Wysokiej mocy zastosowania ultradźwięków często wykorzystują częstotliwości od 20 kHz do kilkuset kHz. Intensywności mogą być bardzo wysokie; powyżej 10 watów na centymetr kwadratowy, kawitacja może być indukowana w mediach płynnych, a niektóre zastosowania wykorzystują do 1000 watów na centymetr kwadratowy. Tak wysokie natężenia mogą indukować zmiany chemiczne lub wywoływać znaczące efekty poprzez bezpośrednie działanie mechaniczne, a także unieszkodliwiać szkodliwe mikroorganizmy.
Terapia fizyczna
Ultradźwięki są stosowane od lat 40. przez terapeutów fizycznych i zajęciowych do leczenia tkanki łącznej: więzadeł, ścięgien i powięzi (a także tkanki bliznowatej). Warunki, w których ultradźwięki mogą być stosowane do leczenia, obejmują następujące przykłady: skręcenia więzadeł, naciągnięcia mięśni, zapalenie ścięgien, zapalenie stawów, zapalenie powięzi podeszwowej, bóle śródstopia, podrażnienie powięzi, zespół impingement, zapalenie kaletki maziowej, reumatoidalne zapalenie stawów, zapalenie kości i stawów oraz zrost tkanki bliznowatej.
Zastosowania biomedyczne
Ultradźwięki mają również zastosowania terapeutyczne, które mogą być bardzo korzystne, jeśli są stosowane z zachowaniem środków ostrożności w dawkowaniu. Ultradźwięki o stosunkowo dużej mocy mogą rozbijać kamienne złogi lub tkanki, przyspieszać działanie leków w obszarze docelowym, pomagać w pomiarach właściwości elastycznych tkanek i mogą być wykorzystywane do sortowania komórek lub małych cząstek do badań.
Ultrasoniczna obróbka udarowa
Ultrasoniczna obróbka udarowa (UIT) wykorzystuje ultradźwięki do poprawy właściwości mechanicznych i fizycznych metali. Jest to technika przetwarzania metalurgicznego, w której energia ultradźwiękowa jest stosowana do przedmiotu metalowego. Obróbka ultradźwiękowa może powodować kontrolowane resztkowe naprężenia ściskające, rafinację ziarna i zmniejszenie wielkości ziarna. Udokumentowano, że zmęczenie nisko- i wysokocyklowe zwiększa się nawet dziesięciokrotnie w porównaniu z próbkami nie poddanymi UIT. Dodatkowo, UIT okazał się skuteczny w rozwiązywaniu problemów związanych z korozją naprężeniową, zmęczeniem korozyjnym i pokrewnymi zagadnieniami.
Gdy narzędzie UIT, składające się z przetwornika ultradźwiękowego, sworzni i innych komponentów, wchodzi w kontakt z obrabianym przedmiotem, sprzęga się akustycznie z obrabianym przedmiotem, tworząc rezonans harmoniczny. Ten rezonans harmoniczny jest wykonywany przy starannie skalibrowanej częstotliwości, na którą metale reagują bardzo korzystnie.
W zależności od pożądanych efektów obróbki stosuje się kombinację różnych częstotliwości i amplitudy przemieszczenia. Częstotliwości te wynoszą od 25 do 55 kHz, a amplituda przemieszczenia ciała rezonansowego od 22 do 50 µm (0,00087 i 0,0020 cala).
Urządzenia UIT opierają się na przetwornikach magnetostrykcyjnych.
Przetwarzanie
Ultrasonikacja oferuje ogromny potencjał w przetwarzaniu cieczy i zawiesin, poprzez poprawę mieszania i reakcji chemicznych w różnych zastosowaniach i gałęziach przemysłu. Ultradźwięki generują zmienne fale niskiego i wysokiego ciśnienia w cieczach, co prowadzi do powstawania i gwałtownego zapadania się małych pęcherzyków próżniowych. Zjawisko to określane jest mianem kawitacji i powoduje powstawanie strumieni cieczy o dużej prędkości oraz silne hydrodynamiczne siły ścinające. Efekty te są wykorzystywane do dezaglomeracji i mielenia materiałów o rozmiarach mikro- i nanometrowych, jak również do dezintegracji komórek lub mieszania reagentów. W tym aspekcie ultradźwięki są alternatywą dla szybkoobrotowych mieszadeł i młynów perełkowych. Folie ultradźwiękowe pod ruchomym drutem w maszynie papierniczej wykorzystują fale uderzeniowe z implodujących pęcherzyków do bardziej równomiernego rozprowadzania włókien celulozowych w produkowanej wstędze papieru, dzięki czemu powstaje mocniejszy papier o bardziej równych powierzchniach. Co więcej, reakcje chemiczne korzystają z wolnych rodników powstałych w wyniku kawitacji, jak również z wkładu energii i transferu materiału przez warstwy graniczne. Dla wielu procesów, ten efekt sonochemiczny (patrz sonochemia) prowadzi do znacznego skrócenia czasu reakcji, tak jak w transestryfikacji oleju w biodiesel.
Duża intensywność ultradźwięków i wysokie amplitudy drgań ultradźwiękowych są wymagane w wielu zastosowaniach przetwarzania, takich jak nano-krystalizacja, nano-emulgacja, deaglomeracja, ekstrakcja, rozbijanie komórek, jak również wiele innych. Zazwyczaj proces jest najpierw testowany w skali laboratoryjnej, aby udowodnić wykonalność i ustalić niektóre z wymaganych parametrów ekspozycji ultradźwiękowej. Po zakończeniu tej fazy, proces jest przenoszony do skali pilotażowej (laboratoryjnej) w celu optymalizacji przepływowej przedprodukcyjnej, a następnie do skali przemysłowej w celu produkcji ciągłej. Podczas tych etapów skalowania, istotne jest, aby upewnić się, że wszystkie lokalne warunki ekspozycji (amplituda ultradźwiękowa, intensywność kawitacji, czas spędzony w aktywnej strefie kawitacji, itp. Jeśli ten warunek jest spełniony, jakość produktu końcowego pozostaje na zoptymalizowanym poziomie, podczas gdy wydajność wzrasta o przewidywalny „współczynnik skalowania”. Wzrost produktywności wynika z faktu, że laboratoryjne, stołowe i przemysłowe systemy procesorów ultradźwiękowych wyposażone są w coraz większe tuby ultradźwiękowe, zdolne do generowania coraz większych stref kawitacji o wysokiej intensywności, a zatem do przetwarzania większej ilości materiału w jednostce czasu. Nazywa się to „bezpośrednią skalowalnością”. Należy zaznaczyć, że samo zwiększenie mocy procesora ultradźwiękowego nie skutkuje bezpośrednią skalowalnością, ponieważ może temu towarzyszyć (i często towarzyszy) zmniejszenie amplitudy ultradźwięków i intensywności kawitacji. Podczas bezpośredniego skalowania wszystkie warunki przetwarzania muszą być zachowane, podczas gdy moc znamionowa urządzenia jest zwiększana w celu umożliwienia działania większej tuby ultradźwiękowej.
Ultradźwiękowa manipulacja i charakterystyka cząstek
Badacz z Przemysłowego Instytutu Badań Materiałów, Alessandro Malutta, opracował eksperyment, który wykazał działanie pułapkujące ultradźwiękowych fal stojących na włóknach pulpy drzewnej rozcieńczonych w wodzie i ich równoległe orientowanie w równych odległych płaszczyznach ciśnienia. Czas orientacji włókien w równych płaszczyznach mierzony jest za pomocą lasera i czujnika elektrooptycznego. Rozwiązanie to może zapewnić przemysłowi papierniczemu szybki system pomiaru on-line wielkości włókien. Nieco inna implementacja została zademonstrowana na Pennsylvania State University przy użyciu mikroprocesora, który generował parę prostopadłych stojących powierzchniowych fal akustycznych pozwalających na pozycjonowanie cząstek w równej odległości od siebie na siatce. Eksperyment ten, zwany pincetą akustyczną, może mieć zastosowanie w naukach materiałowych, biologii, fizyce, chemii i nanotechnologii.
Czyszczenie ultradźwiękowe
Myszki ultradźwiękowe, czasami błędnie nazywane myjkami naddźwiękowymi, są stosowane przy częstotliwościach od 20 do 40 kHz do biżuterii, soczewek i innych części optycznych, zegarków, instrumentów dentystycznych, instrumentów chirurgicznych, regulatorów nurkowania i części przemysłowych. Myjka ultradźwiękowa działa głównie dzięki energii uwalnianej z zapadania się milionów mikroskopijnych kawitacji w pobliżu zabrudzonej powierzchni. Pęcherzyki powstałe w wyniku kawitacji zapadają się, tworząc maleńkie strumienie skierowane na powierzchnię.
Dezintegracja ultradźwiękowa
Podobnie jak w przypadku czyszczenia ultradźwiękowego, komórki biologiczne, w tym bakterie, mogą ulec dezintegracji. Ultradźwięki o dużej mocy wytwarzają kawitację, która ułatwia rozpad cząstek lub reakcje. Ma to zastosowanie w naukach biologicznych do celów analitycznych lub chemicznych (sonikacja i sonoporacja) oraz do zabijania bakterii w ściekach. Ultradźwięki o dużej mocy mogą dezintegrować zawiesinę kukurydzianą oraz zwiększać upłynnianie i scukrzanie w celu uzyskania wyższej wydajności etanolu w zakładach mielenia suchej kukurydzy.
Nawilżacz ultradźwiękowy
Nawilżacz ultradźwiękowy, jeden z rodzajów nebulizatora (urządzenie, które tworzy bardzo drobny strumień), jest popularnym rodzajem nawilżacza. Działa on poprzez wibrację metalowej płyty przy częstotliwościach ultradźwiękowych w celu nebulizacji (czasami błędnie nazywanej „atomizacją”) wody. Ponieważ woda nie jest podgrzewana w celu odparowania, wytwarza chłodną mgiełkę. Ultradźwiękowe fale ciśnienia nebulizują nie tylko wodę, ale również materiały znajdujące się w wodzie, w tym wapń, inne minerały, wirusy, grzyby, bakterie i inne zanieczyszczenia. Choroby spowodowane zanieczyszczeniami, które rezydują w zbiorniku nawilżacza, są określane jako „gorączka nawilżacza”.
Ultrasoniczne nawilżacze są często używane w aeroponice, gdzie są ogólnie określane jako zamgławiacze.
Spawanie ultradźwiękowe
W ultradźwiękowym zgrzewaniu tworzyw sztucznych, wysoka częstotliwość (15 kHz do 40 kHz) wibracji o niskiej amplitudzie jest używana do wytworzenia ciepła w drodze tarcia między łączonymi materiałami. Interfejs dwóch części jest specjalnie zaprojektowany, aby skoncentrować energię w celu uzyskania maksymalnej wytrzymałości spoiny.
Sonochemia
Urdźwięki o mocy w zakresie 20-100 kHz są wykorzystywane w chemii. Ultradźwięki nie oddziałują bezpośrednio z cząsteczkami w celu wywołania zmian chemicznych, ponieważ ich typowa długość fali (w zakresie milimetrowym) jest zbyt długa w porównaniu z cząsteczkami. Zamiast tego, energia powoduje kawitację, która generuje ekstremalne temperatury i ciśnienia w cieczy, gdzie zachodzi reakcja. Ultradźwięki rozbijają również ciała stałe i usuwają pasywujące warstwy obojętnego materiału, co daje większą powierzchnię, na której zachodzi reakcja. Oba te efekty sprawiają, że reakcja przebiega szybciej. W 2008 roku, Atul Kumar zgłosił syntezę estrów Hantzscha i pochodnych polihydrochinoliny poprzez wieloskładnikowy protokół reakcji w wodnych micelach przy użyciu ultradźwięków.
Ultradźwięki są stosowane w ekstrakcji, przy użyciu różnych częstotliwości.
Broń
Ultradźwięki były badane jako podstawa dla broni sonicznej, do zastosowań takich jak kontrola zamieszek, dezorientacja napastników, aż do śmiertelnych poziomów dźwięku.
Komunikacja bezprzewodowa
W lipcu 2015 roku The Economist poinformował, że naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley przeprowadzili badania ultradźwiękowe z wykorzystaniem membran grafenowych. Cienkość i niska waga grafenu w połączeniu z jego wytrzymałością sprawiają, że jest to skuteczny materiał do wykorzystania w komunikacji ultradźwiękowej. Jednym z sugerowanych zastosowań tej technologii byłaby komunikacja podwodna, gdzie fale radiowe zazwyczaj nie podróżują dobrze.
Sygnały ultradźwiękowe zostały wykorzystane w „sygnalizatorach dźwiękowych” do śledzenia użytkowników Internetu za pomocą różnych urządzeń.
.