Ultrasonido

Fundamentos del sonido y principios de ultrasonido

Podemos considerar al sonido como una ondulación en el aire o cualquier otro medio elástico. Así, en caso del sonido transmitido por el aire actúa como estimulo. De igual forma, se puede definir como una excitación del mecanismo auditivo que resulta en su percepción. El sonido, como cualquier fenómeno físico, tiene distintas características. Entre ellas, amplitud y frecuencia, cada una con diversas aplicaciones en muchas ramas científicas y por supuesto, industriales. De esta forma, entre las variaciones de frecuencia de sonido encontramos el rango audible, las de muy alta frecuencia como el ultrasonido y el infrasonido.

Características del sonido

Independientemente del caso a estudiar podemos observar ciertas propiedades constantes. Por ejemplo, la frecuencia nos especifica el número de repeticiones de una onda por unidad de tiempo, usualmente en 1 segundo.

Para ilustrar correctamente el comportamiento del sonido podemos usar el movimiento armónico simple. La masa unida a un resorte comprime a un sistema vibratorio. Cuando la masa está en reposo, decimos que el sistema está en equilibrio. No obstante, si halamos el cuerpo hasta cierto punto y lo soltamos, el resorte lo devolverá al punto inicial. Sin embargo, debido a la fuerza de inercia lo llevará más lejos del punto inicial. Entonces, el desplazamiento de la masa nos indica la amplitud del movimiento.

Movimiento armónico simple y el ultrasonido.
Figura 1. Movimiento armónico simple.

Entonces, la masa continuará oscilando y cada repetición de subida y bajada se llama ciclo y se dice que el movimiento es periódico. En la disposición de una masa y un muelle, la vibración u oscilación es posible debido a la elasticidad del muelle y la inercia del peso. La elasticidad y la inercia son dos cosas que todo medio debe poseer para ser capaz de transmitir el sonido. En este ejemplo práctico, la amplitud del movimiento disminuirá lentamente debido a las pérdidas por fricción en el muelle y el aire. El movimiento armónico es un tipo básico de movimiento oscilatorio, y produce una forma de onda igualmente básica en el sonido y la electrónica.

Sonido en un medio

Un medio elástico es esencial para la existencia del sonido, ya que este es conducido por gases, líquidos y sólidos. Por ejemplo, si vamos a unas vías de ferrocarril y le decimos a un amigo que se aleje unos 100m y golpee los rieles con una piedra ¿qué cree que sucederá? Primero, nos llegará un sonido proveniente del acero de las vías y poco tiempo después llega el sonido por el aire. Por lo tanto, decimos que el sonido viaja más rápido a través de medios muy densos, porque en estos las partículas están muy unidas y transmiten la energía de forma más eficiente. Por otro lado, el aire cuenta con partículas relativamente dispersas y es menos denso.

En el aire, las partículas se mueven de un lado a otro. Usualmente, representamos esto con puntos con diferente variación de densidades. En las áreas con mayor cantidad de puntos representan las zonas con mayor compresión y las que tienen menor cantidad se llaman zonas de rarefacción, menos densas. Cabe destacar que las partículas de aire no se desplazan de su posición original, sino que se transfiere el momento de una partícula a otra.

Representación del sonido. Altamente relacionado al ultrasonido.
Figura 2. Representación gráfica del sonido

Entonces, vimos que podemos representar el sonido mediante ondas. Así, la longitud de onda λ es la distancia que viaja una onda en el tiempo para completar un ciclo. La frecuencia f especifica en número de ciclos por segundo, se mide en Hertz (Hz).

El ultrasonido posee muy altas frecuencias.
Figura 3. Representación de la frecuencia, amplitud y longitud de onda.

Ultrasonido

El ultrasonido se define como unas ondas mecánicas generadas por una vibración. Generalmente, es causado por un cuerpo elástico como puede ser un material piezoeléctrico. Como mencionamos anteriormente, se propagan por un medio igualmente elástico y su frecuencia supera el rango audible humano. Esto es, más de 20,000 Hz o 20 kHz. Cabe destacar que una de las principales funciones del ultrasonido es de uso médico como herramienta de imagenología. De esta forma, los tejidos corporales actúan de medio elástico, pasando la energía acústica de molécula en molécula.

Aplicación del ultrasonido.
Figura 4. Reflexión de una onda acústica y el principio básico de la aplicación del ultrasonido en imagenología.

Entonces, el ultrasonido aplica una técnica llamada eco pulsado. Esta consiste en pulsar eléctricamente un cristal piezoeléctrico. Consecuentemente, este emite un haz ultrasónico.

Aplicaciones del ultrasonido

Como ya mencionamos, uno de los principales usos del ultrasonido es en el campo de la medicina para crear fotografías de las estructuras internas del cuerpo. De esta forma, ayuda a diagnosticar las causas de dolores, hinchazones e infecciones en órganos internos del cuerpo. Asimismo, se puede examinar el bebé en mujeres embarazadas. Además, actualmente en el campo de la medicina, la ecografía realizada adecuadamente no presenta riesgos conocidos para el paciente. La ecografía por ultrasonido no utiliza radiación ionizante, y los niveles de potencia utilizados para la obtención de imágenes son bastante bajos para causar efectos adversos de calentamiento o presión en los tejidos.

No obstante, el ultrasonido puede aplicarse en el sector industrial junto con la estrategia del mantenimiento predictivo para la detección de fallas. Normalmente, algunas fallas pasan desapercibidas aplicando otras técnicas.

Existen mal funciones que inevitablemente producen señales acústicas. No obstante, la mayoría está por encima del rango audible. Por esta razón, se usan detectores de ultrasonido para identificarlos. Entre las aplicaciones de los detectores de ultrasonido tenemos:

  • Inspecciones mecánicas: en este procedimiento se detectan fallas en rodamientos y reductoras. Además, se comprueba la alineación de los equipos.
  • Detección de fugas: así, detectamos problemas con fluidos en conducciones, válvulas, sistemas de aire comprimido, entre otros.
  • Inspecciones eléctricas: detecta fallos en transformadores, subestaciones, aisladores, líneas de alta tensión, entre otras.
  • Verificación de funcionamiento: aplica para válvulas hidráulicas y neumáticas.
  • Detección de fallos: se usa para inspeccionar válvulas e impactos entre diversos componentes acoplados.

Resumen

Para terminar, vimos que el ultrasonido forma parte del espectro no audible del sonido para el ser humano. No obstante, tiene una amplia variedad de funciones en nuestra sociedad moderna, tanto para el área de la medicina como para aplicaciones industriales. Entonces, aplicar correctamente el ultrasonido para el uso industrial dependerá fundamente de los equipos a estudiar. Como vimos, puede aplicarse en muchos equipos y procesos, por lo que debemos informarnos sobre cómo usar este método de medición en conjunto con otras alternativas. Por ejemplo, análisis de vibraciones y la medición de temperatura de los instrumentos.

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