Ultrasonido
Ondas sonoras con frecuencias superiores al rango de audición humana

Un examen ultrasónico

El ultrasonido es un sonido con frecuencias superiores a los 20 kilohercios . [1] Esta frecuencia es el límite superior audible aproximado de la audición humana en adultos jóvenes sanos. Los principios físicos de las ondas acústicas se aplican a cualquier rango de frecuencia, incluido el ultrasonido. Los dispositivos ultrasónicos funcionan con frecuencias desde 20 kHz hasta varios gigahercios.

Los ultrasonidos se utilizan en muchos campos diferentes. Los dispositivos ultrasónicos se utilizan para detectar objetos y medir distancias. La ecografía o sonografía se utiliza a menudo en medicina. En las pruebas no destructivas de productos y estructuras, los ultrasonidos se utilizan para detectar defectos invisibles. En la industria, los ultrasonidos se utilizan para limpiar, mezclar y acelerar procesos químicos. Animales como los murciélagos y las marsopas utilizan los ultrasonidos para localizar presas y obstáculos. [2]

Historia

Silbato de Galton, uno de los primeros dispositivos que producía ultrasonidos

La acústica , la ciencia del sonido , se remonta a Pitágoras en el siglo VI a. C., quien escribió sobre las propiedades matemáticas de los instrumentos de cuerda . La ecolocalización en los murciélagos fue descubierta por Lazzaro Spallanzani en 1794, cuando demostró que los murciélagos cazaban y se orientaban mediante sonidos inaudibles, no mediante la visión. Francis Galton inventó en 1893 el silbato Galton , un silbato ajustable que producía ultrasonidos, que utilizó para medir el rango auditivo de los humanos y otros animales, demostrando que muchos animales podían oír sonidos por encima del rango auditivo de los humanos.

El primer artículo sobre la historia de los ultrasonidos fue escrito en 1948. [3] Según su autor, durante la Primera Guerra Mundial , un ingeniero ruso llamado Chilowski presentó una idea para la detección de submarinos al gobierno francés. Este último invitó a Paul Langevin , entonces director de la Escuela de Física y Química de París, a evaluarla. La propuesta de Chilowski era excitar un condensador cilíndrico de mica mediante un arco de Poulsen de alta frecuencia a aproximadamente 100 kHz y así generar un haz de ultrasonidos para detectar objetos sumergidos. La idea de localizar obstáculos submarinos había sido sugerida previamente por LF Richardson, tras el desastre del Titanic . Richardson había propuesto colocar un silbato hidráulico de alta frecuencia en el foco de un espejo y utilizar el haz para localizar peligros para la navegación sumergidos. Sir Charles Parsons , el inventor de la turbina de vapor, construyó un prototipo , pero se descubrió que el dispositivo no era adecuado para este propósito. El dispositivo de Langevin hizo uso del efecto piezoeléctrico , con el que ya estaba familiarizado cuando era estudiante en el laboratorio de Jacques y Pierre Curie . [4] Langevin calculó y construyó un transductor de ultrasonidos que comprendía una lámina delgada de cuarzo intercalada entre dos placas de acero. Langevin fue el primero en informar sobre los efectos biológicos relacionados con la cavitación de los ultrasonidos. [5]

Definición

Rangos de frecuencia aproximados correspondientes al ultrasonido, con guía aproximada de algunas aplicaciones

El Instituto Nacional de Estándares de Estados Unidos define el ultrasonido como " un sonido con frecuencias superiores a 20 kHz". En el aire a presión atmosférica, las ondas ultrasónicas tienen longitudes de onda de 1,9 cm o menos.

El ultrasonido se puede generar a frecuencias muy altas; el ultrasonido se utiliza para la sonoquímica a frecuencias de hasta varios cientos de kilohercios. [6] [7] Los equipos de imágenes médicas utilizan frecuencias en el rango de MHz. [8] Se han generado ondas de ultrasonido UHF tan altas como el rango de gigahercios. [9] [10] [11]

La caracterización de ultrasonidos de frecuencia extremadamente alta plantea desafíos, ya que un movimiento tan rápido hace que las formas de onda se empinen y formen ondas de choque . [12]

Percepción

Humanos

El límite superior de frecuencia en humanos (aproximadamente 20 kHz) se debe a limitaciones del oído medio . La sensación auditiva puede ocurrir si se introduce un ultrasonido de alta intensidad directamente en el cráneo humano y llega a la cóclea a través de la conducción ósea , sin pasar por el oído medio. [13]

Los niños pueden oír algunos sonidos agudos que los adultos mayores no pueden oír, porque en los humanos el límite superior del tono de audición tiende a disminuir con la edad. [14] Una compañía estadounidense de teléfonos celulares ha utilizado esto para crear señales de timbre que supuestamente solo son audibles para humanos más jóvenes, [15] pero muchas personas mayores pueden oír las señales, lo que puede deberse a la considerable variación del deterioro relacionado con la edad en el umbral superior de audición.

Animales

Los murciélagos utilizan ultrasonidos para navegar en la oscuridad.
Un silbato para perros , que emite sonido en el rango ultrasónico, utilizado para entrenar perros y otros animales.

Los murciélagos utilizan diversas técnicas de ecolocalización para detectar a sus presas. Pueden detectar frecuencias superiores a 100 kHz, posiblemente hasta 200 kHz. [16]

Muchos insectos tienen una buena capacidad auditiva ultrasónica, y la mayoría de ellos son insectos nocturnos que escuchan a los murciélagos que hacen ecolocalización. Entre ellos se incluyen muchos grupos de polillas , escarabajos , mantis religiosas y crisopas . Al oír a un murciélago, algunos insectos realizan maniobras evasivas para evitar ser atrapados. [17] Las frecuencias ultrasónicas desencadenan una acción refleja en la polilla noctuida que hace que baje ligeramente en su vuelo para evadir el ataque. [18] Las polillas tigre también emiten chasquidos que pueden perturbar la ecolocalización de los murciélagos, [19] [20] y en otros casos pueden anunciar el hecho de que son venenosas emitiendo sonido. [21] [22]

El rango de audición de los perros y los gatos se extiende hasta el ultrasonido; el extremo superior del rango de audición de un perro es de aproximadamente 45 kHz, mientras que el de un gato es de 64 kHz. [23] [24] Los ancestros salvajes de los gatos y los perros desarrollaron este rango de audición más alto para escuchar sonidos de alta frecuencia emitidos por sus presas preferidas, los pequeños roedores. [23] Un silbato para perros es un silbato que emite ultrasonidos, que se utiliza para entrenar y llamar a los perros. La frecuencia de la mayoría de los silbatos para perros está dentro del rango de 23 a 54 kHz. [25]

Las ballenas dentadas , incluidos los delfines , pueden oír ultrasonidos y utilizan dichos sonidos en su sistema de navegación ( biosonar ) para orientarse y capturar presas. [26] Las marsopas tienen el límite superior de audición más alto conocido en alrededor de 160 kHz. [27] Varios tipos de peces pueden detectar ultrasonidos. En el orden Clupeiformes , se ha demostrado que los miembros de la subfamilia Alosinae ( sábalos ) pueden detectar sonidos de hasta 180 kHz, mientras que las otras subfamilias (por ejemplo, los arenques ) pueden escuchar solo hasta 4 kHz. [28]

No se ha informado de ninguna especie de ave que sea sensible a los ultrasonidos. [29]

Se han vendido sistemas ultrasónicos comerciales para el supuesto control electrónico de plagas en interiores y el control ultrasónico de algas en exteriores . Sin embargo, no existe evidencia científica sobre el éxito de dichos dispositivos para estos fines. [30] [31] [32]

Detección y medición de distancia

Sensor sin contacto

Un sistema de detección o nivel ultrasónico no requiere contacto con el objetivo. Para muchos procesos en las industrias médica, farmacéutica, militar y general, esto es una ventaja sobre los sensores en línea que pueden contaminar los líquidos dentro de un recipiente o tubo o que pueden obstruirse con el producto.

Se utilizan tanto sistemas de onda continua como de pulsos. El principio detrás de la tecnología ultrasónica de pulsos es que la señal de transmisión consiste en ráfagas cortas de energía ultrasónica. Después de cada ráfaga, la electrónica busca una señal de retorno dentro de un pequeño intervalo de tiempo correspondiente al tiempo que tarda la energía en atravesar el vaso. Solo una señal recibida durante este intervalo calificará para un procesamiento de señal adicional.

Una aplicación popular de la medición ultrasónica fue la cámara Polaroid SX-70 , que incluía un sistema de transductor ligero para enfocar la cámara automáticamente. Posteriormente, Polaroid obtuvo la licencia de esta tecnología de ultrasonidos y se convirtió en la base de una variedad de productos ultrasónicos.

Sensores de movimiento y medición de caudal

Una aplicación común de los ultrasonidos es el abridor automático de puertas, donde un sensor ultrasónico detecta la aproximación de una persona y abre la puerta. Los sensores ultrasónicos también se utilizan para detectar intrusos; el ultrasonido puede cubrir un área amplia desde un solo punto. El flujo en tuberías o canales abiertos se puede medir mediante caudalímetros ultrasónicos, que miden la velocidad media del líquido que fluye. En reología , un reómetro acústico se basa en el principio del ultrasonido. En mecánica de fluidos , el flujo de fluidos se puede medir utilizando un caudalímetro ultrasónico .

Pruebas no destructivas

Principio de detección de fallas con ultrasonidos. Un vacío en el material sólido refleja parte de la energía hacia el transductor, que la detecta y la muestra.

La prueba ultrasónica es un tipo de prueba no destructiva que se utiliza comúnmente para encontrar fallas en los materiales y medir el espesor de los objetos. Las frecuencias de 2 a 10 MHz son comunes, pero para fines especiales se utilizan otras frecuencias. La inspección puede ser manual o automatizada y es una parte esencial de los procesos de fabricación modernos. La mayoría de los metales se pueden inspeccionar, así como los plásticos y los compuestos aeroespaciales . El ultrasonido de frecuencia más baja (50–500 kHz) también se puede utilizar para inspeccionar materiales menos densos como la madera, el hormigón y el cemento .

La inspección por ultrasonidos de las uniones soldadas ha sido una alternativa a la radiografía para las pruebas no destructivas desde la década de 1960. La inspección por ultrasonidos elimina el uso de radiación ionizante, con beneficios en términos de seguridad y costo. Los ultrasonidos también pueden proporcionar información adicional, como la profundidad de los defectos en una unión soldada. La inspección por ultrasonidos ha progresado desde los métodos manuales a los sistemas computarizados que automatizan gran parte del proceso. Una prueba por ultrasonidos de una unión puede identificar la existencia de defectos, medir su tamaño e identificar su ubicación. No todos los materiales soldados son igualmente susceptibles a la inspección por ultrasonidos; algunos materiales tienen un tamaño de grano grande que produce un alto nivel de ruido de fondo en las mediciones. [33]

Prueba no destructiva de un eje de giro que muestra grietas en las estrías

La medición de espesor por ultrasonidos es una técnica utilizada para monitorear la calidad de las soldaduras.

Detección de rango por ultrasonidos

Principio de un sonar activo

Un uso común de los ultrasonidos es la medición de distancias bajo el agua ; este uso también se denomina sonar . Se genera un pulso ultrasónico en una dirección particular. Si hay un objeto en la trayectoria de este pulso, parte o la totalidad del pulso se reflejará de vuelta al transmisor como un eco y se puede detectar a través de la trayectoria del receptor. Al medir la diferencia de tiempo entre el pulso que se transmite y el eco que se recibe, es posible determinar la distancia.

El tiempo de recorrido medido de los pulsos del sonar en el agua depende en gran medida de la temperatura y la salinidad del agua. La medición por ultrasonidos también se aplica para la medición en el aire y en distancias cortas. Por ejemplo, las herramientas de medición por ultrasonidos portátiles pueden medir rápidamente la distribución de las habitaciones.

Aunque la medición de distancias bajo el agua se realiza tanto en frecuencias subaudibles como audibles para grandes distancias (de 1 a varios kilómetros), la medición de distancias por ultrasonidos se utiliza cuando las distancias son más cortas y se desea que la precisión de la medición de distancias sea más precisa. Las mediciones por ultrasonidos pueden verse limitadas por capas de barrera con grandes diferencias de salinidad, temperatura o vórtices. La medición de distancias en el agua varía de unos cientos a miles de metros, pero se puede realizar con una precisión de centímetros a metros.

Identificación por Ultrasonido (USID)

La identificación por ultrasonido (USID) es una tecnología de sistema de localización en tiempo real (RTLS) o sistema de posicionamiento en interiores (IPS) que se utiliza para rastrear e identificar automáticamente la ubicación de objetos en tiempo real utilizando nodos simples y económicos (insignias/etiquetas) adheridos o integrados en objetos y dispositivos, que luego transmiten una señal de ultrasonido para comunicar su ubicación a sensores de micrófono.

Imágenes

Ecografía de un feto de 14 semanas (perfil)
Cabeza de un feto de 29 semanas en una " ecografía 3D "

En 1939, Sergei Sokolov reconoció el potencial de la obtención de imágenes ultrasónicas de objetos, en las que una onda de sonido de 3 GHz podía producir una resolución comparable a la de una imagen óptica. En ese momento, no era posible obtener esas frecuencias y la tecnología existente producía imágenes con un contraste relativamente bajo y una sensibilidad deficiente. [34] La obtención de imágenes ultrasónicas utiliza frecuencias de 2 megahercios o más; la longitud de onda más corta permite la resolución de pequeños detalles internos en estructuras y tejidos. La densidad de potencia suele ser inferior a 1 vatio por centímetro cuadrado para evitar los efectos de calentamiento y cavitación en el objeto examinado. [35] Las aplicaciones de la obtención de imágenes ultrasónicas incluyen pruebas no destructivas industriales, control de calidad y usos médicos. [34]

Microscopía acústica

La microscopía acústica es una técnica que utiliza ondas sonoras para visualizar estructuras demasiado pequeñas para que el ojo humano las pueda distinguir. En los microscopios acústicos se utilizan frecuencias altas y ultraaltas de hasta varios gigahercios. La reflexión y difracción de las ondas sonoras en estructuras microscópicas puede proporcionar información que no está disponible con la luz.

Medicina humana

La ecografía médica es una técnica de diagnóstico por imágenes basada en ultrasonidos que se utiliza para visualizar músculos, tendones y muchos órganos internos para capturar su tamaño, estructura y cualquier lesión patológica con imágenes tomográficas en tiempo real. Los radiólogos y ecografistas han utilizado la ecografía para obtener imágenes del cuerpo humano durante al menos 50 años y se ha convertido en una herramienta de diagnóstico ampliamente utilizada. La tecnología es relativamente económica y portátil, especialmente en comparación con otras técnicas, como la resonancia magnética (IRM) y la tomografía computarizada (TC). La ecografía también se utiliza para visualizar fetos durante la atención prenatal de rutina y de emergencia . Estas aplicaciones de diagnóstico utilizadas durante el embarazo se conocen como ecografía obstétrica . Tal como se aplica actualmente en el campo médico, la ecografía realizada correctamente no plantea riesgos conocidos para el paciente. [36] La ecografía no utiliza radiación ionizante y los niveles de potencia utilizados para la obtención de imágenes son demasiado bajos para causar efectos adversos de calentamiento o presión en el tejido. [37] [38] Aunque los efectos a largo plazo debido a la exposición a ultrasonidos a una intensidad diagnóstica aún se desconocen, [39] actualmente la mayoría de los médicos creen que los beneficios para los pacientes superan los riesgos. [40] Se ha defendido el principio ALARA (tan bajo como sea razonablemente alcanzable) para un examen de ultrasonido, es decir, mantener el tiempo de escaneo y los ajustes de potencia lo más bajos posibles pero consistentes con las imágenes de diagnóstico, y que según ese principio los usos no médicos, que por definición no son necesarios, se desalientan activamente. [41]

La ecografía también se utiliza cada vez más en casos de traumatismos y primeros auxilios, y algunos equipos de respuesta a emergencias médicas la utilizan. Además, la ecografía se utiliza en casos de diagnóstico remoto en los que se requiere teleconsulta , como en experimentos científicos en el espacio o en el diagnóstico de equipos deportivos móviles. [42]

Según RadiologyInfo, [43] las ecografías son útiles para detectar anomalías pélvicas y pueden implicar técnicas conocidas como ecografía abdominal (transabdominal), ecografía vaginal (transvaginal o endovaginal) en mujeres y también ecografía rectal (transrectal) en hombres.

Medicina veterinaria

La ecografía diagnóstica se utiliza externamente en caballos para la evaluación de lesiones de tejidos blandos y tendones, y internamente en particular para el trabajo reproductivo: evaluación del tracto reproductivo de la yegua y detección de gestación. [44] También se puede utilizar de forma externa en sementales para la evaluación del estado y diámetro testicular, así como internamente para la evaluación reproductiva (conducto deferente, etc.). [45]

En 2005, la industria ganadera comenzó a utilizar la tecnología de ultrasonido para mejorar la salud animal y el rendimiento de las operaciones ganaderas. [46] El ultrasonido se utiliza para evaluar el espesor de la grasa, el área del ojo de la costilla y la grasa intramuscular en animales vivos. [47] También se utiliza para evaluar la salud y las características de los terneros no nacidos.

La tecnología de ultrasonidos permite a los productores de ganado obtener información que puede utilizarse para mejorar la crianza y el manejo del ganado. La tecnología puede ser costosa y requiere un compromiso de tiempo sustancial para la recopilación continua de datos y la capacitación del operador. [47] Sin embargo, esta tecnología ha demostrado ser útil para gestionar y dirigir una operación de cría de ganado. [46]

Procesamiento y potencia

Las aplicaciones de ultrasonidos de alta potencia suelen utilizar frecuencias entre 20 kHz y unos pocos cientos de kHz. Las intensidades pueden ser muy altas; por encima de 10 vatios por centímetro cuadrado, se puede inducir cavitación en medios líquidos, y algunas aplicaciones utilizan hasta 1000 vatios por centímetro cuadrado. Estas intensidades elevadas pueden inducir cambios químicos o producir efectos significativos por acción mecánica directa, y pueden inactivar microorganismos dañinos. [35]

Fisioterapia

El ultrasonido ha sido utilizado desde la década de 1940 por fisioterapeutas y terapeutas ocupacionales para tratar el tejido conectivo : ligamentos , tendones y fascia (y también tejido cicatricial ). [48] Las afecciones para las que se puede utilizar el ultrasonido para el tratamiento incluyen los siguientes ejemplos: esguinces de ligamentos , distensiones musculares , tendinitis , inflamación de las articulaciones, fascitis plantar , metatarsalgia , irritación facetaria, síndrome de pinzamiento , bursitis , artritis reumatoide , osteoartritis y adhesión de tejido cicatricial.

Los ultrasonidos de potencia relativamente alta pueden romper depósitos pétreos o tejido, aumentar la permeabilidad de la piel, acelerar el efecto de los medicamentos en un área específica, ayudar en la medición de las propiedades elásticas del tejido y pueden usarse para clasificar células o partículas pequeñas para investigación. [49]

Tratamiento de impacto ultrasónico

El tratamiento de impacto ultrasónico (UIT) utiliza ultrasonidos para mejorar las propiedades mecánicas y físicas de los metales. [50] Es una técnica de procesamiento metalúrgico en la que se aplica energía ultrasónica a un objeto metálico. El tratamiento ultrasónico puede dar como resultado una tensión de compresión residual controlada, refinamiento de grano y reducción del tamaño de grano. Se mejora la fatiga de ciclo bajo y alto y se ha documentado que proporciona aumentos hasta diez veces mayores que las muestras sin UIT. Además, el UIT ha demostrado ser eficaz para abordar el agrietamiento por corrosión bajo tensión , la fatiga por corrosión y problemas relacionados.

Cuando la herramienta UIT, compuesta por el transductor ultrasónico, pasadores y otros componentes, entra en contacto con la pieza de trabajo, se acopla acústicamente con ella, creando una resonancia armónica. [51] Esta resonancia armónica se realiza a una frecuencia cuidadosamente calibrada, a la que los metales responden muy favorablemente.

Dependiendo de los efectos deseados del tratamiento, se aplica una combinación de diferentes frecuencias y amplitudes de desplazamiento. Estas frecuencias varían entre 25 y 55 kHz, [52] con una amplitud de desplazamiento del cuerpo resonante de entre 22 y 50 μm (0,00087 y 0,0020 in).

Los dispositivos UIT se basan en transductores magnetoestrictivos .

Tratamiento

La ultrasonicación ofrece un gran potencial en el procesamiento de líquidos y lodos, al mejorar la mezcla y las reacciones químicas en diversas aplicaciones e industrias. La ultrasonicación genera ondas alternas de baja y alta presión en los líquidos, lo que lleva a la formación y el colapso violento de pequeñas burbujas de vacío . Este fenómeno se denomina cavitación y provoca chorros de líquido que chocan a alta velocidad y fuertes fuerzas de corte hidrodinámico. Estos efectos se utilizan para la desaglomeración y molienda de materiales de tamaño micrométrico y nanométrico, así como para la desintegración de células o la mezcla de reactivos. En este aspecto, la ultrasonicación es una alternativa a los mezcladores de alta velocidad y los molinos de bolas con agitadores. Las láminas ultrasónicas debajo del alambre móvil en una máquina de papel utilizarán las ondas de choque de las burbujas que implosionan para distribuir las fibras de celulosa de manera más uniforme en la banda de papel producida, lo que dará como resultado un papel más resistente con superficies más uniformes. Además, las reacciones químicas se benefician de los radicales libres creados por la cavitación, así como de la entrada de energía y la transferencia de material a través de las capas límite. En muchos procesos, este efecto sonoquímico (ver sonoquímica ) conduce a una reducción sustancial del tiempo de reacción, como en la transesterificación del aceite en biodiesel . [ cita requerida ]

Esquema de procesadores de líquidos ultrasónicos a escala industrial y de banco

Para muchas aplicaciones de procesamiento, como la nanocristalización, la nanoemulsificación, [53] la desaglomeración, la extracción, la disrupción celular y muchas otras, se requieren intensidades ultrasónicas sustanciales y amplitudes de vibración ultrasónicas elevadas. Por lo general, un proceso se prueba primero a escala de laboratorio para demostrar su viabilidad y establecer algunos de los parámetros de exposición ultrasónica requeridos. Una vez completada esta fase, el proceso se transfiere a una escala piloto (de laboratorio) para la optimización de la preproducción de flujo continuo y luego a una escala industrial para la producción continua. Durante estos pasos de ampliación, es esencial asegurarse de que todas las condiciones de exposición local (amplitud ultrasónica, intensidad de cavitación , tiempo transcurrido en la zona de cavitación activa, etc.) permanezcan iguales. Si se cumple esta condición, la calidad del producto final permanece en el nivel optimizado, mientras que la productividad aumenta mediante un "factor de ampliación" predecible. El aumento de la productividad resulta del hecho de que los sistemas de procesadores ultrasónicos a escala de laboratorio, de banco y a escala industrial incorporan bocinas ultrasónicas progresivamente más grandes , capaces de generar zonas de cavitación de alta intensidad progresivamente más grandes y, por lo tanto, de procesar más material por unidad de tiempo. Esto se denomina "escalabilidad directa". Es importante señalar que el aumento de la potencia del procesador ultrasónico por sí solo no da como resultado una escalabilidad directa, ya que puede ir (y con frecuencia va) acompañado de una reducción de la amplitud ultrasónica y la intensidad de la cavitación. Durante el aumento de escala directo, se deben mantener todas las condiciones de procesamiento, mientras que se aumenta la potencia nominal del equipo para permitir el funcionamiento de una bocina ultrasónica más grande. [54] [55] [56]

Manipulación y caracterización ultrasónica de partículas.

Un investigador del Instituto de Investigación de Materiales Industriales, Alessandro Malutta, ideó un experimento que demostró la acción de atrapamiento de las ondas estacionarias ultrasónicas sobre fibras de pulpa de madera diluidas en agua y su orientación paralela en los planos de presión equidistantes. [57] El tiempo para orientar las fibras en planos equidistantes se mide con un láser y un sensor electroóptico. Esto podría proporcionar a la industria papelera un sistema rápido de medición del tamaño de las fibras en línea. Una implementación algo diferente se demostró en la Universidad Estatal de Pensilvania utilizando un microchip que generaba un par de ondas acústicas superficiales estacionarias perpendiculares que permitían posicionar partículas equidistantes entre sí en una cuadrícula. Este experimento, llamado pinzas acústicas , se puede utilizar para aplicaciones en ciencias de los materiales, biología, física, química y nanotecnología.

Limpieza ultrasónica

Los limpiadores ultrasónicos , a veces llamados erróneamente limpiadores supersónicos , se utilizan a frecuencias de 20 a 40 kHz para joyas, lentes y otras piezas ópticas, relojes, instrumentos dentales , instrumentos quirúrgicos , reguladores de buceo y piezas industriales. Un limpiador ultrasónico funciona principalmente mediante la energía liberada por el colapso de millones de burbujas de cavitación microscópicas cerca de la superficie sucia. Las burbujas que colapsan forman pequeñas ondas de choque que rompen y dispersan los contaminantes en la superficie del objeto.

Desintegración ultrasónica

De manera similar a la limpieza ultrasónica, las células biológicas , incluidas las bacterias, pueden desintegrarse. El ultrasonido de alta potencia produce cavitación que facilita la desintegración o las reacciones de las partículas. Esto tiene usos en la ciencia biológica con fines analíticos o químicos ( sonicación y sonoporación ) y para matar bacterias en aguas residuales. El ultrasonido de alta potencia puede desintegrar purines de maíz y mejorar la licuefacción y la sacarificación para obtener un mayor rendimiento de etanol en plantas de molienda de maíz seco. [58] [59]

Humidificador ultrasónico

El humidificador ultrasónico, un tipo de nebulizador (un dispositivo que crea un rocío muy fino), es un tipo popular de humidificador. Funciona haciendo vibrar una placa de metal a frecuencias ultrasónicas para nebulizar (a veces incorrectamente llamado "atomizar") el agua. Debido a que el agua no se calienta para la evaporación, produce una niebla fría. Las ondas de presión ultrasónicas nebulizan no solo el agua sino también los materiales que se encuentran en el agua, incluidos el calcio, otros minerales, virus, hongos, bacterias [60] y otras impurezas. Las enfermedades causadas por impurezas que residen en el depósito de un humidificador se incluyen en el encabezado de "fiebre del humidificador".

Los humidificadores ultrasónicos se utilizan con frecuencia en aeroponía , donde generalmente se los denomina nebulizadores .

Soldadura ultrasónica

En la soldadura ultrasónica de plásticos se utiliza vibración de alta frecuencia (15 kHz a 40 kHz) y baja amplitud para generar calor mediante la fricción entre los materiales que se van a unir. La interfaz de las dos piezas está especialmente diseñada para concentrar la energía y lograr la máxima resistencia de la soldadura.

Sonoquímica

En química se utilizan ultrasonidos de potencia en el rango de 20 a 100 kHz. Los ultrasonidos no interactúan directamente con las moléculas para inducir el cambio químico, ya que su longitud de onda típica (en el rango milimétrico) es demasiado larga en comparación con las moléculas. En cambio, la energía provoca cavitación que genera extremos de temperatura y presión en el líquido donde ocurre la reacción. Los ultrasonidos también rompen los sólidos y eliminan las capas pasivantes de material inerte para dar una mayor superficie sobre la que se produce la reacción. Ambos efectos hacen que la reacción sea más rápida. En 2008, Atul Kumar informó sobre la síntesis de ésteres de Hantzsch y derivados de polihidroquinolina mediante un protocolo de reacción de múltiples componentes en micelas acuosas utilizando ultrasonidos. [61]

En la extracción se utiliza ultrasonido , utilizando diferentes frecuencias.

Otros usos

Cuando se aplica en configuraciones específicas, el ultrasonido puede producir breves ráfagas de luz en un fenómeno conocido como sonoluminiscencia .

La ecografía se utiliza en la caracterización de partículas mediante la técnica de espectroscopia de atenuación ultrasónica o mediante la observación de fenómenos electroacústicos o mediante ultrasonidos pulsados ​​transcraneales .

Comunicación inalámbrica

El audio se puede propagar mediante ultrasonido modulado .

Una aplicación popular del ultrasonido en el pasado era la de los mandos a distancia de los televisores para ajustar el volumen y cambiar de canal. Introducido por Zenith a finales de los años 50, el sistema utilizaba un mando a distancia de mano que contenía resonadores de varilla cortos golpeados por pequeños martillos y un micrófono en el aparato. Los filtros y detectores discriminaban entre las distintas operaciones. Las principales ventajas eran que no se necesitaba ninguna batería en la caja de control de mano y, a diferencia de las ondas de radio , era poco probable que el ultrasonido afectara a los aparatos vecinos. El ultrasonido se siguió utilizando hasta que fue reemplazado por los sistemas infrarrojos a finales de los años 80. [62]

En julio de 2015, The Economist informó que investigadores de la Universidad de California, Berkeley, han realizado estudios de ultrasonidos utilizando diafragmas de grafeno . La delgadez y el bajo peso del grafeno combinados con su resistencia lo convierten en un material eficaz para usar en comunicaciones por ultrasonidos. Una aplicación sugerida de la tecnología sería las comunicaciones submarinas, donde las ondas de radio normalmente no viajan bien. [63]

Las señales ultrasónicas se han utilizado en "balizas de audio" para el seguimiento de usuarios de Internet en varios dispositivos . [64] [65]

Seguridad

La exposición ocupacional a ultrasonidos superiores a 120 dB puede provocar pérdida de audición. La exposición a niveles superiores a 155 dB puede producir efectos de calentamiento que son nocivos para el cuerpo humano, y se ha calculado que exposiciones superiores a 180 dB pueden provocar la muerte. [66] El Grupo Asesor sobre Radiación No Ionizante (AGNIR) independiente del Reino Unido elaboró ​​un informe en 2010, que fue publicado por la Agencia de Protección de la Salud (HPA) del Reino Unido. En este informe se recomendaba un límite de exposición para el público en general a niveles de presión sonora (SPL) de ultrasonidos transmitidos por el aire de 70 dB (a 20 kHz) y 100 dB (a 25 kHz y más). [67]

En la ecografía médica , existen pautas para evitar que se produzca cavitación inercial. El riesgo de daño por cavitación inercial se expresa mediante el índice mecánico .

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

Recursos de la biblioteca sobre
Ultrasonido
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  • Directrices para el uso seguro de la ecografía: información valiosa sobre las condiciones límite que tienden al abuso de la ecografía
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