Siêu âm có thể tạo ra nhiệt độ cao như nhiệt độ của bề mặt mặt trời và áp suất lớn như áp suất dưới lòng đại dương. Trong một vài trường hợp, sóng siêu âm có thể làm tăng độ phản ứng hóa học lên gần một triệu lần.
Sóng siêu âm có thể được thấy trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Trong gia đình, chúng ta thường sử dụng sóng siêu âm để huýt sáo báo hiệu cho con chó, chuông chống trộm và sử dụng trong việc làm sạch đồ kim hoàn.
Trong y khoa, các bác sĩ sử dụng sóng siêu âm để loại bỏ những sạn trong thận mà không cần phải làm phẫu thuật, chữa trị những tổn thương về sương sụn ( như ở khuỷu tay), và chụp những hình ảnh phát triển của thai nhi trong thời kỳ mang thai.
Trong công nghiệp, siêu âm rất quan trọng trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm và thực phẩm, hàn plastics, khuấy trộn, làm sạch những vật có kích cỡ lớn.
Hóa học ứng dụng siêu âm gọi là
âm hóa học (sonochemistry), nó đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu mới trong thập kỷ qua. Lịch sử của ngành âm hóa học phát triển sau những năm 1800.
1984, trên con tàu chiến cao tốc, Sir John I. Thornycroft và Sydney W. Barnaby đã phát hiện con tàu lắc dữ dội và chân vịt tàu bị ăn mòn nhanh chóng. Họ tìm hiểu và thấy có những bóng khí lớn hình thành trên chân vịt của tàu khi tàu đang chạy, sự hình thành và vỡ của những bóng khí, bằng cách tăng kích thước của chân vịt và giảm vận tốc quay của chân vịt họ đã hạn chế được sự ăn mòn. Vì thế phát hiện ra được cơ chế
cavitation (tạm gọi là "sự tạo và vỡ bọt").
Cavitation xảy ra không những
trong sự xoáy mạnh của dòng chảymà còn xảy ra trong trường hợp chiếu xạ môi trường lỏng bằng
sóng siêu âmcường độ cao.
Chiếu xạ siêu âm có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên gấp nhiều lần. Ảnh hưởng hóa học của sóng siêu âm được được chia thành ba hướng:
âm hóa học đồng pha sử dụng trong dung dịch lỏng (homogeneous sonochemistry of liquids),
âm hóa học dị pha sử dụng trong hệ lỏng–lỏng hay lỏng–rắn (heterogeneous sonochemistry of liquid-liquid or liquid-solid systems) và
âm học xúc tác (sonocatalysis). Do cavitation chỉ diễn ra trong môi trường dung dịch nên phản ứng hóa học của hệ rắn hay rắn –khí không sử dụng chiếu xạ siêu âm được.
Đây là thiết bị tạo siêu âm (sừng siêu âm), thanh titan được ngâm vào trong dung dịch phản ứng để truyền động thông qua sự rung.
Sóng siêu âm có chiều dài sóng khoảng 10cm – 10-3cm, với chiều dài sóng này thì không tạo đủ năng lượng để tương tác trực tiếp lên liên kết hóa học (
không thể làm đứt liên kết hóa học).
Tuy nhiên, sự chiếu xạ siêu âm trong môi trường lỏng lại sản sinh ra một năng lượng lớn, do nó gây nên một
hiện tượng vật lý đó là cavitation, quá trình này phụ thuộc vào môi trường phản ứng (môi trường đồng thể lỏng rất khác so với cavitation ở bề mặt tiếp xúc rắn-lỏng).
Siêu âm được chiếu xạ qua môi trường lỏng tạo ra một chu trình dãn nở, nó gây ra áp suất chân không (negative pressure) trong môi trường lỏng. Hiện tượng cavitation
xảy ra khi áp suất chân không (negative pressure) vượt quá so với độ bền kéo (local tensile strength) của chất lỏng, độ bền này thay đổi tùy theo loại và độ tinh khiết của chất lỏng (độ bền kéo là ứng suất tối đa mà chất lỏng có thể chịu được khi kéo). Thông thường sự tạo-vỡ bọt là một
quá trình tạo mầm, bắt nguồn từ những chỗ yếu trong chất lỏng như một
lỗ hổng chứa khí phân tán lơ lửng trong hệ hoặc là những vi bọt tồn tại thời gian ngắn trước khi sự tạo-vỡ bọt xảy ra.
Hầu hết các chất lỏng đều có đủ những chỗ yếu này để hình thành nên cavitation.
Những vi bọt này qua sự chiếu xạ của siêu âm thì sẽ hấp thu dần năng lượng từ sóng và sẽ phát triển. Sự phát triển của bọt phụ thuộc vào cường độ của sóng. Ở cường độ sóng cao, những bọt này sẽ phát triển nhanh thông qua
tương tác quán tính. Nếu chu kỳ giãn nở của sóng đủ nhanh, bọt khí được giãn ra ở nữa chu kỳ đầu và nữa chu kỳ còn lại là nén bọt, nhưng bọt chưa kịp nén thì lại được giãn tiếp, cứ thế bọt lớn dần lên và vỡ. Ở cường độ âm thấp hơn bọt khí cũng hình thành theo quá trình chậm hơn.
Bọt sẽ dao động về kích thước qua nhiều lần nén và dãn, trong bọt sẽ có một lượng khí có sẵn, khí này sẽ tự do hơn khi dãn và mất tự do khi nén. Bọt phát triển sau mỗi lần dãn vì thế khí này sẽ càng tự do hơn (áp suất khí bên trong sẽ giảm).
Khi bọt phát triển tới
kích thước không thể phát triển tiếp được (ở cả 2 trường hợp cường độ sóng cao và thấp), bọt không hấp thu năng lượng được nữa,
không tiếp tục giữ được hình dạngcủa nó và dưới áp lực từ chất lỏng bên ngoài đẩy vào trong kết quả là bọt sẽ
vỡ vào trong. Sự vỡ vào trong của bọt không thường thấy trong môi trường phản ứng hóa học.
Sự nén khí tạo ra nhiệt. Một ví dụ dễ thấy là khi bơm lốp xe đạp, năng lượng cơ học là sự đè nén khí tạo ra nhiệt làm nóng ống bơm.
Trong chất lỏng chiếu xạ siêu âm,
sự nén khí cũng diễn ra khi các bọt bị vỡ vào trong dưới áp lực của chất lỏng bên ngoài, sự vỡ này sinh ra một lượng nhiệt tại điểm đó gọi là sự tỏa nhiệt tại một điểm (
hot-spot). Tuy nhiên trong môi trường xung quanh là lỏng lạnh và sự gia nhiệt
nhanh chóng được dập tắt, nên nó tồn tại trong thời gian ngắn. Hot-spot là yếu tố quyết định của âm hóa học trong môi trường đồng thể.
Hot spot có nhiệt độ xấp xỉ 5000oC, áp suất khoảng 1000atm, thời gian sống ngắn hơn 1microsecond, tốc độ gia nhiệt và làm lạnh trên 10 tỉ độ C/giây . Một sự so sánh gần đúng như sau:
hot-spot tạo được nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ bề mặt mặt trời, áp suất lớn như dưới lòng đại dương, thời gian sống như một tia chớp, thời gian làm lạnh nhanh gấp hành triệu lần khi nhúng một thanh sắt nóng đỏ vào chậu nước. Sự tạo và vỡ bọt (cavitation) đóng vai trò như một trung gian để nhận năng lượng và tập trung năng lượng của sóng âm chuyển năng lượng này sang dạng có ích cho hóa học.
Máy siêu âm với thanh titan đường kính 0,4 inch. Chiếu xạ siêu âm cường độ cao tạo ra hot spot trong chất lỏng thông qua cavitation, sự cấp nhiệt cục bộ tạo ra một trạng thái kích thích của phân tử làm tạo ra tia sáng như một ngọn lửa. Nhiệt độ đo được của hot spot bằng phương pháp phổ xấp xỉ 5000K.