超音波｜性質や特徴と可視化手法について解説

超音波とは、周波数が20kHz（ヘルツ）以上の音波のことを指します。この周波数の範囲は、人間の聴覚範囲（20～20,000Hz）を超えているため、私たちは聴くことができません。一方で、超音波はその特性から様々な分野で研究や応用がなされています。

超音波も音波も、どちらも空気・水・金属などの媒質の振動によって伝わる波です。しかし、周波数が高く波長が短いという点で、超音波は音波と大きく異なります。波長が短くなることで、音のエネルギーがより細かく集中し、反射性や指向性が高くなるのです。

この性質により、超音波は単なる「音」としてではなく、測定・検査・診断・可視化のためのエネルギーとして広く利用されています。

超音波は周波数が高いことで以下のような特徴を持ちます。

• 高い分解能：
  波長が短いため、細かな構造や表面の凸凹を検出可能
• 強い指向性：
  狙った方向に集中して進むため、精密な測定や探査ができる
• 反射特性の高さ：
  物体の境界で強く反射し、内部構造を画像化できる

これらの特性により、超音波は医療のエコー診断や工業用の非破壊検査など、「見えないものを可視化する技術」として幅広く利用されています。

20kHzという数値は、生理学的な根拠に基づいています。人間の聴覚は加齢や個体差によって異なりますが、一般的に若年成人でも約20kHzが聴取限界とされています。このため、物理学や音響工学の分野では20kHzを「可聴域」と「超音波」を分ける基準として採用しています。

周波数が高くなるほど、音波の波長は短くなります。波長が短い音は空間分解能が高く、指向性が強くなるという特徴があります。また、境界面での反射や散乱が起こりやすくなります。そのため、超音波は単に「高音」ではなく、測定・画像化・非破壊検査などの技術に応用できる高精度な波として扱われます。

超音波は、用途によって使われる周波数帯が大きく異なります。周波数が高いほど細かな構造を映し出せますが、到達できる深さ（浸透深度）は浅くなります。

一方、周波数が低いほど遠くまで届きますが、細部の描写はやや粗くなります。この「解像度と浸透深度のトレードオフ」を考慮して、各分野では最適な周波数が選ばれています。

医療用の超音波は、およそ1MHz～15MHzの範囲使われます。高い周波数ほど画像の解像度が高くなるため、皮膚や臓器などの詳細な構造を観察する際に有効です。ただし、深部までの到達は難しくなるため、検査対象に応じて周波数を切り替えながら使用します。

例：胎児エコー、心臓エコー、筋肉・腱の診断など

工業用の超音波は、およそ2MHz～20MHzの範囲が一般的です。金属の樹脂などの内部欠陥を調べる非破壊検査や、厚み測定などに利用されます。高すぎる周波数では浸透が浅く、低すぎると解像度が落ちるため、多くの場合は中間帯（5～10MHz前後）が使われます。

距離測定や動体検知では、低周波の超音波（40kHz～数百kHz程度）が用いられます。低周波は空気中での減衰が少ないため、遠距離でも安定して伝わるという特徴があります。

そのため、以下のような用途に活用されています。

• 自動車のパーキングセンサー
• セキュリティシステムや自動ドアセンサー
• ロボットやドローンの障害物検知

超音波の周波数は、用途や測定対象、伝わる媒体（空気・水・金属など）によって最適化されます。医療では高解像度を、工業ではバランスを、距離検知では長距離伝達を重視するなど、目的に応じて最も適した帯域が選ばれます。

超音波は、音波と同じく物質の振動（縦波：疎密波）として伝わります。ただし、音がどのように伝わるかは、通る媒質（空気・液体・固体）の性質によって大きく変わります。超音波は真空中では伝わらず、媒質中の分子や原子が振動を次々に伝えていくことで進行します。

空気は密度が低く、分子の結合も弱いため、超音波は比較的減衰しやすい媒質です。そのため、空気中では数十kHz程度の低周波超音波が主に使用されます。

距離測定センサーや自動ドア、パーキングアシストなどの装置では、空気中を伝わる超音波の反射時間（TOF：Time of Flight）を利用して距離を測定しています。

空気中での音速はおよそ340m/s（20°C）であり、湿度や温度によって変化します。特に高周波数では減衰が急増するため、空気中では「高解像度よりも到達距離を優先」した周波数設計が行われます。

水は空気に比べて分子の密度が高く、超音波が速く、遠くまで伝わる媒質です。水中での音速は約1,500m/sで、空気の4倍に相当します。この性質を活かして、魚群探知機・水中ソナー・海底探査などで広く利用されています。

また、水中では反射が安定しており、対象物の形状や位置を高精度に測定することができます。ただし、水温・塩分濃度・圧力などが変化すると音速も変わるため、計測では補正が必要になります。

固体では分子間の結合が非常に強く、超音波は最も高速かつ効率的に伝わります。金属中では音速が約5,000～6,000m/sにも達し、素材によっては1万m/sを超えることもあります。

このため、固体中の伝搬は非破壊検査（NDT）や厚み測定などに最適です。内部欠陥の有無や位置を、反射波の時間差から高精度に特定できます。また、超音波は固体内部で縦波・横波・表面波（レイリー波）として伝わるため（※気体や液体では横波は伝播せず、縦波のみ）用途にって使い分けることも可能です。

超音波の伝わる速さ（音速）は、媒質の密度と弾性率によって決まります。一般的に、固体 ＞ 液体 ＞ 気体 の順に速く伝わります。

超音波の伝わり方は、媒質の密度・弾性・温度によって大きく変化します。空気中では減衰が早く、液体や固体では高速・長距離伝搬が可能です。この性質を理解することで、医療・工業・環境計測など各分野で最適な周波数や伝送方法を選択することができます。

シュリーレン法は、光の屈折現象を利用して密度変化を可視化する技術です。このシュリーレン法を用いることで、超音波の伝播状態を観測することができます。さらに専用の画像処理を組み合わせることで、微細な超音波も高感度で撮影できます。

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シュリーレン法による超音波可視化は、医療分野において非常に有用です。超音波診断や治療装置の開発や最適化に貢献しています。具体的には、超音波画像法や高度焦点式超音波（HIFU）治療の技術開発で、超音波ビームの形状や分布を把握し、装置の性能評価や改善に寄与します。

産業分野でも多くの用途で適用されています。例としては、超音波洗浄システムの設計や調整に有効です。超音波の伝播やキャビテーション現象を視覚化することで、洗浄性能を高める装置の改良が実現できます。

医用工学、物理学、材料工学分野の研究開発にも役立ちます。超音波伝播のメカニズムや物質中の伝播特性の研究に、可視化は非常に重要です。超音波応用技術の理解や新たな分野の開拓が促進されます。

超音波は、媒質に周期的な密度変化を与えます。この媒質の周期的な密度変化は、光に対して回折格子の役割を果たします。シュリーレン法で可視化した画像では、濃淡がある領域で密度変化が起きていること示しています。

シュリーレン法では、精密な平行光を超音波が伝播している領域に照射することで、光の屈折から密度の変化を観察できます。外部の干渉が無い定在波や伝播直後の進行波では、縞模様が波長となります。波長が短い（周波数が高い）ほど密度変化の間隔が狭くなります。

下記の事例では、シュリーレン法で可視化された超音波をハイスピードカメラで撮影しています。超音波が高速で伝播していく可視化事例です。

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