ULTRASONIDO

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.

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.

EQUIPOS ULTRASÓNICOS PARA APLICACIONES MÉDICAS Y
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS.
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- Potencia
2- Frecuencia
3- 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.

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.

http://www.clinicalascondes.cl/area-academica/pdf/MED_19_3/09ULTRASONIDO.pdf