Bij ultrageluidtoepassingen met hoog vermogen worden vaak frequenties tussen 20 kHz en een paar honderd kHz gebruikt. De intensiteit kan zeer hoog zijn; boven 10 watt per vierkante centimeter kan cavitatie worden geïnduceerd in vloeibare media, en sommige toepassingen gebruiken tot 1000 watt per vierkante centimeter. Dergelijke hoge intensiteiten kunnen chemische veranderingen teweegbrengen of significante effecten produceren door directe mechanische actie, en kunnen schadelijke micro-organismen inactiveren.
Fysische therapie
Ultrasound wordt sinds de jaren veertig gebruikt door fysio- en ergotherapeuten voor de behandeling van bindweefsel: ligamenten, pezen en fascia (en ook littekenweefsel). Onder meer de volgende aandoeningen kunnen met ultrageluid worden behandeld: verrekkingen van ligamenten, spierverrekkingen, peesontstekingen, gewrichtsontstekingen, fasciitis plantaris, metatarsalgie, facetirritatie, impingement syndroom, bursitis, reumatoïde artritis, osteoartritis en verklevingen van littekenweefsel.
Biomedische toepassingen
Ultrasoon geluid heeft ook therapeutische toepassingen, die zeer heilzaam kunnen zijn wanneer het met doseringsvoorzorgsmaatregelen wordt gebruikt. Ultrageluid met relatief hoog vermogen kan steenachtige afzettingen of weefsel afbreken, het effect van geneesmiddelen in een gericht gebied versnellen, helpen bij het meten van de elastische eigenschappen van weefsel, en kan worden gebruikt om cellen of kleine deeltjes te sorteren voor onderzoek.
Ultrasone impactbehandeling
Ultrasone impactbehandeling (UIT) maakt gebruik van ultrageluid om de mechanische en fysische eigenschappen van metalen te verbeteren. Het is een metallurgische verwerkingstechniek waarbij ultrasone energie op een metalen voorwerp wordt toegepast. Ultrasone behandeling kan resulteren in gecontroleerde restdrukspanning, korrelverfijning en korrelafname. Lage en hoge cyclusvermoeiing worden verbeterd en zijn gedocumenteerd om verhogingen te geven tot tien keer groter dan niet-UIT specimens. Bovendien heeft UIT bewezen effectief te zijn in het aanpakken van spanningscorrosie, corrosievermoeiing en gerelateerde issues.
Wanneer het UIT gereedschap, bestaande uit de ultrasone transducer, pennen en andere componenten, in contact komt met het werkstuk, koppelt het akoestisch met het werkstuk, waardoor harmonische resonantie ontstaat. Deze harmonische resonantie wordt uitgevoerd bij een zorgvuldig gekalibreerde frequentie, waarop metalen zeer gunstig reageren.
Afhankelijk van de gewenste effecten van de behandeling wordt een combinatie van verschillende frequenties en verplaatsingsamplitude toegepast. Deze frequenties liggen tussen 25 en 55 kHz, met een verplaatsingsamplitude van het resonerende lichaam van tussen 22 en 50 µm (0.00087 en 0.0020 in).
UIT-apparaten berusten op magnetostrictieve transducers.
Verwerking
Ultrasoonbehandeling biedt grote mogelijkheden bij de verwerking van vloeistoffen en slurries, door het verbeteren van het mengen en de chemische reacties in diverse toepassingen en industrieën. Ultrasoonbehandeling wekt in vloeistoffen afwisselend lage- en hogedrukgolven op, die leiden tot de vorming en het gewelddadig ineenstorten van kleine vacuümbelletjes. Dit verschijnsel wordt cavitatie genoemd en veroorzaakt met hoge snelheid botsende vloeistofstralen en sterke hydrodynamische afschuifkrachten. Deze effecten worden gebruikt voor het deagglomereren en malen van materialen met micro- en nanometergrootte, alsook voor het uiteenvallen van cellen of het mengen van reactanten. In dit opzicht is ultrasoonbehandeling een alternatief voor hogesnelheidsmengers en roerwerkkorrelmolens. Ultrasone folies onder de bewegende draad in een papiermachine zullen de schokgolven van de imploderende bellen gebruiken om de cellulosevezels gelijkmatiger te verdelen in de geproduceerde papierbaan, waardoor een sterker papier met gelijkmatiger oppervlakken zal worden verkregen. Bovendien profiteren de chemische reacties van de vrije radicalen die door de cavitatie ontstaan, alsmede van de energietoevoer en de materiaaloverdracht door grenslagen. Voor veel processen leidt dit sonochemische (zie sonochemie) effect tot een aanzienlijke verkorting van de reactietijd, zoals bij de omestering van olie tot biodiesel.
Een aanzienlijke ultrasone intensiteit en hoge ultrasone trillingsamplitude zijn vereist voor vele verwerkingstoepassingen, zoals nano-kristallisatie, nano-emulsificatie, deagglomeratie, extractie, celdisruptie, en vele andere. Gewoonlijk wordt een proces eerst op laboratoriumschaal getest om de haalbaarheid aan te tonen en enkele van de vereiste ultrasone blootstellingsparameters vast te stellen. Nadat deze fase is voltooid, wordt het proces overgebracht naar een proefschaal (bench) voor doorstroom-voorproductie-optimalisering en vervolgens naar een industriële schaal voor continue productie. Tijdens deze schaalvergrotingsstappen is het van essentieel belang ervoor te zorgen dat alle plaatselijke blootstellingsomstandigheden (ultrasone amplitude, cavitatie-intensiteit, tijd die in de actieve cavitatiezone wordt doorgebracht, enz. Indien aan deze voorwaarde is voldaan, blijft de kwaliteit van het eindproduct op het geoptimaliseerde niveau, terwijl de productiviteit wordt verhoogd met een voorspelbare “opschalingsfactor”. De productiviteitsstijging is het gevolg van het feit dat ultrasone processystemen op laboratorium-, werkbank- en industriële schaal steeds grotere ultrasone hoorns bevatten, waarmee steeds grotere cavitatiezones met hoge intensiteit kunnen worden gegenereerd en dus meer materiaal per tijdseenheid kan worden verwerkt. Dit wordt “directe schaalbaarheid” genoemd. Het is belangrijk erop te wijzen dat het verhogen van het vermogen van de ultrasone processor alleen niet tot directe schaalbaarheid leidt, aangezien dit gepaard kan gaan (en vaak gaat) met een vermindering van de ultrasone amplitude en de cavitatie-intensiteit. Tijdens directe schaalvergroting moeten alle verwerkingsvoorwaarden worden gehandhaafd, terwijl het vermogen van de apparatuur wordt verhoogd om de werking van een grotere ultrasone hoorn mogelijk te maken.
Ultrasone manipulatie en karakterisering van deeltjes
Een onderzoeker aan het Industrial Materials Research Institute, Alessandro Malutta, bedacht een experiment dat de vangwerking van ultrasone staande golven op in water verdunde houtpulpvezels aantoonde en hun parallelle oriëntatie in de equidistante drukvlakken. De tijd om de vezels in equidistante vlakken te oriënteren wordt gemeten met een laser en een elektro-optische sensor. Dit zou de papierindustrie een snel on-line meetsysteem voor de vezelgrootte kunnen verschaffen. Een enigszins andere uitvoering werd gedemonstreerd aan de Pennsylvania State University met behulp van een microchip die een paar loodrecht op elkaar staande akoestische oppervlaktegolven genereerde, waardoor deeltjes op gelijke afstand van elkaar op een rooster konden worden geplaatst. Dit experiment, dat akoestische pincetten wordt genoemd, kan worden gebruikt voor toepassingen in de materiaalwetenschappen, biologie, natuurkunde, scheikunde en nanotechnologie.
Ultrasoon reinigen
Ultrasone reinigers, soms abusievelijk supersonische reinigers genoemd, worden bij frequenties van 20 tot 40 kHz gebruikt voor juwelen, lenzen en andere optische onderdelen, horloges, tandheelkundige instrumenten, chirurgische instrumenten, duikregelaars en industriële onderdelen. Een ultrasoonreiniger werkt vooral door energie die vrijkomt bij het ineenstorten van miljoenen microscopisch kleine cavitatie nabij het vuile oppervlak. De door cavitatie gevormde belletjes vallen ineen en vormen minuscule straaltjes die op het oppervlak worden gericht.
Ultrasone desintegratie
Gelijkaardig aan ultrasone reiniging kunnen biologische cellen, waaronder bacteriën, worden gedesintegreerd. Ultrasoon geluid met hoog vermogen produceert cavitatie die de deeltjes desintegratie of reacties vergemakkelijkt. Dit wordt gebruikt in de biologische wetenschap voor analytische of chemische doeleinden (sonicatie en sonoporatie) en bij het doden van bacteriën in afvalwater. Ultrasoon geluid met hoog vermogen kan maïsslurrie desintegreren en de vloeibaarmaking en versuikering verbeteren voor een hogere ethanolopbrengst in droge maïsmalen.
Ultrasone luchtbevochtiger
De ultrasone luchtbevochtiger, een type vernevelaar (een apparaat dat een zeer fijne nevel produceert), is een populair type luchtbevochtiger. Hij werkt door een metalen plaat bij ultrasone frequenties te laten trillen om het water te vernevelen (soms ten onrechte “atomiseren” genoemd). Omdat het water niet wordt verwarmd om te verdampen, produceert het een koele nevel. De ultrasone drukgolven vernevelen niet alleen het water, maar ook de stoffen in het water, zoals calcium, andere mineralen, virussen, schimmels, bacteriën en andere onzuiverheden. Ziekten die worden veroorzaakt door onzuiverheden die zich in het reservoir van een luchtbevochtiger bevinden, vallen onder de noemer “luchtbevochtigingskoorts”.
Ultrasone luchtbevochtigers worden vaak gebruikt in de aeroponica, waar ze over het algemeen foggers worden genoemd.
Ultrasoon lassen
Bij het ultrasoon lassen van kunststoffen worden trillingen met een hoge frequentie (15 kHz tot 40 kHz) en een lage amplitude gebruikt om warmte te creëren door middel van wrijving tussen de samen te voegen materialen. De interface van de twee delen is speciaal ontworpen om de energie te concentreren voor maximale lassterkte.
Sonochemie
Power ultrasound in het 20-100 kHz bereik wordt gebruikt in de chemie. Het ultrageluid heeft geen directe interactie met moleculen om de chemische verandering teweeg te brengen, aangezien de typische golflengte (in het millimetergebied) te lang is in vergelijking met de moleculen. In plaats daarvan veroorzaakt de energie cavitatie, waardoor extreme temperaturen en drukken ontstaan in de vloeistof waar de reactie plaatsvindt. Ultrasoon geluid breekt ook vaste stoffen af en verwijdert passieve lagen van inert materiaal, zodat een groter oppervlak ontstaat waarop de reactie kan plaatsvinden. Door beide effecten verloopt de reactie sneller. In 2008 meldde Atul Kumar de synthese van Hantzsch esters en polyhydrochinolinederivaten via een meercomponentenreactieprotocol in waterige micellen met behulp van ultrageluid.
Ultrasoon geluid wordt gebruikt bij extractie, waarbij verschillende frequenties worden gebruikt.
Wapens
Ultrasound is bestudeerd als basis voor sonische wapens, voor toepassingen zoals oproerbeheersing, desoriëntatie van aanvallers, tot dodelijke geluidsniveaus.
Draadloze communicatie
In juli 2015 meldde The Economist dat onderzoekers van de University of California, Berkeley ultrageluidstudies hebben uitgevoerd met behulp van grafeenmembranen. De dunheid en het lage gewicht van grafeen in combinatie met de sterkte maken het een effectief materiaal om te gebruiken in ultrasone communicatie. Een van de voorgestelde toepassingen van de technologie zou communicatie onder water zijn, waar radiogolven meestal niet goed reizen.
Ultrasone signalen zijn gebruikt in “audiobakens” voor het volgen van internetgebruikers over de apparaten heen.