Ultrasonidos en Acústica: Aprende sobre las ondas sonoras de alta frecuencia y sus aplicaciones en medicina, industria y más. Comprende su funcionamiento y usos.
Ultrasonidos en Acústica | Ondas Sonoras de Alta Frecuencia y Aplicaciones
Los ultrasonidos son ondas sonoras de alta frecuencia, superiores al rango audible para el oído humano. Este rango empieza aproximadamente a partir de los 20 kHz (20,000 Hz) y se extiende hacia frecuencias mucho más altas. Los ultrasonidos se aplican en distintas áreas, desde la medicina hasta la industria, gracias a sus propiedades únicas.
Fundamentos de los Ultrasonidos
Los fundamentos de los ultrasonidos se basan en la física acústica. Las ondas sonoras son perturbaciones mecánicas que se propagan a través de un medio (sólido, líquido, o gas). Las ondas ultrasonoras tienen características similares a las ondas sonoras comunes, pero debido a su alta frecuencia, poseen algunas propiedades específicas que las diferencian y permiten su uso en diversas aplicaciones.
Teoría de las Ondas Sonoras
Las ondas sonoras en general se describen por la ecuación de onda de segunda orden:
\[
\frac{\partial^2 \Psi}{\partial t^2} = v^2 \nabla^2 \Psi
\]
donde \(\Psi\) representa la perturbación en el medio (como la presión), \(t\) es el tiempo y \(v\) es la velocidad del sonido en dicho medio. En el caso de los ultrasonidos, estas ondas son simplemente altas frecuencias (\(f > 20 kHz\)) de esta misma ecuación.
Generación y Recepción de Ultrasonidos
El ultrasonido se genera y recibe mediante transductores piezoeléctricos. Estos dispositivos convierten energía eléctrica en ondas mecánicas y viceversa. Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un material piezoeléctrico, este se deforma y genera una onda ultrasonora. A la inversa, las vibraciones de retorno hacen que el material genere una corriente eléctrica que se puede medir y analizar.
Aplicaciones de los Ultrasonidos
- Medicina: La ecografía médica utiliza ultrasonidos para generar imágenes del interior del cuerpo humano. Estas ondas son reflectadas por las estructuras internas del cuerpo y capturadas para formar imágenes detalladas.
- Industria: En la industria, los ultrasonidos se utilizan para detectar fallas y defectos en materiales y estructuras mediante pruebas no destructivas.
- Limpeza: Los baños de ultrasonido se emplean para limpiar objetos delicados o complejos, utilizando la cavitación que generan las altas frecuencias en un líquido limpio.
- Navegación: Los sistemas SONAR (Sound Navigation And Ranging) utilizan ultrasonidos para mapear el fondo marino y detectar objetos bajo el agua.
Cálculo de la Velocidad del Sonido
La velocidad del sonido en un medio depende de sus propiedades mecánicas y térmicas. La fórmula para calcular la velocidad del sonido en un gas ideal es:
\[
v = \sqrt{\frac{\gamma R T}{M}}
\]
donde:
- \(\gamma\) es la relación de capacidades específicas ( \( \gamma = \frac{C_p}{C_v} \) ),
- \(R\) es la constante universal de los gases,
- \(T\) es la temperatura absoluta (Kelvin),
- \(M\) es la masa molar del gas.
Efecto Doppler en Ultrasonidos
El efecto Doppler se basa en el cambio de frecuencia percibido cuando la fuente de sonido y el receptor se mueven uno respecto al otro. Este efecto se utiliza en ultrasonidos médicos, especialmente en estudios del flujo sanguíneo. La frecuencia aparente \(\( f’ \), cuando hay movimiento relativo, se calcula como:
\[
f’ = f \left( \frac{v + v_o}{v – v_s} \right)
\]
donde:
- \(f\) es la frecuencia emitida por la fuente,
- \(v\) es la velocidad del sonido en el medio,
- \(v_o\) es la velocidad del observador,
- \(v_s\) es la velocidad de la fuente del sonido.
Atención y Absorción de Ultrasonidos
La atenuación de ultrasonidos en un medio ocurre debido a la absorción y dispersión. Cuanto mayor es la frecuencia del ultrasonido, mayor es la atenuación:
\[
I = I_0 e^{-\alpha x}
\]
donde:
- \(I\) es la intensidad del ultrasonido después de viajar una distancia \(x\),
- \(I_0\) es la intensidad inicial del ultrasonido,
- \(\alpha\) es el coeficiente de atenuación del medio.
Esta relación muestra que las ondas de ultra-sonido pueden perder energía rápidamente a medida que viajan, lo que limita su alcance efectivo en materiales densos o heterogéneos.