今や測るには欠かせない存在!?目には見えない!でも測れちゃう!超音波ってなに?

さて今回は、近年の計測機器の発達になくてはならなかった存在である「超音波」についてご紹介していきたいと思います。

様々な計測機器に取り入れられている超音波ですが、目にも見えない存在である超音波がなぜ計測機器やその他多くの器機に採用されるのか?

また、そもそも超音波とは一体どのようなものなのか?

今回はそんな身近な存在、「超音波」について詳しくご紹介していきます。

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そもそも超音波ってなに?

日常生活でもたまに耳にする「超音波」という言葉。ではいったい超音波とは一体どのようなものなのか?

超音波の説明に欠かせないのが、人間か耳で聞くことのできる音の原理があります。音とは空気や液体の振動が耳の中の鼓膜を振動させることで聞こえています。

この時、人間の耳に聞こえる範囲の振動を「音波」「可聴周波数」と呼んでいます。

では、超音波は?

超音波は人間の耳に聞こえない、振動波!

 

超音波とは、この可聴周波数以上の周波数をもった振動波の総称です。

ちなみに人間が聞き取ることのできる周波数は20~20000Hzと言われており、これ以上の周波数をもった振動波を「超音波」と呼んでいます。

その反対、人間の聞き取ることのできない20Hz以下の周波数の事を「超低周波音」と呼んでいます。

超音波の特性は?なぜっ計測機器に多用されるのか?

それではなぜ、超音波が計測機器をはじめとする様々なものに応用されるのでしょうか?

ここでは超音波の持つ特性やその特徴を詳しく見ていきます。

超音波の特性 その1「反射」

超音波は対象の物体に向けて照射された際、対象の物体の内部の要件の違いや条件の変化があった場合にその一部が反射作用を起こすという特性があります。

例えばゆで卵に超音波を照射した場合、照射された超音波はまず「殻」を通過します。そして「殻」と「白身」の境界部でその一部が反射されます。

同じように「白身」と「黄身」の境界部でも同じような反応が起こります。この現象を超音波の反射と言います。

超音波の特性 その2「透過」

超音波は対象に照射されると、その対象の中を一定の速度で進み続けるという特性があります。その特質の事を「透過」と言います。

超音波には様々な波長の物があり、対象の物体の性質に合わせて波長を変更し照射します。

照射された超音波は対象の物体の中を透過していきますが、内部で物体の性質に変化があった場合には照射された超音波は反射したり、屈折したりします。

その特性を生かし、解析を行うことで対象の物体の性質等を把握することもできます。

超音波の特性 その3「速度変化」

対象に向けて照射さえた超音波は、対象の物体に変化が起きない限り常に一定の速度で進み続けます。

その速度は空気中よりも液体中の方が早いことが知られています。またその反対に真空空間では超音波は伝播しません。

超音波の特性 その4「指向性」

超音波は一定の方向に直進的に進む特性とその逆に拡散方向へ進むという、相反する特徴を有しています。

超音波の波長は高くなるほどまっすぐ進みますが、その分超音波の威力=進む距離は短くなります。反対に周波数が低くなるほど直進性は失われますが、届く距離は長くなります。

レーダーなどはこの高低の超音波の特性を利用し、広い範囲とその正確な位置関係を把握できる仕組みとなっています。

超音波の特性と、それを利用した機器たち

それでは実際の器機に、超音波の特性のうちどのような特性が応用されているのかについてご説明します。

様々な機器に応用される超音波の特性と利用方法については、複雑に絡み合っている為一つの特性だけで説明することはできませんが、その機器においてもっとも重要な超音波特性を中心にお話しします。

医療用エコー

私たちの生活に最も身近な超音波機器と言えば病院などで使われている「エコー検査機」ではないでしょうか?

この機器は、体の内部の状況を超音波を照射することで把握する器機です。

この機器では超音波の特性のうち「屈折」の特性を利用しています。人間の体に特定の超音波を照射すると、内部の骨や内臓などにあたったタイミングで、超音波は屈折します。

その屈折した超音波と反射した超音波を受信・解析することで人体内部の状況を映像化しています。

超音波探傷試験器

対象物に照射された超音波は、内部に一定の速度と方向性をもって透過していきます。

その後、対象の物体の内部に組織的な変化があった場合、超音波はその透過速度に変化を起こします。また屈折や反射といった現象も起こります。

鋼材に向けて一定方向と一定速度で照射された超音波は、内部の傷や不純物にぶつかり透過速度を変化させます。その変化を読み取ることで、内部の傷の大きさや傷の位置を把握することが可能になります。

今後も多くの場面での活躍が期待される超音波!

超音波にはもう一つ大きな特徴があります。それは超音波自体がエネルギーを有しているということです。

超音波の持つエネルギーの利用方法はまだまだ開発段階です。また超音波を作り出す技術もまだまだ発展途上と言えます。

超音波の持つエネルギー、その製造方法・各種特性をどのように利用しどのように数値化するのか?

その研究によっては超音波の利用範囲はこれからも広がっていくことでしょう。

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ライター紹介
ライタープロフィール
シバ

広島県出身の41歳。現在は製造業で管理職の傍ら執筆活動を行っている。実は調理師出身という経歴の持ち主。得意分野は工業系の専門分野からアウトドアクッキングまで幅広く対応可能。

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