はじめに
超音波機械効果とは、超音波が媒質中を伝播する際に超音波と媒質の相互作用によって生じるさまざまな機械的効果の総称です。具体的には、超音波が媒質中を伝播すると、媒質中の粒子が振動し、この振動により変位、変形、加速度などの機械的効果が生じます。
超音波エネルギーが媒質に作用すると、粒子は高速でわずかに振動し、速度、加速度、音圧、音強度などの機械的量に変化が生じ、これにより機械効果が引き起こされます。超音波は、波のプロセスに関連する機械エネルギーの伝播形式であり、線形振動効果を引き起こします。超音波が媒質中を伝播する際、粒子の変位振幅は非常に小さいものの、超音波によって引き起こされる粒子の加速度は非常に大きいです。
もし20kHz、1W/cm²の超音波が水中を伝播すると、生成される音圧振幅は173kPaとなり、これは音圧振幅が1秒間に2万回、正負173kPaで変化することを意味します。そして、最大の粒子加速度は1440km/s²に達し、これは重力加速度のおよそ1500倍です。このような激しく速く変化する機械的運動が、高出力超音波の機械振動効果です。
超音波媒質が均一な層状媒質でない場合（例えば生物組織、人間の体など）、媒質の各層の異なる音響インピーダンスにより、伝播する音波は反射し、駐波を形成します。駐波の反節と節は圧力、引張力、加速度に変化を引き起こします。異なる媒質粒子（例えば生物分子）の質量の違いにより、圧力変化によって引き起こされる振動速度が異なり、媒質粒子間の相対運動による圧力変化は、超音波の機械効果の別の理由です。超音波の機械効果は加工（パンチング、カット、圧縮、表面強化、溶接、洗浄、研磨、不要な膜や汚れの除去など）に使用され、分散、均質化、乳化、粉砕、殺菌などの他のプロセスを加速するためにも使用されます。
原理に基づく
超音波の機械効果の原理は、主に媒質中に超音波が伝播する際に生じる空洞効果、機械的振動効果、および熱効果に基づいています。空洞効果とは、液体中で超音波によって生成される負圧領域が、液体中のガスや蒸気を小さな気泡として形成することを意味します。これらの気泡は、超音波の作用により急速に膨張し、崩壊し、強い衝撃力を発生します。機械的振動効果とは、超音波が媒質中に伝播する際に、媒質中の粒子が振動することを意味します。この振動はせん断力と圧縮力を生成し、媒質の物理的性質を変化させます。熱効果とは、超音波が媒質中に伝播する際に、媒質中の粒子の振動と摩擦により熱が生成され、媒質の温度が上昇することを指します。
適用分野
1. 機械的攪拌
超音波の高周波振動と放射圧は、気体および液体中に有効な攪拌と流れを形成することができます。固体表面でのキャビテーションバブルの振動によって生成される強力なジェットと局所的なマイクロフローは、液体の表面張力と摩擦を大幅に低減し、固体-液体界面の境界層を破壊することで、通常の低周波機械攪拌では達成できない効果を実現します。この効果は、薬物の浸透、化粧品の皮膚への導入、超音波脱気、食品および化粧品の混合および精製などの応用における物理的基礎です。
相互拡散
超音波振動と空洞現象による高圧力および高温効果を使用し、2つの液体、2つの固体、または液-固相界面、液-気相界面間の分子間相互浸透を促進して、新しい物質特性を形成します。金属やプラスチックの超音波溶接、超音波乳化、洗浄、そして霧化はこのような効果に分類されます。
3. 均質化
空洞現象の泡が閉じることで発生する局所的な衝撃波は、液体中の粒子を粉砕し、微細化します。結晶を均一に分散させ、大きくて不均一な乳化液滴を小さな均一な薬品（例えば医療用造影剤、抗癌薬など）に分けます。さらには、血栓溶解の効果も含まれます。
4. 凝集
超音波振動は、気体や液体媒質中の懸濁粒子を異なる速度で動かし、衝突の確率を増加させます。または立波を使用してそれらを反節に近づけ、凝集過程を起こさせます。排煙集塵や人工降雨はこのカテゴリに属します。
5. 機械的切断
超音波振動の大きな加速度と空洞現象による音響腐食により、硬くて脆い材料（宝石、セラミック、ガラス、磁石鋼など）を特別な精度で加工することができます。
6. 粉砕
高強度の超音波パルスを使用することで、人体内の腎臓結石や胆石を軟部組織を損傷することなく粉砕できます。
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超音波の機械的効果は、医学、工業、農業などの分野で広く使用されています。医学の分野では、超音波の機械的効果は診断や治療に使用され、例えば超音波結石破砕や超音波による傷口洗浄などがあります。工業の分野では、超音波の機械的効果は洗浄、溶接、切断などのプロセスに使用できます。農業の分野では、超音波の機械的効果は植物の成長を促進し、収量を増加させるのに使用できます。
さらに、超音波の機械的作用は組織を柔らかくし、浸透を高め、代謝を改善し、血行を促進し、神経系と細胞機能を刺激するなど、独自の治療的意義を持っています。例えば、医療用超音波療法では、超音波の機械的作用が薬物の浸透と拡散を促進し、薬効を向上させます。同時に、細胞膜の透過性を刺激して、細胞の代謝と再生を促進することもできます。
要するに、超音波の機械的作用とは、超音波が媒質中を伝播する際に生じる機械的作用の総称です。多くの分野で幅広い応用があり、独自の治療的意義を持っています。
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