どうして音で、キズを見つけたり形がわかったりするの？ 〜超音波とは〜

「超音波」の技術は、産業用の機械や医療機器など、さまざまな製品で利用されています。超音波をうまく利用することで、物までの距離や形の計測など、いろいろなことができるようになります。

では、どうしてそのようなことができるのでしょうか？超音波の特徴や、超音波のしくみが利用されている製品について解説していきます！

「超音波」って何？

音は“物が震えて起こる振動”です。物が振動すると、空気や水などの媒質に振動が伝わり、音を伝えます。例えば、太鼓を叩くと太鼓に張られた革が振動します。このとき、振動に合わせて、革は周りの空気を押したり引いたりしています。革がへこんだときには、革の近くの空気が引き伸ばされて空気の密度が低くなります（この状態を「疎」といいます）。革が元に戻ろうとして膨らんだときには、革の近くの空気が押し縮められて空気の密度が高くなります（この状態を「密」といいます）。この空気の圧力の変化が、空気中を波となって伝わっていくのです。

この音の波のことを「音波」と呼び、音波が私たちの耳の中まで届き、音を聞くための器官である鼓膜をゆすることで、音を感じられるのです。そのため、空気や水といった音波を伝える物質のない宇宙空間などでは、音を感じることはできません。

音は、短い時間にたくさん振動すると高い音に聞こえます。逆に、あまり振動していないと低い音に聞こえます。1秒間に何回振動するかという振動の速さ、つまり“音の高さ”を「周波数」と呼び、「Hz（ヘルツ）」という単位で表します。人間の耳が聞き取れる音の範囲を「可聴範囲」といい、20Hzから20,000Hz（20kHz）の周波数といわれます。この、人間の可聴範囲よりも高い周波数の音を「超音波」と呼んでいます。音の振動数と高さを波形で示すと下図のようになります。

超音波にはさまざまな特徴があり、その特徴をうまく利用することで、いろいろなことができるようになります。

真っすぐ進んではね返る超音波

超音波は、光と異なり固体の中でもよく伝わります。音は物質を振動させながら伝わっていくので、密度の高い物質の中のほうが、より速く伝わります。音の進む速さのことを「音速」といい、硬い物質の中ほど音速は速くなります。例えば、空気中よりも水中、水中よりも金属の中のほうが、音は速く進みます。

	密度	音速
空気	約0.0012g/cm3	約340m/秒
水	約1g/cm3	約1,500m/秒
鋼	約8g/cm3	約5,900m/秒

また、超音波には、性質の違う物質に当たったときに反射するという特徴があります。例えば、声が山ではね返ってくるやまびこのように、空気中を進んだ音が硬い別の物質に当たったときや、逆に、硬い金属の中を進んだ音が空気の層に当たったときにはね返ります。さらに、周波数の高い超音波は「指向性（音・光などの波の強さが発信源からの方向によって異なる性質のこと）」が高く、音が周囲にあまり広がらず、狭い範囲でビーム状に真っすぐ進むという特徴も持っています。

このような特徴を利用して、物を壊すことなく、外からは見ることができない金属部品・鉄骨の内部にあるキズを見つける検査装置や、海の中にいる魚の群れを探す魚群探知機などが作られています。装置から発信された超音波は、物や水の中を真っすぐ進み、キズの部分にできた薄い空気の層や魚の群れなど性質の違う物に当たってはね返り、それをセンサーが感知します。はね返った超音波の波形を分かりやすく画像として見せるように処理し、モニターなどに映し出すのです。

超音波を活用して、人々の健康と安心、心豊かな生活をサポートする

オリンパスにも超音波を利用した製品が数多くあります。

例えば胃などの身体の中に挿入し、検査をしたい臓器の近くから超音波で検査を行う「超音波内視鏡」は、体の表面から超音波（エコー）を当てて検査するよりも、おなかの中の空気や脂肪などの影響を受けることが少ないので、より詳しい検査ができるといわれています。また、超音波の振動により発生する摩擦熱のエネルギーを利用し、外科用の治療に用いる超音波メスもあります。おなかを大きく切ることなく、小さな穴をいくつか開けるだけで済む、内視鏡下（か）外科手術で使用されています。

このようにオリンパスでは、超音波の技術を活用したさまざまな製品を通じて、人々の健康や安心、心を豊かにする手助けができるよう努力しています。