Las aplicaciones de alta potencia de los ultrasonidos suelen utilizar frecuencias entre 20 kHz y unos cientos de kHz. Las intensidades pueden ser muy altas; por encima de 10 vatios por centímetro cuadrado, se puede inducir la cavitación en medios líquidos, y algunas aplicaciones utilizan hasta 1000 vatios por centímetro cuadrado. Estas altas intensidades pueden inducir cambios químicos o producir efectos significativos por acción mecánica directa, y pueden inactivar microorganismos dañinos.
Fisioterapia
El ultrasonido ha sido utilizado desde la década de 1940 por fisioterapeutas y terapeutas ocupacionales para tratar el tejido conectivo: ligamentos, tendones y fascia (y también el tejido cicatricial). Las afecciones para las que se puede utilizar el ultrasonido para el tratamiento incluyen los siguientes ejemplos: esguinces de ligamentos, distensiones musculares, tendinitis, inflamación de las articulaciones, fascitis plantar, metatarsalgia, irritación de las facetas, síndrome de pinzamiento, bursitis, artritis reumatoide, osteoartritis y adhesión de tejido cicatricial.
Aplicaciones biomédicas
El ultrasonido también tiene aplicaciones terapéuticas, que pueden ser muy beneficiosas cuando se utilizan con precauciones de dosificación. Los ultrasonidos de potencia relativamente alta pueden romper depósitos o tejidos pétreos, acelerar el efecto de los fármacos en una zona determinada, ayudar a medir las propiedades elásticas de los tejidos y pueden utilizarse para clasificar células o pequeñas partículas para la investigación.
Tratamiento de impacto ultrasónico
El tratamiento de impacto ultrasónico (UIT) utiliza los ultrasonidos para mejorar las propiedades mecánicas y físicas de los metales. Es una técnica de procesamiento metalúrgico en la que se aplica energía ultrasónica a un objeto metálico. El tratamiento por ultrasonidos puede dar lugar a una tensión de compresión residual controlada, un refinamiento del grano y una reducción del tamaño del mismo. La fatiga en ciclos bajos y altos se ve mejorada y se ha documentado que proporciona incrementos hasta diez veces mayores que las muestras sin UIT. Además, la UIT ha demostrado ser eficaz para abordar el agrietamiento por corrosión bajo tensión, la fatiga por corrosión y otros problemas relacionados.
Cuando la herramienta UIT, formada por el transductor ultrasónico, las clavijas y otros componentes, entra en contacto con la pieza de trabajo, se acopla acústicamente con la pieza de trabajo, creando una resonancia armónica. Esta resonancia armónica se realiza a una frecuencia cuidadosamente calibrada, a la que los metales responden muy favorablemente.
En función de los efectos deseados del tratamiento se aplica una combinación de diferentes frecuencias y amplitud de desplazamiento. Estas frecuencias oscilan entre 25 y 55 kHz, con una amplitud de desplazamiento del cuerpo resonante de entre 22 y 50 µm (0,00087 y 0,0020 in).
Los dispositivos UIT se basan en transductores magnetostrictivos.
Procesamiento
La ultrasonicación ofrece un gran potencial en el procesamiento de líquidos y lodos, al mejorar la mezcla y las reacciones químicas en diversas aplicaciones e industrias. La ultrasonicación genera ondas alternas de baja y alta presión en los líquidos, lo que conduce a la formación y el colapso violento de pequeñas burbujas de vacío. Este fenómeno se denomina cavitación y provoca chorros de líquido que impactan a gran velocidad y fuertes fuerzas de cizallamiento hidrodinámicas. Estos efectos se utilizan para la desaglomeración y la molienda de materiales de tamaño micrométrico y nanométrico, así como para la desintegración de células o la mezcla de reactivos. En este aspecto, la ultrasonicación es una alternativa a los mezcladores de alta velocidad y a los molinos de bolas agitadoras. Las láminas ultrasónicas situadas bajo el hilo móvil en una máquina de papel utilizarán las ondas de choque de las burbujas que implosionan para distribuir las fibras de celulosa de manera más uniforme en la banda de papel producida, lo que permitirá obtener un papel más resistente con superficies más uniformes. Además, las reacciones químicas se benefician de los radicales libres creados por la cavitación, así como del aporte de energía y la transferencia de material a través de las capas límite. Para muchos procesos, este efecto sonoquímico (véase sonoquímica) conduce a una reducción sustancial del tiempo de reacción, como en la transesterificación del aceite en biodiésel.
Se requiere una intensidad de ultrasonidos sustancial y unas amplitudes de vibración de ultrasonidos elevadas para muchas aplicaciones de procesamiento, como la nanocristalización, la nanoemulsificación, la desagregación, la extracción y la disrupción celular, así como muchas otras. Por lo general, un proceso se prueba primero a escala de laboratorio para demostrar su viabilidad y establecer algunos de los parámetros de exposición a los ultrasonidos necesarios. Una vez completada esta fase, el proceso se transfiere a una escala piloto (de banco) para la optimización de la preproducción de flujo y luego a una escala industrial para la producción continua. Durante estos pasos de escalado, es esencial asegurarse de que todas las condiciones locales de exposición (amplitud de los ultrasonidos, intensidad de la cavitación, tiempo de permanencia en la zona de cavitación activa, etc.) sean las mismas. Si se cumple esta condición, la calidad del producto final se mantiene en el nivel optimizado, mientras que la productividad aumenta en un «factor de escalado» predecible. El aumento de la productividad se debe a que los sistemas de procesadores de ultrasonidos de laboratorio, de sobremesa y a escala industrial incorporan bocinas de ultrasonidos progresivamente mayores, capaces de generar zonas de cavitación de alta intensidad progresivamente mayores y, por tanto, de procesar más material por unidad de tiempo. Esto se denomina «escalabilidad directa». Es importante señalar que el aumento de la potencia del procesador de ultrasonidos por sí solo no da lugar a la escalabilidad directa, ya que puede ir (y con frecuencia va) acompañado de una reducción de la amplitud de los ultrasonidos y de la intensidad de la cavitación. Durante el escalado directo, todas las condiciones de procesamiento deben mantenerse, mientras que la potencia nominal del equipo se incrementa para permitir el funcionamiento de un cuerno ultrasónico más grande.
Manipulación y caracterización ultrasónica de partículas
Un investigador del Instituto de Investigación de Materiales Industriales, Alessandro Malutta, ideó un experimento que demostró la acción de atrapamiento de las ondas estacionarias ultrasónicas en las fibras de pulpa de madera diluidas en agua y su orientación paralela en los planos de presión equidistantes. El tiempo de orientación de las fibras en planos equidistantes se mide con un láser y un sensor electro-óptico. Esto podría proporcionar a la industria papelera un sistema rápido de medición del tamaño de las fibras en línea. En la Universidad Estatal de Pensilvania se demostró una implementación algo diferente, utilizando un microchip que generaba un par de ondas acústicas superficiales perpendiculares y estacionarias que permitían posicionar partículas equidistantes entre sí en una rejilla. Este experimento, denominado pinzas acústicas, puede utilizarse para aplicaciones en ciencias de los materiales, biología, física, química y nanotecnología.
Limpieza por ultrasonidos
Los limpiadores ultrasónicos, a veces llamados erróneamente limpiadores supersónicos, se utilizan a frecuencias de 20 a 40 kHz para joyas, lentes y otras piezas ópticas, relojes, instrumentos dentales, instrumentos quirúrgicos, reguladores de buceo y piezas industriales. Un limpiador ultrasónico funciona sobre todo por la energía liberada por el colapso de millones de cavitaciones microscópicas cerca de la superficie sucia. Las burbujas producidas por la cavitación se colapsan formando diminutos chorros dirigidos a la superficie.
Desintegración por ultrasonidos
De forma similar a la limpieza por ultrasonidos, se pueden desintegrar las células biológicas, incluidas las bacterias. Los ultrasonidos de alta potencia producen una cavitación que facilita la desintegración de las partículas o las reacciones. Esto tiene usos en la ciencia biológica con fines analíticos o químicos (sonicación y sonoporación) y en la eliminación de bacterias en las aguas residuales. Los ultrasonidos de alta potencia pueden desintegrar el lodo de maíz y mejorar la licuefacción y la sacarificación para obtener un mayor rendimiento de etanol en las plantas de molienda de maíz seco.
Humidificador ultrasónico
El humidificador ultrasónico, un tipo de nebulizador (un dispositivo que crea un aerosol muy fino), es un tipo popular de humidificador. Funciona haciendo vibrar una placa metálica a frecuencias ultrasónicas para nebulizar (a veces llamado incorrectamente «atomizar») el agua. Como el agua no se calienta para su evaporación, produce una niebla fría. Las ondas de presión ultrasónicas nebulizan no sólo el agua, sino también los materiales que contiene, como el calcio, otros minerales, virus, hongos, bacterias y otras impurezas. Las enfermedades causadas por las impurezas que residen en el depósito de un humidificador se denominan «fiebre del humidificador».
Los humidificadores ultrasónicos se utilizan con frecuencia en aeroponía, donde se denominan generalmente nebulizadores.
Soldadura ultrasónica
En la soldadura de plásticos por ultrasonidos, se utiliza una vibración de alta frecuencia (15 kHz a 40 kHz) y baja amplitud para crear calor mediante la fricción entre los materiales que se van a unir. La interfaz de las dos partes está especialmente diseñada para concentrar la energía y conseguir la máxima resistencia de la soldadura.
Sonoquímica
Los ultrasonidos de potencia en el rango de 20-100 kHz se utilizan en química. Los ultrasonidos no interactúan directamente con las moléculas para inducir el cambio químico, ya que su longitud de onda típica (en el rango milimétrico) es demasiado larga en comparación con las moléculas. En cambio, la energía provoca una cavitación que genera temperaturas y presiones extremas en el líquido donde se produce la reacción. Los ultrasonidos también rompen los sólidos y eliminan las capas pasivas de material inerte para dar una mayor superficie a la reacción. Ambos efectos hacen que la reacción sea más rápida. En 2008, Atul Kumar informó de la síntesis de ésteres de Hantzsch y derivados de polihidroquinolina mediante un protocolo de reacción multicomponente en micelas acuosas utilizando ultrasonidos.
El ultrasonido se utiliza en la extracción, utilizando diferentes frecuencias.
Armas
El ultrasonido se ha estudiado como base para armas sónicas, para aplicaciones como control de disturbios, desorientación de atacantes, hasta niveles letales de sonido.
Comunicación inalámbrica
En julio de 2015, The Economist informó que investigadores de la Universidad de California, Berkeley, han realizado estudios de ultrasonido utilizando diafragmas de grafeno. La delgadez y el bajo peso del grafeno, combinados con su resistencia, lo convierten en un material eficaz para utilizarlo en las comunicaciones por ultrasonidos. Una de las aplicaciones sugeridas de esta tecnología sería la comunicación submarina, donde las ondas de radio no suelen viajar bien.
Las señales ultrasónicas se han utilizado en «balizas de audio» para el seguimiento de usuarios de Internet entre dispositivos.