超音波の性質とは? 超音波の利用とは?

超音波

発音体の振動数が、だんだん大きくなると、私たちが感じる音の高さが
だんだん高くなって、キーンというような感じになります。
もっと高くなると、チーというような感じになります。

ところが、振動数がおよそ1万5000ヘルツくらいになると
たいていの人には、音として感じられなくなります。

そして、振動数が2万ヘルツ以上になると、発音体から音波がでていても
人間の耳には、音として聞こえません。

このように、振動数がおよそ2万ヘルツ以上になったときの音波を超音波と言っています。

超音波は、ふつう1000ヘルツを単位として、キロヘルツ(kHz)であらわします。
1万5000ヘルツなら15キロヘルツと言います。




水中の超音波

超音波は、空気中ではすぐ弱まってしまうので、あまり遠くまで届きません。
ところが、水の中では強い超音波をつくると、非常に遠くまで伝わります。

超音波が水を伝わる速さは、ふつうの音波と同じで1秒間に約1500メートルくらいです。

超音波は、水中を伝わるとき、ふつうの音波のように、横のほうに広がっていかず
超音波を出す振動体の正面へだけ伝わる性質をもっています。
この性質は、指向性と言われ、超音波の利用に、たいへん都合のよい性質です。

音響測深機

航海や漁業のためにも海の深さを、正しく知ることは大切なことです。

むかしは、長い綱の先に重りをつけて、船からその綱を海底までたらし
その綱が海底についたときの綱の長さで海の深さを測りました。

しかし、このやり方は、不便な点が多く、海流などに邪魔されると
数値もあまり正確ではなくなります。
そこで、超音波を利用した、音響測深機がつくられました。

いま、船の底から下のほうへむけて、ごく短い時間だけ超音波をおくりだしたとします。
これを超音波パルスと言います。

するとこのパルスは、海の底まで進み、そこで反射されて、また船にもどってきます。
これは、ちょうど山にむかって声を出したとき山びこが聞こえてくるのと同じわけです。

そこで、たとえばこのパルスが船を出てから5分の1秒経ってもどってきたとすると
パルスが海の底に達するまでの時間は、10分の1秒です。

超音波の速さが、毎秒1500メートルとすれば、10分の1秒間に走った距離は
150メートルですから、これがそこの海の深さになるわけです。

音響測深機は、実際にはこのような計算をしないでも
針が自動的に深さをしめすようにつくられています。



魚群探知機

超音波パルスを、海の底へむけて送り出すと、そのパルスは
海の底から反射されてもどってきますが、もし、途中に魚の群れがいると
そこからも反射してもどってきます。

もちろん、魚の群れで反射した超音波のほうが、速くもどってきます。
このことを応用した器械が、魚群探知機です。

この器械は、多くの漁船に、さかんに使われています。

魚群探知機を使うときは船は走りながら、続けてパルスを出して
このパルスと反射してきたパルスを動いている記録紙に、記録させます。
それで、もし魚の群れが船の下に入ると、すぐわかるのです。

見えない傷の検査

電車や汽車の車軸を通す軸や、船や飛行機のプロペラをつける軸には
非常に大きな力がかかるため、もし弱いところがあると
そこから折れやすいので危険です。

たとえば、すと言って、金属の内部に小さな穴があったり
むらがあったりすると、そこから折れやすくなります。

これらの傷は外から見たのでは、なかなかわかりません。
ところが、軸のはしから超音波を送り込んで検査をすると
ふつうはむこうのはしで反射するのに、すなどのある金属は
その部分でも反射がおこるので、すぐわかります。

この反射パルスは、オシロスコープという機械で、見ることができます。

これと同じ原理で、裏側の手の届かない物の厚さも超音波パルスの反射を利用して
測ることができます。

体の中を診察する

みなさんは、X線(レントゲン線)で体の中を
診察することができることを知っていますね。

これと同じように、近ごろでは、超音波パルスを体の中へ送り込んで
その反射で、脳や呼吸器や消化器などの病気を診察することもできるようになりました。

液体の内部を揺さぶる

液体の中に超音波を通すと、液体のどの部分もひどく揺さぶられるので
ふつうでは混ざりにくい水と油を混ぜ合わせたりすることもできます。

また、粒の細かい写真感光材料や
化粧品・ワクチンなどをつくるのにも利用されています。

液体の内部がひどく揺さぶられると、細菌がいても死んでしまうので
缶詰や瓶詰の中を、超音波で殺菌することもできます。

超音波の利用は、このほかにも、精密器械をつくる金属の表面をみがいたり
細工したりするなど、いろいろあります。

そして、これからも、新しい利用の方法が、考えられることでしょう。







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