Ультразву́к (УЗ), акустические волны с частотами от 2·10⁴ Гц до 10⁹ Гц. Выделяют ультразвук низких (2·10⁴–10⁵ Гц), средних (10⁵–10⁷ Гц) и высоких (10⁷–10⁹ Гц) частот. Каждый из этих диапазонов характеризуется специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

Свойства и особенности распространения

По физической природе ультразвук представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и УЗ-волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн (так, длины волн ультразвука высоких частот в воздухе составляют 3,4·10^–3–3,4·10^–7 м, в воде 1,5·10^–4–1,5·10^–6 м, в стали 5·10^–4–5·10^–6 м) имеет место ряд особенностей распространения ультразвука.

Ввиду малой длины волны ультразвука характер его распространения определяется в первую очередь молекулярной структурой среды, поэтому, измеряя скорость и коэффициент затухания ультразвука, можно судить о молекулярных свойствах вещества (см. статью Молекулярная акустика). Характерная особенность распространения ультразвука в многоатомных газах и во многих жидкостях – существование областей дисперсии звука, сопровождающейся сильным возрастанием его поглощения. Ультразвук в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (особенно монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в них значительно меньше. Поэтому области использования ультразвука средних и высоких частот относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только ультразвук низких частот.

Другая особенность ультразвука – возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, т. к. при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. УЗ-волны большой интенсивности сопровождаются рядом нелинейных эффектов. Так, для интенсивных плоских УЗ-волн при малом поглощении среды синусоидальная у излучателя волна превращается по мере распространения в слабую периодическую ударную волну; поглощение таких волн оказывается значительно больше, чем волн малой амплитуды. Распространению УЗ-волн в газах и жидкостях сопутствует движение среды (акустическое течение). К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация.

Генерация и приём

Для излучения ультразвука используют механические и электромеханические устройства. Механические излучатели ультразвука (воздушные и жидкостные свистки и сирены) отличаются простотой устройства и эксплуатации, не требуют электрической энергии высокой частоты. Они применяются главным образом в промышленные УЗ-технологии и как средства сигнализации.

Электромеханические излучатели ультразвука преобразуют электрические колебания в механические. В диапазоне ультразвука низких частот возможно использование электродинамических и электростатических излучателей. В этом диапазоне частот широко применяются магнитострикционные преобразователи. Для излучения ультразвука средних и высоких частот служат главным образом пьезоэлектрические преобразователи. Для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности, как правило, применяются резонансные колебания магнитострикционных и пьезоэлектрических элементов на их собственной частоте. Для увеличения амплитуды колебаний твёрдых тел в диапазоне ультразвука низких частот используют стержневые УЗ-концентраторы.

Магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи применяются и для приёма ультразвука. Для изучения УЗ-поля используются оптические методы (см. статьи Визуализация звукового поля, Дифракция света на ультразвуке).

Применение

УЗ-методы используются в физике твёрдого тела, в частности в физике полупроводников. Ультразвук играет большую роль в изучении структуры вещества. Наряду с методами молекулярной акустики для жидкостей и газов, измерение скорости и коэффициента поглощения ультразвука используется для определения модулей упругости и диссипативных характеристик твёрдых тел.

Ультразвук широко применяется в технике. По данным измерений скорости и коэффициента поглощения ультразвука осуществляется контроль за протеканием технологических процессов. Ультразвук сравнительно малой интенсивности применяется для неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов. При помощи ультразвука осуществляется звуковидение. Для получения увеличенных изображений предмета с помощью ультразвука высокой частоты создан акустический микроскоп. Важную роль ультразвук играет в гидроакустике. На принципе отражения УЗ-импульсов от препятствий, возникающих на пути их распространения, основана работа эхолота, гидролокатора и др.

Ультразвук большой интенсивности (главным образом диапазон низких частот) оказывает воздействие на протекание технологических процессов. Так, при помощи мощного ультразвука ускоряется ряд процессов тепло- и массообмена в металлургии. Воздействие УЗ-колебаний непосредственно на расплавы позволяет получить более мелкокристаллическую и однородную структуру металла. УЗ-кавитация используется для очистки от загрязнений мелких и крупных производственных деталей.

При действии ультразвука на биологические объекты происходит поглощение и преобразование акустической энергии в тепловую. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность обмена веществ. В медицине УЗ используется для диагностики, терапевтического и хирургического лечения. О применении ультразвука в химии см. в статье Сонохимия.

Ультразвук способны воспринимать и генерировать некоторые виды животных (летучие мыши, дельфины, некоторые виды птиц и насекомых и др.).