニケーションを行っている^[1][8]。これらの動物が可聴音ではなく超音波を用いるのは、波長が短いために小さな獲物に当たっても回折しにくく、明瞭な反射波が得られるという物理的利点があるからである。また、ネズミなどの齧歯類は、捕食者に気づかれにくい高い周波数で鳴き声を交わし、親子のコミュニケーションを図る。一方で、捕食される側の昆虫の中には、コウモリの超音波を察知して回避行動をとるものや、自ら妨害音を発して反響定位を混乱させるものも存在し、自然界では超音波を巡る高度な進化の攻防が繰り広げられている。

1. 1 2 「超音波の本」谷腰欣司、ISBN 4526053554
2. ↑ 谷腰欣司; 谷村康行『トコトンやさしい超音波の本第2版』日刊工業新聞社、2015年、19,23,25,35頁。
3. ↑ “超音波骨折治療法とは”. 帝人ファーマ株式会社. 2015年12月16日閲覧。
4. ↑ “超音波で霧をつくり出す加湿器のしくみ”. TDK 電気と磁気の？（はてな）館. TDK株式会社. 2015年5月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年10月31日閲覧。
5. ↑ “日本酒製造に使った霧化技術を、廃液処理やリサイクルに活用”. 日経テクノロジーonline (2013年9月10日). 2015年12月10日閲覧。
6. ↑ “公正競争規約の制度”. 平成6年度 公正取引委員会年次報告. 公正取引委員会 (2010年3月31日). 2011年10月17日閲覧。
7. ↑ “株式会社オーム電機に対する排除命令について”. 公正取引委員会 (2007年11月20日). 2011年10月17日閲覧。
8. ↑ “イルカやコウモリの音によるナビゲーション”. 国立大学法人秋田大学 大学院工学資源学研究科・工学資源学部 電気電子工学科 今野研究室. 2015年12月9日閲覧。