PROPAGACIÓN DE ONDAS MECÁNICAS Y APLICACIONES DE LOS ULTRASONIDOS.

Eduardo Moreno HernándezCentro de UltrasónicaICIMAFLa Habana, CubaEmail:moreno@cidet.icmf.inf.cu

RESUMEN. El presente trabajo forma parte del curso “Transductores Ultrasónicos para medicina y Aplicaciones Industriales”

INTRODUCCIÓN.

Para conocer bien las aplicaciones de los equipos ultrasónicos, es necesarios tener una idea de los principios de propagación de ondas mecánicas, tanto en sólidos como en fluidos. En los siguientes tópicos de la primera parte, se expondrá en forma breve una introducción general al tema, basándose en elementos de la teoría de la elasticidad. Se hará hincapié en los aspectos físicos de la propagación de ondas, sobre todo en los que consideramos claves como los conceptos de velocidad de fase y de grupo. Se expondrán los distintos tipos de ondas que pueden generarse, sobre todo en sólidos, a partir de transductores ultrasónicos, pero sin tener en cuenta las características de radiación de los mismos.

En la segunda parte se hará un resumen de algunas de las aplicaciones médicos e industriales, donde se verán algunos diagramas en bloques de esos sistemas. Se dará una mayor participación en las técnicas de pulso.

Se asume que el lector tiene conceptos básicos de la mecánica de vibración, como son los conceptos de frecuencia, longitud de onda, etc.

Introducción a las Ondas Mecánicas.

¿Que es una Onda Mecánica?

Para responder a esta pregunta debemos recordar, los cursos básicos de mecánica. Si hacemos un análisis de cualquiera de estos veremos que la mecánica se desarrolla mas o menos así:

1- Mecánica de una partícula, donde solo tiene sentido la traslación. Aquí se comienza la cinemática y se introducen las tres leyes de Newton.2- Mecánica de sistemas de partículas. Una extensión del caso anterior.3- Mecánica del cuerpo rígido. Se introduce además de la traslación, la rotación con las leyes de Newton escritas en forma apropiada. Se define como rígido, el cuerpo que no se deforma.4- Mecánica de la deformación. En general los cursos de mecánica básicos no incluyen esta parte. Se conoce mas bien, como teoría de la Elasticidad y es la base de la propagación de Ondas Mecánicas, sobre todo en cuerpos sólidos que son más complejos con relación a los fluidos (líquidos y gases).

Una vez ubicados en el contexto de la mecánica de deformación, veremos que magnitudes necesitamos conocer o definir.

Concepto de desplazamiento.

Este concepto es clásico de cualquier curso de mecánica. En la fig. 1 se muestra para el caso de una partícula.

u

Figura 1. Concepto de desplazamiento de un punto material.

Figura 2. Concepto de deformación. (u1 y u2).

2

xy

y

x

y

uf

to

t1

ui

x

y

uf

u1

to

t1

ui

u2

to

t1u

i uf

En la fig. 2 se muestra en forma muy simple el concepto de deformación a partir del desplazamiento, tomando para esto dos puntos de un cuerpo, al cual consideramos no rígido. Si observamos, para que se deforme un cuerpo en su interior es necesario que partes del mismo se desplacen, pero en magnitudes diferentes. En esta figura se expone solamente un tipo de deformación llamada longitudinal, aunque existe la llamada deformación de cizalladura y combinaciones de ambas. Esta se verá mas adelantes cuando estudiemos las formas de propagación.

La magnitud que define matemáticamente la deformación se expresa como:

(1)

Para el caso longitudinal; en general es una magnitud tensorial, [KIN87] [LAN87]

Por otra parte la deformación es un efecto, cuya causa es una fuerza, expresada a través del concepto de esfuerzo o “stress” (T), que no es mas que la componente de la fuerza por unidad de área que actúa sobre una de las caras de un elemento de volumen deformable en el cuerpo. Esta relación causa - efecto se conoce como ley de Hooke, expuesta en forma "ampliada" en las ecuaciones constitutivas de la piezoelectricidad.

T= c S (2)

Esto en realidad es una relación entre tensores. La magnitud c es la que define las características elásticas de un material.

Una vez que tenemos las definiciones básicas, podemos definir una onda mecánica como la propagación de una deformación (también se utiliza el término perturbación) en un medio elástico. Como hay una relación entre deformación y esfuerzo, también se puede considerar como una propagación de esfuerzos.

Existe una división según el rango de frecuencia para clasificar las ondas mecánicas, basada en la capacidad de oír que tenemos los seres humanos. Las ondas mecánicas con frecuencia superior a 15 KHz, se clasifican como ondas ultrasónicas. En la práctica muchos autores colocan el límite en 20 KHz. Se llama infrasonido a las ondas mecánicas cuya frecuencia es inferior a 20 Hz. Queda por tanto el sonido ubicado formalmente entre 20 Hz y 20 KHz, que es lo que puede percibir el oído humano aproximadamente.

VELOCIDAD DE UNA ONDA. VELOCIDAD DE FASE Y DE GRUPO.

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Constantemente en las aplicaciones de los ultrasonidos se maneja el término de velocidad, como una magnitud que depende de las características elásticas del medio y que por tanto permite evaluarlos. El concepto de velocidad es fundamental en las aplicaciones de defectoscopía, como mediciones de espesores, resistencia de materiales de la construcción y también en la medicina. Para las aplicaciones de pulso - eco y pulso - transmisión es necesario conocer las dos definiciones de velocidad, nos referimos a los conceptos de velocidad de fase y velocidad de grupo.

La propagación de un caso muy simple de onda plana, puede expresarse por la ecuación:

(3)

.donde =2f es la frecuencia angular, y k=2/, es el llamado vector de onda, definido a través de la longitud de onda Esta solución que refleja la propagación de una onda continua de frecuencia única (propagación armónica), permite definir la velocidad de fase:

(4)

Que significa la propagación de un punto de fase constante, como se muestra en la fig. 3. A diferencia del clásico concepto de velocidad que tenemos de la mecánica, donde medimos el tiempo transcurrido durante la traslación de un cuerpo de una posición a otra, la velocidad de fase considera la traslación de un punto de la onda, no de la onda en si, pues la misma es de extensión infinita. Quiere decir que si consideramos dos transductores (emisor y receptor), ambos estarán conectados en forma continua por dicha onda. Esto es muy diferente al caso de un pulso, que sale de un emisor y llega a un receptor; donde se podría tener una analogía más cercana a la traslación de un cuerpo en mecánica. Para este segundo caso debemos definir el concepto de velocidad de grupo dado por:

(5)

4

Figura 3. Velocidad de fase.

En muchos cursos de propagación de ondas, la velocidad de grupo se asocia al fenómeno de modulación, usado ampliamente en la transmisión de ondas de radio. Se considera que a partir de una portadora infinita, la velocidad de grupo es la velocidad con que viaja la información. Este enfoque, aunque válido no es muy adecuado para los ultrasonidos porque se trabaja frecuentemente (en muchas aplicaciones medicas/industriales) con pulsos. Veamos por tanto que ocurre con las velocidades de fase y de grupo de los ultrasonidos. Para esto debemos recordar la relación entre ambas velocidades.

(6)

La relación (6) lleva intrínseco el concepto de dispersión (no confundir con “scattering” del inglés). Si examinamos la expresión anterior veremos que ambas velocidades son iguales si C es independiente de , o de la frecuencia, que es lo mismo. Existen situaciones, que veremos mas adelante, donde se pueden excitar ondas mecánicas continuas o de pulso y no se cumple esta relación, por tanto ambas velocidades dependerán de la frecuencia y serán diferentes. Este fenómeno es la llamada dispersión, que se refiere a la dependencia de la velocidad de fase (y de grupo) con la frecuencia. El origen, como veremos, se debe a las características geométricas del material o a las propiedades no elásticas del mismo, y reciben el nombre de dispersión geométrica o viscoelástica según sea el caso.

Un pulso, por tanto ¿a qué velocidad de se propaga?. Consideremos primero un pulso estrecho en el tiempo. Tomando un centroide del mismo, podemos decir que este lugar geométrico, se propaga a la velocidad de grupo. ¿Cómo se explica la velocidad de fase?. Para esto recordemos la teoría de Fourier, donde un pulso puede descomponerse en armónicos, tal como se expresa en la clásica ecuación siguiente (transformada de Fourier).

(7)

5

Como vemos algo que existe limitado en el tiempo (y por tanto en el espacio) o sea de extensión finita puede descomponerse, en una suma de senos y cosenos que tienen una extensión infinita. Evidentemente podemos decir que la anterior integral vista como una suma algebraica, realiza una superposición constructiva en la zona donde está realmente el pulso (suma verdadera) y se destruye la superposición fuera de dicha zona. Dichos armónicos se "mueven" ondulatoriamente con la velocidad de fase, de tal forma que permiten el desplazamiento del pulso (que se propaga a la velocidad de grupo).

¿Cómo se entiende entonces que la velocidad de grupo pueda depender de la frecuencia en un fenómeno de dispersión? Kolsky [KOL64] plantea que es mejor considerar que un pulso se pueda descomponer en “pulsitos” de frecuencia concentrada (banda estrecha), donde cada uno de estos “pulsitos” se propaga a la velocidad de grupo. Es curioso como este análisis físico de la propagación de un pulso se antecede al concepto matemático Wavelets [DAU96].

ECUACIÓN DE ONDA.

Las leyes de la física se expresan generalmente por ecuaciones diferenciales. El caso del movimiento ondulatorio no es una excepción. De la ecuación del movimiento ondulatorio, se obtiene como es el desplazamiento “u” en función del espacio y el tiempo o sea u=u(x,y,z,t). En el caso de fluidos es más conveniente no utilizar el desplazamiento y se trabaja con una ecuación de onda donde la variable a determinar será la presión y su variación en el espacio y el tiempo.

Consideremos el caso de un material homogéneo (densidad constante) e isotrópico (constantes elásticas independientes de la dirección). Utilizando la segunda ley de Newton y la ley de Hooke se obtiene la siguiente ecuación de onda conocida como ecuación vectorial de Lamé:

(8)

Donde y son constantes elásticas, conocidas como constantes de Lamé (por un problema histórico se utiliza el mismo símbolo que el de longitud de onda). Resolver esta ecuación es conocer el fenómeno de propagación. Para esto se necesita conocer además las condiciones geométricas del medio que determina lo que se conoce como condiciones de frontera. También es necesario conocer, las condiciones iniciales temporales. Un problema clásico que se resuelve es el caso armónico donde se considera que el fenómeno siempre existió y existirá, por tanto no tiene condiciones iniciales.

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A continuación veremos algunos de los casos particulares más notables, vinculados a la generación de ondas de los transductores y sus aplicaciones prácticas. Consideremos el problema continuo (solución armónica) para comenzar.

Medio Infinito.

Para analizar la ecuación de Lamé, cuya solución “u” representa un campo vectorial, es conveniente presentar la solución en forma de la suma de dos potenciales (uno escalar y otro vectorial), como se hace en electromagnetismo. La siguiente expresión es válida para cualquier campo vectorial.

(9)

Mediante esta expresión se puede demostrar que la ecuación vectorial de Lamé se puede expresar como el siguiente sistema de ecuaciones:

(10)

Estas ecuaciones (3 vectoriales y 1 escalar) indican que para un medio infinito existen dos modos de propagación asociados a los potenciales, los llamados longitudinal y transversal con velocidades CL y CT respectivamente. En estos modos propagación no existe el fenómeno de dispersión, por tanto las velocidades de fase y de grupo coinciden. En la fig. 4 se observa una representación de la propagación longitudinal y transversal. En el caso transversal se observa además el fenómeno de polarización característico. En principio ambos tipos de ondas pueden ser excitados en sólidos, mediante equipos comerciales de defectoscopía. Cuando cualquiera de estas ondas se enfrenta a un fenómeno de reflexión/refracción puede ocurrir la conversión de un modo de propagación a otro, tal como se observa en la fig. 5.

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Figura 4. Ondas Longitudinales y transversales.

Figura 5. Conversión de un modo a otro.

Ondas en el Semiespacio. Ondas Superficiales o de Rayleigh.

Consideremos la excitación en la superficie de un sólido. En este caso la ecuación de Lamé, resuelta para condiciones de frontera de semiespacio, superficie donde no hay fuerzas (ni esfuerzos), nos da que existe un tipo de onda que viaja a través de la superficie de igual forma que el oleaje en el mar. La oscilación de las partículas al paso de la onda será en forma elíptica. Este tipo de onda es usado en equipos de defectoscopía, para lo cual se construyen transductores denominados Superficiales o de 90 grados. Una expresión aproximada de la velocidad de propagación de las mismas es:

(11)

8

donde en este caso es el llamado coeficiente de Poisson.

Las ondas de Rayleigh son no dispersivas, lo cual hace posible su uso en dispositivos conocidos por las siglas SAW (Surface Acoustic Waves, Ondas Acústicas Superficiales), que requieren de una velocidad constante e independiente de la frecuencia.

Ondas en Medios Acotados. Guías de Ondas.

Ondas en Placas. Ondas de Lamb.

Si se resuelven las ecuaciones de Lamé (o en potenciales), considerando la existencia de condiciones de frontera de las dos superficies existentes en una placa, se obtiene un tipo de onda, que sí presenta el fenómeno de dispersión o sea las velocidades de fase y de grupo son diferentes y dependientes ambas de la frecuencia (longitud de onda). En la figura 6 se muestra un esquema de la propagación de las ondas en placas. En este sistema pueden darse dos modos, simétrico y antisimétrico, de acuerdo a la simetría de las dos superficies.

Figura 6. Ondas en placas

En la fig. 7 se muestran las leyes de dispersión de la propagación de ondas en placas, donde se observa una dependencia entre la velocidad y la relación espesor/longitud de onda. En la práctica estos modos pueden ser excitados tanto en forma continua como pulsada, y tienen su área de aplicación fundamentalmente en el ensayo de elementos planos, como las carreteras. En un artículo del autor de este curso [MOR98] se analiza un ejemplo con excitación pulsada, donde se observan las diferencias entre la velocidad de fase y la de grupo, y su método de aplicación para el ensayo de materiales de construcción.

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Figura 7. Leyes de dispersión

Ondas en barras.

Estas ondas presentan el mismo fenómeno de dispersión que el caso de las placas donde la velocidad de fase y de grupo va a depender de la relación diámetro/longitud de onda. Pueden ser excitadas mediante la aplicación de transductores longitudinales a una de las caras de una barra. Una expresión clásica es el llamado límite de barras delgadas que conduce a la velocidad:

(12)

Esta expresión se utiliza en los gráficos de dispersión de la figura 7.

Otros tipos de Ondas. Dispersión viscoelástica

Hasta aquí solo se han expuestos las ondas más comunes que pueden ser excitadas por transductores comerciales sobre todo en aplicaciones de ensayos no destructivos. Algunas están presentes en fenómenos de la naturaleza como son las ondas superficiales que se generan en los sismos. En general existe un conjunto mayor, pero dado el alcance de este curso, así como su importancia práctica no las estudiaremos. Lo importante es conocer que en un fenómeno de propagación la influencia de fronteras impuestas por la geometría del material puede conducir al fenómeno de dispersión, independientemente que escojamos un palpador longitudinal o transversal. Por otro lado tenemos que no todos los materiales

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son elásticos y se puede presentar el fenómeno de viscoelasticidad que provoca la dispersión del mismo nombre, independiente a la situación geométrica del material. Así por ejemplo en un medio infinito plástico como el PVC, si excitamos una propagación longitudinal, aparecerá la dispersión viscoelástica.

Hasta ahora, en todos los casos vistos se consideró propagación armónica. La pregunta es si se cumple para los sistemas mas usados en la medicina y la industria, que son los pulsados.

Propagación de Pulsos en medios dispersivos.

Se debe tener en cuenta que a pesar de la existencia del fenómeno de dispersión, para el caso de la propagación de pulsos, aparece un nuevo fenómeno en el comienzo del mismo. Cuando se excita un pulso, digamos en una barra o en una placa la parte inicial del mismo (transiente) se propaga sin ser afectada por las condiciones de frontera, pues el efecto lateral de estas, necesita "tiempo" para imponerse. En realidad la propagación en espacios acotados o guías de ondas, pueden ser interpretados a partir de un concepto de resonancia lateral al paso de la onda. Este fenómeno requiere de cierto tiempo para su influencia, de aquí el fenómeno esperado. La solución teórica del problema de pulso presenta contradicciones, pues algunos autores prevén la existencia de otras formas de propagación que no puede considerar la simple superposición de soluciones armónicas por el teorema de Fourier.

Superposición de Ondas.

Hemos vistos la propagación de ondas en espacios acotados o guías de ondas, pero siempre se ha asumido que la longitud de propagación es infinita. En este caso las ondas son del tipo viajeras. Entonces que ocurre si excitamos continuamente digamos una barra de longitud finita. En este caso se produce una reflexión en el fondo de la barra que produce el fenómeno de superposición. Cuando la frecuencia excitadora coincide con determinadas condiciones, se produce un fenómeno de resonancia, con una patrón estacionario, bien definido por nodos y antinodos o sea de puntos de máxima vibración y mínima. Este fenómeno puede ser utilizado en la caracterización de materiales, para la determinación de propiedades elásticas del mismo.

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DESCRIPCIÓN DE SISTEMAS DE MEDICIÓN DE MAGNITUDES FÍSICAS POR ULTRASONIDOS.

Existen dos magnitudes importantes que caracterizan la propagación ultrasónica en un material. La primera es la velocidad de la onda ya sea de fase o de grupo, y la segunda es la atenuación, que manifiesta la pérdida de amplitud de la onda a su paso a través del material. En este caso se cumple una ley del tipo

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A y Ao: amplitudes final e inicial de una onda que atraviesa un material de longitud l, es el coeficiente de atenuación, que caracteriza acústicamente al material (además de la velocidad).

Es importante señalar, cual es el mecanismo de atenuación en un material. Si asumimos que excitamos con un palpador ondas planas dentro de un material, entonces el coeficiente dependerá de los mecanismos de pérdida acústica que pueden existir en el mismo y que pueden tener un gran número de orígenes. En la práctica los palpadores presentan un patrón de radiación tal, que es una aproximación burda considerarlos como productores de ondas planas. Por tanto el mecanismo de atenuación geométrico no dependerá del material y podremos afirmar que se cumple la siguiente relación

(14)

Las unidades de atenuación se dan en dB (o Neper) por unidad de longitud. En muchos casos se expresa una dependencia adicional con la frecuencia.

Otra magnitud, que podemos considerar derivada, es la llamada impedancia acústica, definida como el producto de la densidad por la velocidad. Esta magnitud es importante al considerar fenómenos de reflexión/refracción, así como la entrega de energía ultrasónica de un palpador al medio.

Existen varios métodos para medir velocidad y atenuación, con variantes continuas y pulsadas. Estas formas de medición tiene sus particularidades en dependencia de sí el material es un sólido, líquido o gas. A continuación se hará una descripción de algunos de estos sistemas.

Medición de velocidad y atenuación

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Sistema de pulso/transmisión.

Uno de los sistemas clásicos de medición de velocidad en sólidos, por el método de pulso transmisión se muestra en la fig. 8. Se utilizan dos transductores y el sistema mide el tiempo de propagación de un pulso ultrasónico que sale de un palpador emisor hasta un palpador receptor, colocados a ambos lados del material. El tipo de onda generada depende del palpador, las mas usadas son las longitudinales. Algunas firmas, como la James, han sacado al mercado este equipamiento y las frecuencias de trabajo oscilan en el intervalo de 25 KHz a 10 MHz aproximadamente. Las aplicaciones básicas están en la determinación de propiedades mecánicas (constantes elásticas) de sólidos, ejemplo los materiales de construcción. El método de medición solo permite una resolución de 0.1 seg, que implica decenas de m/seg en la velocidad. Son conocidos por el nombre de "Material Tester".

Figura 8. Material Tester

Sistema "sing around"

Es un sistema diseñado para la determinación de velocidad relativa en líquidos. Con un esquema similar al caso anterior, presenta diferencias en lo relacionado a la frecuencia de transmisión, siendo fija en el caso anterior y variable en este caso. Su concepción permite la medición de velocidades relativas en líquidos con alta precisión, con errores relativos del orden de 10-4. Estos sistemas, permiten realizar estudios reológicos en líquidos, existen ejemplos de aplicación en el estudio de soluciones de azúcar, para la determinación del Brix. Puede ser utilizado para medición absoluta, pero para esto necesita un líquido calibrado, que puede ser agua destilada, y debe aplicársele las llamadas correcciones por efecto de difracción del transductor. De alguna forma complementa al

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sistema clásico de interferometría ultrasónica, utilizado también para la medición de velocidades en líquidos. Las frecuencias usuales de trabajo son de 1 a 10 MHz aproximadamente.

Sistema de Solapamiento (Papadakis)

En la fig. 10 se muestra un esquema del sistema de Solapamiento [ULT90], para la determinación de velocidad con alta precisión en sólidos. Este sistema se basa en la superposición de ecos consecutivos con un generador que manipula el sincronismo en un osciloscopio auxiliar. La firma Matec los fabrica un costo relativamente alto, en comparación con los sistemas anteriores. Trabaja fundamentalmente con emisores de RF o trenes de pulso a diferencia de los mencionados antes que trabajan con voltaje del tipo escalón. Como sistema de pulso eco, solo es aplicable a materiales de grano fino, y a muestras con caras paralelas donde se obtienen trenes de ecos equidistantes en ausencia de ruido. Presenta un amplio rango de frecuencias ultrasónicas, de 1 a 100 MHz. Utiliza como transductores distintos cristales piezoeléctricos, entre ellos el cuarzo.Su principal aplicación está en el estudio de propiedades elásticas de cristales, metales etc., desde el punto de vista de la física del estado sólido.

Figura 10. Sistema de solapamiento.

EQUIPOS ULTRASÓNICOS PARA APLICACIONES MÉDICAS Y ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS.

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Desde los inicios del Sonar durante las guerras mundiales, las aplicaciones del ultrasonido han ampliado su diapasón, particularmente en la industria y la medicina. En el presente tópico veremos algunos ejemplos de aplicaciones de los ultrasonidos en estas áreas.

Clasificación de los sistemas.

Sin ser estrictos, existen varios parámetros que clasifican tecnológicamente un equipo de ultrasonido. Estos parámetros son

1- Potencia2- Frecuencia3- Longitud de la señal (Sistemas Continuo o Pulsado)

Veamos cada caso.

Potencia. Los equipos de ultrasonidos se clasifican según la potencia que generan, dando lugar a una clasificación en dos grupos de alta y baja potencia. Estas dos áreas relativas deben su división al hecho de sí el ultrasonido cambia alguna propiedad del material (alta potencia) o sencillamente solo es utilizado para la medición o diagnóstico (baja potencia). Desde el punto de vista metrológico los equipos de potencia generan potencia del orden de los watts (y kwatts) y los equipos de baja están en un intervalo de miliwatts. Esta división no es exacta, pero más o menos dan una idea de lo que es alta o baja potencia.

Frecuencia. Hay tres regiones no formales del uso de los ultrasonidos. Existe una zona de baja frecuencia que podemos ubicar en el intervalo de 25 KHz hasta cercano al MHz. Otro intervalo importante (medio) cubre de 1 MHz a 10 MHz, donde se ubican los equipos médicos de diagnóstico. Por encima de 10 MHz nos referimos a la alta frecuencia.

Longitud de la señal. Las aplicaciones médicas e industriales se dividen de acuerdo al tipo de señal que generan los transductores, continua o pulsada. En el segundo caso los pulsos pueden tener diferentes longitudes y existen dos variantes, de acuerdo al tipo de transmisor que se utilice, que puede ser del tipo escalón o del tipo RF (Radio Frecuencia). En el primer caso el transductor es excitado mediante una transición de voltaje, lo cual hace que este siga por inercia realizando una serie de ciclos de oscilación de acuerdo a las características físicas del sensor, donde la frecuencia obtenida estará determinada por las frecuencias propias del transductor. En el segundo caso, la frecuencia de oscilación obliga al sensor a trabajar en régimen forzado. Evidentemente la eficiencia aquí dependerá de cuan cercano esté a la resonancia.

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APLICACIONES DE LOS ULTRASONIDOS

A continuación presentamos una lista de distintos equipos y sistemas ultrasónicos para aplicaciones médicas e industriales. No es objetivo de este curso hacer una explicación exhaustiva de los mismos, ya que algunos de ellos se explicarán en otras partes de estas jornadas. Se presentará la lista teniendo en cuenta los parámetros anteriores de potencia, frecuencia y sistemas continuos o pulso eco.

Equipos de Potencia.

1-Aplicaciones Industriales.

- Limpiadores Ultrasónicos. Son equipos de baja frecuencia del orden de los 25 KHz. Trabajan generalmente en régimen continuo. Utilizan transductores cerámicos.- Sistemas de soldaduras. Son magnetoestrictivos de baja frecuencia, se utilizan para soldar plásticos.- Otros equipos como los desarrollados por el Instituto de Acústica. Lavadoras, eliminadores de burbujas, formadores de emulsiones y aerosoles etc. [GAL94].

2-Aplicaciones Médicas [FIS90].

- Nebulizadores para asmáticos. Trabajan en régimen continuo con frecuencia del orden de 1 MHz. Utilizan transductores cerámicos.- Equipos de terapia ultrasónica. Trabajan con transductores de frecuencia de 1 a 3 MHz en régimen continuo y pulsado. Trabajan con intensidades máximas de 3 watts/cm2.

Equipos de baja Potencia

1-Aplicaciones industriales.

- Defectoscopía Ultrasónica. Sistema de pulso eco y pulso transmisión que trabaja en modo A. Son equipos que utilizan un juego de sensores de diferente frecuencia, ángulo y tamaño [KRA83]. Son capaces de excitar varios tipos de ondas; longitudinales, transversales, superficiales y de Lamb. Estos equipos se utilizan principalmente en metales para la detección de defectos de fundición, fatigas, soldaduras etc. Son muy útiles en cualquier laboratorio de ultrasonido, pues incluyen la posibilidad de medición de velocidad y atenuación. Un subsistema que lo acompaña es el llamado medidor de espesores. A partir de este principio de pulso eco fueron desarrollados sistemas de imágenes que utilizan el modo C.

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- Betonoscopios. Para el diagnóstico de propiedades del hormigón. Trabajan en régimen de pulso transmisión. Palpadores desde 25 KHz hasta 150 KHz aproximadamente.- Medidores de nivel. Para la medición de nivel en tanques de combustible, cemento, granos.- Medidores de flujo. Sistemas que permiten obtener el gasto dentro de una

tubería de líquidos o gases. Pueden estar basados en sistemas Doppler o de Pulso. Trabajan con frecuencia del orden de l MHz para el caso de líquidos.

2-Aplicaciones médicas.

- Sistemas Doppler. Para la medición de flujo sanguíneo y estructuras en movimiento. Con frecuencias de trabajo de 2 y 4 MHz estos equipos permiten tener una valoración de las partes en movimiento del cuerpo humano, como los flujos sanguíneos y el corazón. Existen en varios niveles tecnológicos en el mercado, tanto en régimen continuo como el de pulso eco. En ambos casos la señal ultrasónica es modulada por el movimiento de la estructura interna, dando lugar a una señal de audio que puede ser escuchada por una bocina, para un análisis cualitativo o procesada para su despliegue espectral. En la fig. 11 se muestra un despliegue espectral.

Figura 11. Despliegue espectral (inferior) y una imagen ultrasónica bidimensional (superior).

- Sistemas de visualización. Permiten obtener imágenes del interior del cuerpo humano. Inicialmente tomaron como base el clásico defectoscopio, como modo A para la obtención de información del corazón, mas tarde la evolución tecnológica los llevo a la obtención de una imagen mediante el barrido mecánico o electrónico de un modo A que se convirtió en el llamado

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bidimensional. En la figura 12 se muestra el principio de formación de la imagen. Una descripción de estos sistemas se hará en el curso de procesamiento de Señales.

Figura 12. Sistema de visualización ultrasónica

Referencias:

[KIN87] Gordon S. Kino, Acoustic Waves: Devices, Imaging, and Analog Signal Processing. Prentice – Hall, inc 1987[LAN87] Landau L.D.,Lifschitz, Teoría de Elasticidad, MIR, 1971.[MOR98] Moreno E.,Acevedo P., “Thickness Measurement in Composite Materials Using Lamb Waves”, Ultrasonics, Vol.35, No.8, p.581-586, january 1998.[KRA83] Krautkrämer J., Krautkrämer H.,Ultrasonic Testing of Materials, Third Edition, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1983.[KOL64] Kolsky H. “Stress Waves in Solids”, Journal of sound and Vibration. No.1, 1964[DAU96] Daubechies I, “Where Do Wavelets Come From? – A personal Point of View”, Proceedings of the IEEE, vol.84, No.4, April 1996.[ULT90] Ultrasonic Measurement Methods, Physical Acoustic vol.XIX, edited by Thurston and Pierce, Academic Press 1990[FIS90] Fish Peter, Physics and Instrumentation of Diagnostic Medical Ultrasound, John Wiley & Sons, 1990.[GAL94] Gallego – Juárez J.A., “New Technologies in High Power Ultrasonic Industrial Applications, 1994 IEEE Ultrasonic Symposium,.

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