超音波の物理的性質と産業・自然界における応用

超音波（ちょうおんぱ、英語: ultrasound または ultrasonic）とは、人間の可聴域である約20Hzから20kHzを超える高い周波数を持つ音波の総称である。物理的な性質自体は通常の音波と変わらないが、波長が極めて短いため直進性が高く、障害物にあたった際に反射しやすいという顕著な特徴を持つ。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の用途で利用される場合は超音波の概念に含まれることがある。

周波数範囲と実用上の特性

超音波の下限周波数については、一般に20kHz以上の音波とする定義が広く用いられている。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。人間が聴き取ることはできないが、発声に関しては20kHzを超える成分を意図せず、あるいは発声することができる場合もある。一方、上限については特に厳密な規定はないが、科学技術の発展に伴い数GHzまでの発生が可能となっている。ただし、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ため、これが実用上の上限をもたらす要因となる。

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。低い周波数帯（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、高い周波数帯（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用いられる。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。

多様な用途

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を引き起こす。

情報の伝達・計測

工業や医療、日常生活における計測・探査技術として幅広く活用されている。

• 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・水道管のリークセンサ）
• 非破壊検査装置（超音波探傷検査、レーザー超音波計測）
• ソナー（魚群探知機）および測深機
• 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。皮膚の溝を立体的にスキャンするため、指が濡れていても精度が高く偽造も困難とされる）

医療用超音波検査

人体への侵襲が少ない画像診断法として、臨床の現場で不可欠な技術となっている。

• 胎児超音波検査
• 腹部・心臓・頸部・乳房などの血管・臓器超音波検査
• 経膣超音波検査および運動器超音波検査
• 超音波内視鏡や気管支腔内超音波断層法

エネルギーの照射・加工・治療

強力な振動エネルギーやキャビテーション効果を利用して、物質の加工や医療的処置を行う。

• 超音波洗浄機（精密部品やメガネなどの洗浄）
• 超音波加工機（超音波カッター、ドリル、溶接、研磨）



• 超音波モータ（カメラ用レンズのAFやズーム制御、腕時計の駆動）
• 高密度焦点式超音波治療法（前立腺癌や胆石・脳血栓の破壊・除去）および超音波骨折治療法
• 超音波加湿器およびネブライザなどの霧化機



• 超音波ホモジナイザー（液中粒子のナノレベル粉砕・分散・乳化）
• 空中超音波触覚ディスプレイ（フェーズドアレイ技術による非接触触覚提示）

なお、過去には超音波を用いた一部のダニ撃退・蚊よけ商品について、公正取引委員会が効果が認められないとして排除命令を出した事例も存在する。

自然界における超音波の利用

自然界においては、多くの動物が生活や狩りのために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）を行うことで、暗闇の中でも正確な移動や捕食を行う。イルカも同様に、鼻腔で発した音波を頭部の脂肪組織（メロン）で集束させて指向性の高い音波を発信し、反響定位やコミュニケーションに役立てている。これらの生物が超音波を用いるのは、波長が短いために小さな障害物や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。