Ultrasonidos

Ultrasonidos
Los ultrasonidos son aquellas ondas sonoras cuya frecuencia es superior al margen de
audición humano, es decir, 20 KHz aproximadamente. Las frecuencias utilizadas en la
práctica pueden llegar, incluso, a los gigahertzios. En cuanto a las longitudes de onda,
éstas son del orden de centímetros para frecuencias bajas y del orden de micras para
altas frecuencias.
Historia de los ultrasonidos
En el año 1883, Galton investigó los límites de la audición humana, fijando la frecuencia
máxima a la que podía oír una persona. Llegó a la conclusión de que los sonidos con
frecuencias inaudibles por el ser humano, presentaban fenómenos de propagación
similares al resto de las ondas sonoras, aunque con una absorción mucho mayor por
parte del aire.
A partir de entonces, se empezó a investigar en temas relacionados con la generación de
ultrasonidos:
A lo largo del siglo XX, se han producido grandes avances en el estudio de los
ultrasonidos, especialmente en lo relacionado con aplicaciones: acústica subacuática,
medicina, industria, etc. Concretamente, Langevin lo empleó durante la primera guerra
mundial para sondeos subacuáticos, realizando un sencillo procesado de las ondas y sus
ecos. Richardson y Fessenden, en la década de los años 10 idearon un método para
localizar icebergs, con un procedimiento similar al utilizado hoy en día (método de
impulsos, lo veremos). Mulhauser y Firestone, entre 1933 y 1942 aplicaron los
ultrasonidos a la industria y a la inspección de materiales.
Generadores de ultrasonidos
La idea básica para generar ultrasonidos es bastante simple. Los generadores o
transductores son unos aparatos que constan de un elemento, llamémosle primario o
transformador, que está en contacto con el medio y que transforma una señal eléctrica,
magnética o mecánica en una onda ultrasónica. La señal "fácil" de generar (eléctrica,
magnética, mecánica), es proporcionada por el elemento secundario.
Generador ultrasónico. Esquema general
Las ondas producidas, hacen vibrar el medio, lo cual es coherente con el concepto de
onda sonora. Los generadores se diseñarán con el objetivo de radiar la mayor cantidad
de potencia acústica posible: se usará la frecuencia de resonancia, como veremos.
Generadores ultrasónicos que utilizan campos eléctricos
Las señales eléctricas son sencillas de conseguir. Ahora bien, cómo se transforman en
ondas sonoras? La idea es acudir al llamado efecto piezoeléctrico inverso. Veamos en
primer lugar el efecto directo. La piezoelectricidad es un fenómeno que consiste en la
aparición de cargas eléctricas en las caras de determinados cristales cuando se ejerce
sobre ellos una presión o tracción mecánica. Estos se caracterizan por tener ciertos ejes
fundamentales: óptico, eléctrico y mecánico, careciendo todos ellos de centro de
simetría.
Cristal de cuarzo, corte en X
Existe una relación directa entre el esfuerzo mecánico ejercido y la carga aparecida,
apareciendo un valor máximo cuando el cristal es cortado perpendicularmente al eje
polar. Según las dimensiones y forma de un cristal poseedor de este efecto, existe una
llamada frecuencia de resonancia, que es aquella para la cual un esfuerzo mecánico
provoca la mayor aparición de cargas posible (en picos de amplitud, desde luego). Los
esfuerzos mecánicos que se aplican sobre el cristal pueden ser de tracción o de
compresión; la diferencia entre los efectos de ambos está en el signo de la carga
aparecida únicamente.
Estudiado esto, cabría preguntarse si se puede dar el efecto inverso; es decir, si se
aplica un campo eléctrico sobre un material piezoeléctrico, éste vibrará? La respuesta es
afirmativa.
La vibración del cristal puede ser de dos tipos esencialmente:
Vibración longitudinal. En este caso, el campo eléctrico y la fuerza vibratoria aparecida
tienen lugar en el mismo eje.
Vibración transversal. El campo eléctrico y la fuerza vibratoria aparecida se producen en
ejes perpendiculares.
Hemos hablado hasta ahora de cristales piezoeléctricos, que tenían esta propiedad de
forma natural. Sin embargo, existen métodos que pueden hacer que ciertos materiales
adquieran características piezoeléctricas artificialmente. Esto se produce en los
llamados dieléctricos con polarización permanente: se trata de materiales a los que se
le aplica un campo eléctrico muy intenso a alta temperatura de tal forma que sus
partículas internas se polarizan en una dirección determinada y fija. Una ventaja de
estos materiales con respecto a los cristales piezoeléctricos es que sus propiedades no
dependen de la forma de los mismos, lo cual los hace interesantes en multitud de
aplicaciones.
Propagación de ultrasonidos
La posterior transmisión de las ondas producidas al hacer vibrar el medio, depende en
gran medida, del lugar donde nos encontremos. Cada medio tiene una impedancia
distinta, lo cual hace variar la velocidad de propagación entre otras variables. Es
importante darse cuenta de que medios con impedancias muy distintas provocan grandes
reflexiones. Por otro lado, es fundamental evitar el aire en la transmisión puesto que
una capa de este gas podría anular la propagación de la onda ultrasónica, dada la alta
atenuación que proporciona. Fenómenos ondulatorios típicos, tales como la reflexión,
refracción y difracción tienen lugar, en ondas ultrasónicas, de manera análoga a otros
tipos de ondas. Ahora hay que tener en cuenta que la longitud de onda es muy pequeña,
lo cual tiene efectos apreciables en fenómenos como la difracción. En general, este tipo
de ondas pueden considerarse como planas, con propagación rectilínea debido al
pequeño valor de su longitud de onda; la energía, por tanto, no puede desplazarse a
través de discontinuidades (esta propiedad se suele utilizar para localizar pequeños
objetos).
Detección de ultrasonidos
Ya hemos visto diversos métodos que permitían generar ondas ultrasónicas. Nos
preguntamos ahora por la existencia de sistemas de detección y medida de ultrasonidos.
Estos sistemas son importantes puesto que, en ciertas ocasiones, necesitaremos medir
un campo ultrasónico para conocer sus características; otras veces, la energía recibida
habrá que convertirla en otro tipo de energía; y habrá otros casos en los que el objetivo
último sea simplemente la detección cualitativa de los ultrasonidos. Veamos los distintos
tipos de detectores que existen.
Detectores mecánicos
La idea de estos detectores es utilizar un disco o una placa sobre la cual incidirá la onda
ultrasónica en dirección normal. Cuando se produzca esta incidencia, la onda ejercerá
una presión sobre el disco que lo hará girar, pudiendo medir la energía incidente.
Detectores eléctricos
La propiedad general que se utiliza aquí es la siguiente: La resistencia de un hilo fino
calentado eléctricamente es proporcional a la velocidad del aire que pasa alrededor de
él. Dicho esto, el funcionamiento de este tipo de detectores es inmediato: la onda
ultrasónica proporcionará diferentes velocidades en el aire, que se traducirán en
variaciones en la resistencia del hilo.
Detectores electrónicos
Estos métodos son de los más exactos a la hora de medir las características de un
ultrasonido en un fluido. La idea es la siguiente: se utiliza una especie de columna
llamada interferómetro. En un lado, se sitúa la entrada del ultrasonido y, en el otro, un
reflector. La clave es crear una onda estacionaria para un mejor estudio.
Detectores calorimétricos
El principio que utiliza este tipo de detectores es el de que cuando una onda sonora es
absorbida por un determinado material, se produce un aumento de temperatura del
mismo. El calor producido se puede relacionar directamente con la energía de la onda.
Detectores ópticos
Los detectores ópticos resuelven los inconvenientes de los transductores piezoeléctricos:
son poco sensibles al ruido y presentan anchos de banda muy superiores. El
funcionamiento no es simple; cuando la onda ultrasónica incide sobre una superficie, se
produce un leve desplazamiento de la misma. La clave está en focalizar un rayo láser de
referencia sobre la superficie del material de estudio. Los movimientos que produce el
ultrasonido afectan a la fase de la luz reflejada. El desplazamiento de fase produce, a su
vez, un desplazamiento de frecuencia. El conocimiento de esto permite un estudio del
ultrasonido.
Efectos de los ultrasonidos
Los ultrasonidos tienen multitud de aplicaciones prácticas pero antes es necesario
estudiar los diferentes efectos que tienen.
Efectos físicos
Quizá el efecto físico más importante es la denominada cavitación. Este
fenómeno se produce en los líquidos y su causa no es únicamente el ultrasonido. La idea
es que la onda,si tiene amplitudes grandes, provoca variaciones de presión. Todo líquido
tiene un punto llamado tensión de vapor; cuando nos situamos por debajo de dicho valor
de presión, el líquido pasa a estado gaseoso, lo que genera bolsas de vapor (cavidades).
Las burbujas viajan hacia una región de mayor presión y chocan entre sí. Cuando esto
ocurre, la presión aumenta muchísimo, y también la temperatura (5000 C). Como
podemos imaginar, esto es algo tremendamente peligroso puesto que puede destruir
superficies de contención, tuberías y demás.
Este efecto es de vital importancia en submarinos y en máquinas hidráulicas, donde
puede ocasionar serios destrozos. Sin embargo, la cavitación también tiene ciertas
aplicaciones de interés, actualmente en desarrollo, como es la llamada "SuperCavitación", consistente en que los proyectiles lanzados por un submarino viajen dentro
de una burbuja de aire, consiguiendo mayor velocidad.
Otro efecto interesante es el llamado efecto calorimétrico. La clave está en utilizar un
ultrasonido a 4 MHz. A esta frecuencia, la energía sonora se convierte en calor mediante
una relación definida.
Efectos químicos
Los efectos químicos que producen los ultrasonidos son, generalmente, derivados del
fenómeno de cavitación del que ya hemos hablado. Ya hemos hablado de los aumentos
de presión y temperatura. Desde el punto de vista químico, podemos hablar de un
fenómeno electrolítico, puesto que en las cavidades aparecen cargas eléctricas iguales y
opuestas en extremos contrarios. Además, la energía desprendida de las burbujas
cuando chocan produce determinadas reacciones químicas.
Efectos biológ icos
Se ha comprobado que los ultrasonidos altamente energéticos afectan a la vida de
pequeños animales, como los peces. Los efectos son variaciones del ritmo cardíaco,
fiebre, destrucción de la capacidad reproductora, etc. Parece que la causa fundamental
de esto radica, nuevamente, en el fenómeno de la cavitación y la formación de burbujas
en el interior de los cuerpos.
Efectos médicos
Este tipo de efectos han sido ampliamente estudiados, puesto que varios métodos de
análisis y tratamiento dentro del campo de la Medicina se realizan con ultrasonidos.
Nuestro Sensor
Estas son las principales caracteristicas de nuestro sensor: