Bei Hochleistungsanwendungen von Ultraschall werden häufig Frequenzen zwischen 20 kHz und einigen hundert kHz verwendet. Die Intensitäten können sehr hoch sein; bei mehr als 10 Watt pro Quadratzentimeter kann in flüssigen Medien Kavitation ausgelöst werden, und einige Anwendungen verwenden bis zu 1000 Watt pro Quadratzentimeter. Solch hohe Intensitäten können chemische Veränderungen hervorrufen oder durch direkte mechanische Einwirkung erhebliche Wirkungen erzielen und schädliche Mikroorganismen inaktivieren.
Physikalische Therapie
Ultraschall wird seit den 1940er Jahren von Physio- und Ergotherapeuten zur Behandlung von Bindegewebe eingesetzt: Bänder, Sehnen und Faszien (und auch Narbengewebe). Zu den Erkrankungen, bei denen Ultraschall zur Behandlung eingesetzt werden kann, gehören beispielsweise: Bänderzerrungen, Muskelzerrungen, Sehnenentzündungen, Gelenkentzündungen, Plantarfasziitis, Metatarsalgie, Facettenreizung, Impingement-Syndrom, Schleimbeutelentzündung, rheumatoide Arthritis, Osteoarthritis und Narbenverklebungen.
Biomedizinische Anwendungen
Ultraschall hat auch therapeutische Anwendungen, die bei vorsichtiger Dosierung von großem Nutzen sein können. Ultraschall mit relativ hoher Leistung kann steinige Ablagerungen oder Gewebe aufbrechen, die Wirkung von Medikamenten in einem bestimmten Bereich beschleunigen, bei der Messung der elastischen Eigenschaften von Gewebe helfen und zum Sortieren von Zellen oder kleinen Partikeln für die Forschung verwendet werden.
Ultraschall-Schlagbehandlung
Bei der Ultraschall-Schlagbehandlung (UIT) wird Ultraschall zur Verbesserung der mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Metallen eingesetzt. Es handelt sich um eine metallurgische Bearbeitungstechnik, bei der Ultraschallenergie auf ein Metallobjekt angewendet wird. Die Ultraschallbehandlung kann zu einer kontrollierten Druckeigenspannung, Kornfeinung und Korngrößenverringerung führen. Die Ermüdung bei niedrigen und hohen Zyklen wird verbessert und ist nachweislich bis zu zehnmal höher als bei Proben ohne UIT. Darüber hinaus hat sich UIT bei der Bekämpfung von Spannungsrisskorrosion, Korrosionsermüdung und damit zusammenhängenden Problemen als wirksam erwiesen.
Wenn das UIT-Werkzeug, das aus dem Ultraschallwandler, den Stiften und anderen Komponenten besteht, mit dem Werkstück in Kontakt kommt, koppelt es sich akustisch an das Werkstück an und erzeugt eine harmonische Resonanz. Diese harmonische Resonanz erfolgt bei einer sorgfältig kalibrierten Frequenz, auf die Metalle sehr gut reagieren.
Abhängig von den gewünschten Behandlungseffekten wird eine Kombination aus verschiedenen Frequenzen und Verschiebungsamplituden angewandt. Die Frequenzen liegen zwischen 25 und 55 kHz, die Verschiebungsamplitude des Resonanzkörpers zwischen 22 und 50 µm.
UIT-Geräte arbeiten mit magnetostriktiven Wandlern.
Bearbeitung
Die Beschallung bietet ein großes Potenzial bei der Verarbeitung von Flüssigkeiten und Schlämmen, indem sie das Mischen und die chemischen Reaktionen in verschiedenen Anwendungen und Industrien verbessert. Die Ultraschallbehandlung erzeugt in Flüssigkeiten abwechselnd Niederdruck- und Hochdruckwellen, die zur Bildung und zum gewaltsamen Zerfall kleiner Vakuumblasen führen. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet und verursacht mit hoher Geschwindigkeit auftreffende Flüssigkeitsstrahlen und starke hydrodynamische Scherkräfte. Diese Effekte werden für die Deagglomeration und Zerkleinerung von Materialien im Mikrometer- und Nanometerbereich sowie für den Zerfall von Zellen oder das Mischen von Reaktanten genutzt. In dieser Hinsicht ist die Ultraschallbehandlung eine Alternative zu Hochgeschwindigkeitsmischern und Rührwerkskugelmühlen. Ultraschallfolien unter dem laufenden Sieb in einer Papiermaschine nutzen die Stoßwellen der implodierenden Blasen, um die Zellulosefasern gleichmäßiger in der produzierten Papierbahn zu verteilen, wodurch ein festeres Papier mit gleichmäßigeren Oberflächen entsteht. Darüber hinaus profitieren chemische Reaktionen von den freien Radikalen, die durch die Kavitation entstehen, sowie vom Energieeintrag und dem Stofftransport durch Grenzschichten. Bei vielen Prozessen führt dieser sonochemische (siehe Sonochemie) Effekt zu einer erheblichen Verkürzung der Reaktionszeit, wie bei der Umesterung von Öl zu Biodiesel.
Für viele Prozessanwendungen, wie z. B. Nanokristallisation, Nanoemulgierung, Deagglomeration, Extraktion, Zellaufschluss und viele andere, sind hohe Ultraschallintensitäten und hohe Ultraschallschwingungsamplituden erforderlich. Üblicherweise wird ein Verfahren zunächst im Labormaßstab getestet, um die Durchführbarkeit zu prüfen und einige der erforderlichen Parameter für die Ultraschalleinwirkung festzulegen. Nach Abschluss dieser Phase wird das Verfahren in einen Pilotmaßstab (Prüfstand) übertragen, um die Vorproduktion im Durchflussverfahren zu optimieren, und dann in einen industriellen Maßstab für die kontinuierliche Produktion. Während dieser Scale-up-Schritte muss unbedingt sichergestellt werden, dass alle lokalen Expositionsbedingungen (Ultraschallamplitude, Kavitationsintensität, Verweilzeit in der aktiven Kavitationszone usw.) gleich bleiben. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, bleibt die Qualität des Endprodukts auf dem optimierten Niveau, während die Produktivität um einen vorhersehbaren „Scale-up-Faktor“ erhöht wird. Die Produktivitätssteigerung ergibt sich aus der Tatsache, dass Ultraschallprozessorsysteme im Labor-, Tisch- und Industriemaßstab mit immer größeren Ultraschallhörnern ausgestattet sind, die immer größere Kavitationszonen mit hoher Intensität erzeugen können und daher mehr Material pro Zeiteinheit verarbeiten können. Dies wird als „direkte Skalierbarkeit“ bezeichnet. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass eine Erhöhung der Leistung des Ultraschallprozessors allein nicht zu einer direkten Skalierbarkeit führt, da sie mit einer Verringerung der Ultraschallamplitude und der Kavitationsintensität einhergehen kann (und häufig auch einhergeht). Beim direkten Scale-up müssen alle Verarbeitungsbedingungen beibehalten werden, während die Leistung der Anlage erhöht wird, um den Betrieb eines größeren Ultraschallhorns zu ermöglichen.
Ultraschallmanipulation und -charakterisierung von Partikeln
Ein Forscher am Industrial Materials Research Institute, Alessandro Malutta, entwickelte ein Experiment, das die Einfangwirkung stehender Ultraschallwellen auf in Wasser verdünnte Zellstofffasern und deren parallele Ausrichtung in den äquidistanten Druckebenen demonstrierte. Die Zeit bis zur Ausrichtung der Fasern in den äquidistanten Ebenen wird mit einem Laser und einem elektro-optischen Sensor gemessen. Dies könnte der Papierindustrie ein schnelles Online-System zur Messung der Fasergröße bieten. Eine etwas andere Implementierung wurde an der Pennsylvania State University mit einem Mikrochip demonstriert, der ein Paar senkrecht stehender akustischer Oberflächenwellen erzeugte, mit denen sich Partikel in gleichem Abstand zueinander auf einem Gitter positionieren ließen. Dieses Experiment, das als akustische Pinzette bezeichnet wird, kann für Anwendungen in den Materialwissenschaften, der Biologie, der Physik, der Chemie und der Nanotechnologie genutzt werden.
Ultraschallreinigung
Ultraschallreiniger, manchmal fälschlicherweise als Überschallreiniger bezeichnet, werden bei Frequenzen von 20 bis 40 kHz für Schmuck, Linsen und andere optische Teile, Uhren, zahnärztliche Instrumente, chirurgische Instrumente, Tauchregler und industrielle Teile verwendet. Ein Ultraschallreiniger funktioniert hauptsächlich durch die Energie, die durch das Kollabieren von Millionen von mikroskopisch kleinen Kavitationsblasen in der Nähe der verschmutzten Oberfläche freigesetzt wird. Die durch die Kavitation entstandenen Blasen kollabieren und bilden winzige Strahlen, die auf die Oberfläche gerichtet sind.
Ultraschallzersetzung
Ähnlich wie bei der Ultraschallreinigung können auch biologische Zellen, einschließlich Bakterien, zersetzt werden. Hochleistungsultraschall erzeugt Kavitation, die den Zerfall von Partikeln oder Reaktionen erleichtert. Dies wird in der Biologie zu analytischen oder chemischen Zwecken (Sonikation und Sonoporation) und zur Abtötung von Bakterien in Abwässern eingesetzt. Hochleistungsultraschall kann Maisgülle auflösen und die Verflüssigung und Verzuckerung für eine höhere Ethanolausbeute in trockenen Maismühlen verbessern.
Ultraschall-Luftbefeuchter
Der Ultraschall-Luftbefeuchter, eine Art Vernebler (ein Gerät, das einen sehr feinen Sprühnebel erzeugt), ist eine beliebte Art von Luftbefeuchter. Bei diesem Gerät wird eine Metallplatte mit Ultraschallfrequenzen in Schwingung versetzt, um das Wasser zu zerstäuben (manchmal fälschlicherweise als „Vernebelung“ bezeichnet). Da das Wasser für die Verdunstung nicht erhitzt wird, entsteht ein kühler Nebel. Die Ultraschalldruckwellen vernebeln nicht nur das Wasser, sondern auch die im Wasser enthaltenen Stoffe wie Kalzium, andere Mineralien, Viren, Pilze, Bakterien und andere Verunreinigungen. Krankheiten, die durch Verunreinigungen im Reservoir eines Luftbefeuchters verursacht werden, fallen unter den Begriff „Befeuchterfieber“.
Ultraschall-Luftbefeuchter werden häufig in der Aeroponik verwendet, wo sie im Allgemeinen als Vernebler bezeichnet werden.
Ultraschallschweißen
Beim Ultraschallschweißen von Kunststoffen werden hochfrequente (15 kHz bis 40 kHz) Schwingungen mit niedriger Amplitude verwendet, um durch Reibung zwischen den zu verbindenden Materialien Wärme zu erzeugen. Die Schnittstelle der beiden Teile ist speziell so gestaltet, dass die Energie für eine maximale Schweißfestigkeit konzentriert wird.
Sonochemie
Leistungsultraschall im Bereich von 20-100 kHz wird in der Chemie eingesetzt. Der Ultraschall interagiert nicht direkt mit den Molekülen, um eine chemische Veränderung hervorzurufen, da seine typische Wellenlänge (im Millimeterbereich) im Vergleich zu den Molekülen zu lang ist. Stattdessen verursacht die Energie Kavitation, die in der Flüssigkeit, in der die Reaktion stattfindet, extreme Temperaturen und Drücke erzeugt. Ultraschall bricht auch Feststoffe auf und entfernt passivierende Schichten aus inertem Material, so dass eine größere Oberfläche für die Reaktion zur Verfügung steht. Durch diese beiden Effekte wird die Reaktion beschleunigt. Im Jahr 2008 berichtete Atul Kumar über die Synthese von Hantzsch-Estern und Polyhydrochinolin-Derivaten mittels eines Mehrkomponenten-Reaktionsprotokolls in wässrigen Mizellen unter Verwendung von Ultraschall.
Ultraschall wird bei der Extraktion mit verschiedenen Frequenzen eingesetzt.
Waffen
Ultraschall wurde als Grundlage für Schallwaffen untersucht, für Anwendungen wie Aufstandsbekämpfung, Desorientierung von Angreifern, bis hin zu tödlichen Schallpegeln.
Drahtlose Kommunikation
Im Juli 2015 berichtete The Economist, dass Forscher an der University of California, Berkeley, Ultraschallstudien mit Graphenmembranen durchgeführt haben. Die Dünne und das geringe Gewicht von Graphen in Verbindung mit seiner Stärke machen es zu einem effektiven Material für die Ultraschallkommunikation. Eine vorgeschlagene Anwendung der Technologie wäre die Unterwasserkommunikation, wo sich Radiowellen in der Regel nicht gut ausbreiten.
Ultraschallsignale wurden in „Audio Beacons“ zur geräteübergreifenden Verfolgung von Internetnutzern eingesetzt.