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Principios de Ultrasonido y Aplicaciones

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RESUMEN. 2 OBJETIVO GENERAL. 2 JUSTIFICACIÓN 2 MARCO TEóRICO. 3 INTRODUCCIóN Y ANTECEDENTES. 4 METODOLOGíA. 6 DESARROLLO EXPERIMENTAL. 14 CONCLUSIONES. 23 BIBLIOGRAFíA. 24 ANEXO 1 25

RESUMEN. El ultrasonido,a manera sencilla se entiende como una señal de audio que no puede ser captada por el oído humano, sirve en multiples aplicaciones y es en muchos casos la manera de dar solución a problemas de una manera menos costosa, sin embargo, dependiendo de la aplicación su implementación puede ser de mayor o menor complejidad, su funcionamiento se remite básicamente a los mismos principios que los materiales piezoeléctricos, convirrtiendo la energía mecánica en eléctrica y viceversa. Para las aplicaciones en aire, se pueden tener mayores pérdidas que para aplicaciones en soluciones acuosas, esto se puede ver en las tablas que se mencionan más delante en este artículo, y algo que puede ser de consideración es el saber qué tan puntual va a ser la señal a emitir, para de esta manera jugar un poco con las frecuencias de las señales que pueden servirnos para lograr resultados en una aplicación específica, a mayor frecuencia, mayor puntualidad en el enfoque de la señal sobre un objeto determinado, es decir, que a medida que disminuye la frecuencia se tienen menos posibilidades de enfocar un objeto de menor tamaño sin que la señal alcalce objetos aledaños a la pieza o parte de interés. OBJETIVO GENERAL. * Entender los principios básicos de ultrasonido * Conocer las dificultades que conlleva la implementación de un sistema que funciona con sensores de ultrasonido. * Presentar los fundamentos del ultrasonido de manera que sirvan de base para futuras investigaciones. JUSTIFICACIÓN. La razón por la cuál se escogió este tema fué la no factibilidad en la implementación de un sistema de ultrasonido para obtención de imágenes para la siguiente situación: El problema con matrix tray (contenedor de sliders); Consistía en que los sliders se salían del matrix antes de que llegaran con el cliente. Ocasionando una queja del mismo con su respectivo rechazo de partes, lo cuál causa que el cliente vaya perdiendo confianza en nuestros embarques.


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El alcance de este proyecto era el de detectar si un matrix tray tenía sliders fuera de pocket. Se buscaba lograr captar la imagen mediante ultrasonido, dado que una vez que los sliders se depositan en los matrix tray, no es adecuado abrir dicho contenedor por el riesgo que representa; chips, cracks, pop outs, contaminación, entre otros. Es importante tomar en cuenta que el tamaño de los sliders es de aproximadamente 1 mm cuadrado y una altura de un tercio de esa distancia. El ultrasonido permitiría hacer un escaneo del contenedor sin necesidad de abrirlo, teniendo la posibilidad de obtener una imagen que sirviría para detectar los posibles pop outs antes de embarcar al cliente. Habiéndose buscado información para la realización de este sistema se encontró con las siguientes dificultades : 1) Poca información técnica para esta implementación 2) El principal motivo para dejar este proyecto fué el de considerar la opinión del profesor experto en ultrasonido de la universidad de UMIST U.K. Peter A. Payne, que comenta la dificultad para implementar este sistema “ el polimero con fibras de carbon atenuaría y dispersaría la señal”, comenta que la mejor manera de trabajar sería a bajas frecuencias, sin embargo, la resolución estaría muy comprometida. Debido a esto se decidió investigar más al respecto para entender este tipo de tecnología y saber sus dificultades para la implementación, por lo cuál, el alcance actual es de tipo pedagógico y se pretende lograr los objetivos anteriormente mencionados. MARCO TEóRICO. El término ultrasonido hace referencia a las ondas sonoras a frecuencias más altas que las que quedan dentro del alcance del oído humano, es decir, a frecuencias superiores a los 18 Khz aproximadamente. Las ondas ultrasonicas obedecen a las mismas leyes básicas del movimiento ondulatorio de las ondas sonoras de frecuencias más bajas, sin embargo, tienen las siguientes ventajas: A) las ondas de frecuencias más altas tienen longitudes de onda mas cortas, lo cual significa que la difracción o flexión en torno a un obstaculo de dimensiones determinadas se reduce en forma correspondiente. Por lo tanto es más fácil dirigir y enfocar un haz de ultrasonido. B) las ondas ultrasonicas pueden atravesar sin dificultad las paredes metálicas de tubo y recipientes. Esto quiere decir que el sistema de medición entero puede montarse externamente al fluido, es decir, es no invasor. Esto es muy importante con fluidos hostiles, o sea, aquellos con


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propiedades corrosivas, radioactivas, explosivas o flamables. Tampoco existe la posibilidad de que ocurra obstrucción con fluidos sucios o pastas aguadas. C) el ultrasonido puede emitirse y propagarse a través del tejido biológico, lo que lo hace idóneo para aplicaciones médicas. D) el silencio del ultrasonido se aprovecha en aplicaciones militares importantes. INTRODUCCIóN Y ANTECEDENTES. Toda radiación al incidir sobre un objeto, en parte se refleja, en parte se transmite y en parte es absorbida. Si además, hay un movimiento relativo entre la fuente de radiación y reflector, se produce un cambio en la frecuencia de la radiación ( Efecto Doppler ). Todas estas propiedades de la interacción de una radiación con un objeto han sido aplicadas en mayor o menor grado a la medida de diversas magnitudes físicas. El poder de penetración de las radiaciones permite que muchas de estas aplicaciones sean totalmente no invasivas, es decir, que no accedan al interior del recinto donde se producen los cambios que se desean detectar. Las medidas no invasivas son de interés cuando el medio es explosivo, radioactivo, etc., y cuando se desea evitar su contaminación. Los sensores no invasivos son además, en general, más fáciles de instalar y de mantener que los invasivos. Fundamento Cuando en un punto de un medio elástico se produce una deformación esta no permanece localizada en él, sino que se propaga sucesivamente a los puntos próximos. Si la deformación es debida a un movimiento vibratorio, este queda caracterizado por su frecuencia f , amplitud a y velocidad instantánea de los átomos, v. La velocidad media “neta” de los átomos es obviamente cero. La velocidad con que se propaga la perturbación de unos a otros puntos, o velocidad de onda c, depende del medio pero no de la frecuencia para gases y líquidos dicha velocidad viene dada por

c2 = KmD (1)

Donde Km es el módulo de elasticidad volumétrica ( o de compresión ) y D es la densidad. Dado que ambos parámetros dependen de la temperatura, c también variará con esta. Para un sólido, en el caso de ondas longitudinales, la velocidad viene dada por

c2 = E(1−µ)

D(1−µ)(1−2µ) (2a)


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Donde E es el módulo de Young y µ el coeficiente de Poisson. Para el aire, c = 330 m/s aprox; para el agua c = 1500 m/s; para el acero c = 5900 m/s; para el aluminio c = 6320 m/s. Para ondas transversales,

c2 = E

2µ(1+µ) (2b) Como resultado de la perturbación, la presión en un punto no es constante sino que varía con respecto a un valor medio. La diferencia entre la presión instantánea y la media se denomina presión acústica, p. Al cociente entre p y v - consideradas como cantidades complejas ( módulo y fase ), ya que se supone que el problema se analiza en regimen permanente sinusoidal - , se le denomina impedancia acústica, Z

Z =pv (3)

Cuando el medio de propagación no tiene pérdidas, p y v están en fase de modo que Z es real y se demuestra que vale

Z = D $c (4) Donde Z es un parámetro característico de cada medio. Para el aire aproximadamente Z = 4.3 x 10e-4 Pa * s * m-1; para el agua Z = 1.5 Pa * s * m-1; para el acero Z = 45 Pa * s * m-1; para el aluminio Z = 17 Pa * s * m-1. La intesidad “I ” de la radiación se define como la potencia por unidad de superficie, y viene dada por

I = p $v =p2

Z (5) Al propagarse la radiación en un medio homogeneo, su intensidad sufre una atenuación exponencial de la forma

I = I0 exp−2ax (6) Donde “Io” es la intesidad incidente, α es el coeficiente de atenuación que depende del medio y de la frecuencia ( aumenta al hacerlo ésta ), y x es la distancia recorrida en dicho medio. Si en lugar de tratarse de un medio homogéneo, la impedancia ácustica varía de unas a otras zonas, entonces la radiación, además de ser absorbida, es reflejada. Para una onda plana que viaje en dirección perpendicular a una superficie también plana, que separa dos medios con


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impedancias acústicas respectivas Z1 y Z2 , los coeficientes de reflexión y de transmisión de intensidad son

R = Ir

Ii= (Z1−Z2 )2

(Z1+Z2 )2 (7)

T = It

Ii= 4Z1Z2

(Z1+Z2 )2 (8) Donde Ii, Ir e It son, respectivamente, las intensidades incidente, reflejada y transmitida. Obsérvese que R+T = 1. De (7) se deduce que la reflexión es tanto mayor cuanto más grande sea la diferencia de impedancia entre ambos medios. Esto hace prácticamente imposible medir en gases de forma no invasiva, debido a la gran diferencia entre su impedancia acústica y la de las paredes del recipiente. METODOLOGíA. Existen varios medios posibles de producir ondas ultrasonicas. Una de las más comunes es el cristal transductor, donde cristal se refiere a un número natural y sintético de materiales que poseen piezoelectricidad o fenómenos similares. Tipos de cristales. Los tipos más populares de sistemas de conversión electromecánica son los piezoeléctricos y los magnetostrictive , aunque también hay otros tipos. El efecto piezoeléctrico es de gran importancia en ciertos tipos de trabajo ultrasónico, aunque el magnetostrictive también es ampliamente usado. El former effect sucede en varios cristales naturales y artificiales y es definido como un cambio en las dimensiones cuando una carga eléctrica es aplicada a las caras del cristal. En algunos casos por simplicidad, el efecto electrostrictive se incluye dentro del piezoeléctrico. Electrostriction se refiere a una distorsión proporcional al cuadrado del desplazamiento eléctrico. Cristales como el barium Titanate muestran este efecto en un alto grado. Una vez polarizados, sin embargo, pueden ser incluídos en el tipo piezoeléctrico. En el pasado, los cristales de cuarzo han sido utilizados casi exclusivamente para generar vibraciones ultrasonicas en sólidos y líquidos. Aún son ampliamente utilizados para mandar y recibir a baja potencia. Los intentos para su utilización en alta potencia no han sido muy buenos, debido a las dificultades en el diseño del contenedor, debido a los altos voltajes requeridos. Especialmente en trabajo ultrasónico a altas frecuencias, donde puede haber contacto entre el transductor y un medio sólido o donde alta potencia no es importante.


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Las frecuencias producidas por cuarzos sin tratar (quartz blanks), cubren un rango de entre los cientos de kiloherz hasta aproximadamente 25Mhz cuando vibran en modo fundamental y pueden extenderse a más altas frecuencias cuando operan a una frecuencia armónica.


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FIG.1 Lámina para determinar características electromecánicas de varios cristales. Langevin fué quien encontró que los cristales de cuarzo podían servir para propósitos ultrasónicos como la detección de submarinos. Su patente incluye la idea de utilizar mosaicos de cristales colocados entre placas de acero.

FIG . 2, Langevin transducers.


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Los cristales de cuarzo tienen la propiedad de expanderse y mandar una onda ultrasónica cuando se le aplica un voltaje, y también puede producir una señal eléctrica cuando se hace vibrar mecánicamente. Además del cuarzo, Rochelle salt es uno de los materiales de mayor uso en la generación de ultrasonido, especialmente en rangos de baja frecuencia. El efecto piezoeléctrico es considerablemente mayor que en el cuarzo. Sin embargo, las unidades son más delicadas y por lo tanto más suceptibles a daños. Algunos cristales artificiales fueron creados durante la segunda guerra mundial, por ejemplo, el barium titanate y el sulfato de litio son muy utilizados en aplicaciones industriales. Sin embargo, por su durabilidad, economía, facilidad de manufactura y simplicidad, el cristal de cuarzo es muy buscado para trabajos con ultrasonido. El cristal de cuarzo con cortes en X, es el que se utiliza más comunmente.


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FIG. 3 , Ejes cristalográficos. (a) Cuarzo, (b) Rochelle Salt, (c) Ammonium dihydrogen phosphate, (d) Sulfato de litio. Debido a que genera ondas longitudinales ( ondas L ). Para la producción de ondas shear, se utilizan los cristales con contes en Y; aunque este tipo de ondas no viaja a través de líquidos o gases, donde no existe elasticidad shear. Además para su trabajo en sólidos, éstos deben ser acoplados por medios especiales. Razón por la cuál, no son ampliamente usados.


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El cuarzo natural es un material extremadamente estable, tanto química como físicamente, también es muy duro. El cristal es normalmente encontrado en forma de prismas de seis lados con terminaciones en sus extremos en forma de pirámides. Si se unen estas pirámides por una línea, podemos observar el llamado eje óptico o eje Z. Los ejes X, son también llamados eléctricos, y están definidos por líneas que pasan a través de los lados opuestos de las esquinas del cristal, por lo que existen tres ejes X en cada pieza natural de cuarzo. Los ejes Y, son perpendiculares a los lados del cuarzo, por lo que también encontramos 3 ejes en cada pieza. Los cortes de placas o blanks pueden hacerse en cualquiera de estos ejes (o de cualquier otra manera), y dependiendo de ello, estos pueden tener ciertas características. Los blanks pueden ser cortados para vibración fundamental de hasta 15 Mhz. Arriba de esta frecuencia, se hacen tan delgados que pueden fallar mecánicamente de una manera muy fácil. De igual manera pueden cortarse para más altas frecuencias pero a frecuencias subarmónicas. Los cristales deben tener caras paralelas y deben ser pulidos libres de cualquier tipo de grieta o picadura, de otra forma no vibrarán libremente. Para fines de trabajo ultrasónico, el acabado de esmeril óptico es satisfactorio.

EFECTO PIEZOELÉCTRICO. La característica de cristales que desarrollan una carga eléctrica cuando se les aplica una presión mecánica o un voltaje, fué descubierta por los hermanos Curie, aunque este fenómeno fué posteriormente llamado efecto piezoeléctrico. Descubrieron la relación entre la presión y su carga producida, así como el cambio de signo de la carga cuando la presión era cambiada a voltaje o viceversa. El eje polar de un cuarzo es la dirección donde mayor carga aparece. Por lo cuál es llamado el eje piezo. Este eje puede ser encontrado rotando el cristal, este eje es importante dado que los blanks que son utilizados para ultrasonido, son cortados a ángulos derechos del eje para obtener el máximo efecto. Cuando un cristal es cortado en el eje X o Y, tiene la característica de que presión en el eje X produce una carga en las caras del cristal perpendicular a dicho eje; esto se conoce como el efecto directo longitudinal. El efecto directo transversal, producirá las mismas cargas que la presión en el eje X, pero como resultado de aplicar un voltaje en el eje Y. Cuando la tensión es cambiada a presión, o viceversa, el signo del efecto cambia. Por lo tanto, si se aplica una carga alterna a alta frecuencia al cristal, y si el cristal está adecuandamente diseñado para oscilar a esa frecuencia, seguirá el campo aplicado. Las caras del cristal se moverán la una respecto de la otra; y si una de las caras es presionada contra la superficie de una medio, se producirán ondas ultrasónicas que entrarán al medio y viajarán a través de él. (siempre y cuando el medio sea capáz de soportar la propagación del ultrasonido). Un cristal vibra en varias direcciones o maneras dependiendo de sus cortes.


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FIG. 4 movimiento del cristal.

La primera figura muestra como vibra un cristal con corte Y , y la segunda, la vibración de una cristal con corte X. El cristal también puede oscilar en cualquier armónico, usualmente un impar. En vibración armónica, los patrones resultantes son más complicados. Los cristales normalmente no vibran en solo una dirección, aunque se diseñen para ello, siempre hay movimiento en otras direcciones. Debido a ello, los cristales que se diseñan para vibrar en dirección X, no deben ser sostenidos rígidamente sobre sus orillas, debido a que esto puede atenuar bastante sus vibraciones. Por esta razón los cristales son dejados relativamente sueltos en todas direcciones distintas para la cuál fué diseñado, debido a este tipo de situaciones el diseño del cristal para vibrar en las caras puede llegar a ser complicado.

EFECTO PIEZOELÉCTRICO INVERSO. En 1881, Lippmann predijo el efecto inverso, señaló que no solo haciéndo vibrar el cristal mecánicamente causaba cargas, sino que poniendo cargas eléctricas produciría vibraciones mecánicas. Este efecto se conoce como recíproco longitudinal o efecto recíproco transversal, dependiendo de si el cristal actúa en la dirección X o Y . Además si el signo de la carga cambia, la contracción se convierte en expansión y viceversa. La cantidad de contracción y expansión fué calculada por Voight, quien demostró que el efecto longitudinal depende del voltaje aplicado y no de las dimensiones del cristal. Para un voltaje de 3000 volts aplicado en la dirección X, la expansión es aproximadamente 6.36 X 10 -7 cm/cm2. La cantidad de carga que aparece es determinada por una característica del cristal, conocida como Módulo Piezoeléctrico (es una constante), para el cuarzo es de aproximadamente

d = 6.32X10−2 esuKg


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Sin embargo, aunque la carga es proporcional a la fuerza y al módulo, también es esencialmente independiente del grosor del cristal, temperatura y área en un amplio rango. Ny Tse Ze, examinó las limitaciones del efecto piezoeléctrico, descubrió que los cambios en las dimensiones del cuarzo eran proporcionales al voltaje aplicado hasta una aplicación de 3000 volts / cm. Arriba de este punto el cambio en dimensiones alcanza un límite. También descubrió que la temperatura no debe exceder los 300°C. La actividad piezoeléctrica es prácticamente constante entre temperaturas de 20 a 300°C, pero arriba de este límite, el módulo piezoeléctrico cae rápidamente. Cuando los cristales van a funcionar en altas temperaturas, deben ser calentados gradualmente, de lo contrario fallarán.

DISEÑO DE UN CRISTAL DE CUARZO. Ondas longitudinales; cristales con corte X, son normalmente montados con un electrodo en cada cara para imprimir el voltaje de excitación en el blank y para hacer contacto con la carga producida por la vibración del cristal. El electrodo puede ser un enchapado ( de algún metal) o simplemente una placa de metal. Para una frecuencia fundamental, una vibración longitudinal es producida en la dimensión de la profundidad del cristal. Si lambda es la longitud de la onda estacionaria que es excitada por la resonancia natural, entonces el grosor de la placa es,

t = k2

La densidad del cristal de cuarzo es 2.654 g/ cm 3; el módulo de Young es 770 X 10 9 g/ cm/seg2. La velocidad de ondas ultrasónicas en el cuarzo en esta dirección es

c = Ed = 540X103 cm

seg

Como k= c y t =

k , entonces

f = ct = 2700

tKHzseg

Donde t es el grosor en milímetros. BARIUM TITANATE. Es un término genérico que cubre un número de componentes que pueden ser moldeados a cristales con propiedades electrostrictive. Las dimensiones físicas de una barra o disco de barium titanate cambian en proporción al voltaje aplicado, al menos tanto como el voltaje es menor comparado al voltaje que se utiliza para prepolarizar el cristal. La prepolarización es necesaria para hacer el material piezoeléctrico, dado que no tienen esta propiedad como intrínseca. La prepolarización es llevada a cabo poniendo un campo eléctrico a través del cristal a temperaturas sobre el punto de Curie de aprox. 120°C y posteriormente se enfría gradualmente. Este voltaje está alrededor de los 2000 volts/ cm de grosor. Así pués, resulta un cristal que lleva a cabo muchas de las funciones de un cuarzo, pero su impedancia eléctrica es baja,


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por lo cuál el voltaje que debe aplicarse a través de él para su operación, también es bajo. El rango de voltaje entre el cuarzo y el titanate es cerca de 100, i.e., 1 /100 del voltaje producirá la misma potencia. Las formas de este tipo de materiales es variada, lo más común son discos delgados, barras, cilindros huecos, y secciones de esferas. Se les pintan o chapean caras de plata a las superficies sobre las cuáles se aplican los voltajes eléctricos. Tabla 1 , características de cristales.


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DESARROLLO EXPERIMENTAL.

EJEMPLOS DE SISTEMAS ULTRASÓNICOS DE MEDICIÓN. (Técnicas de reflexión de pulso o de eco pulso.) El principio de este método se muestra en la fig 5 , a continuación.


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Un cristal piezoeléctrico transmite un pulso ultrasónico en el material (1). Si las impedancias características de los materiales (1) Y (2) son substancialemente diferentes, la mayor parte de la energía del pulso se reflejará entonces en la frontera. El pulso reflejado se detecta por el cristal ( que ahora actúa como receptor ) y se mide el tiempo T T entre los pulsos saliente y reflejado. Ya que TT es el tiempo para el viaje redondo de distancia 2 l , entonces TT = 2 l

c Tiempo de viaje redondo para el sistema de eco pulsos. Donde l es la distancia de la interfaz desde el cristal y c es la velocidad del sonido en el medio (1) Si se conoce c puede calcularse l . La medición se complica por la creación de reflexiones múltiples o ecos. Parte del primer pulso reflejado se refleja en la frontera del material (1) y el cristal, y se refleja de nuevo en la frontera de los materiales (1) y (2) para crear un segundo pulso reflejado. Este proceso se repite muchas veces, desvaneciéndose la amplitud de los pulsos reflejados a causa de las pérdidas por atenuación en el material (1) y pérdidas por reflexión en las fronteras. La figura 5 muestra la señal observada en la pantalla del osciloscopio. La señal de pulso debe obedecer a las siguientes condiciones. (a) El ancho del pulso TW debe ser grande comparado con el período 1 / f de la onda sonora. Esto asegura que haya muchos ciclos, es decir, energía suficiente, en cada pulso:

TW >> 1f

(b) El tiempo de transición TT debe ser grande comparado con el ancho del pulso TW para evitar interferencia entre pulsos salientes y reflejados.

TT >> TW (c) El tiempo de repetición TR entre pulsos salientes sucesivos debe ser grande comparado con el tiempo de transición TT. Esto asegura que todas las reflexiones, al seguir a un pulso saliente, se atenúen antes de que la siguiente penetre en el material:

TR >> TT Así, para un objeto metálico con l = 0.2 m y c = 5 X 10 3 m/s, TT = 80 µs. Si f = 1 Mhz, entonces se cumplen las condiciones descritas con TW = 15 µs, TR = 1 ms. A causa de la diferencia considerable en la impedancia característica entre la mayoría de los sólidos y el aire, este método puede emplearse para medir el espesor de materiales. También se


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emplean comúnmente técnicas de reflexión de pulsos para la detección de grietas en metales. Aquí la frecuencia f se elige de modo que la longitud de onda del sonido sea pequeña en comparación con el tamaño de los defectos por detectar. La diferencia grande en impedancia característica entre gases y líquidos significa que ocurre una reflexión casi perfecta en una interfaz de líquido-gas, y que estas técnicas son aplicables a la medición del nivel. El análisis de las pérdidas en interfaz sugeriría que es mejor montar el cristal en la base del recipiente, dirigiendo las ondas hacia arriba a través del líquido, en lugar de montarlo en la parte superior del recipiente, dirigiendo las ondas hacia abajo a través del gas. Sin embargo, la mayoría de los sistemas ultrasónicos comerciales de medición del nivel utilizan el segundo método porque ofrece mayor facilidad de instalación y mantenimiento. Otra aplicación importante de las técnicas de reflexión de pulsos es en la formación de imágenes de zonas del cuerpo humano.La fig 6a muestra, en forma simplificada, las diversas capas de un tejido. La impedancia característica de estas capas es diferente; por ejemplo, la impedancia del hueso es aproximadamente 0.8 X 10 7 , mientras que la del tejido biológico blando es aproximadamente 0.15 X 10 7 . Un transductor piezoeléctrico se coloca en la capa de la epidermis, la cuál tiene una impedancia característica cercana a la del tejido blando o una capa de equiparación. Esto minimiza las reflexiones internas en la frontera del transductor y la epidermis y el problema de ecos múltiples. La fig.6b muestra el registro de un osciloscopio, obtenido cuando se utiliza el sistema básico de la fig.5 con el sistema de capas de la fig.6a . Los tres pulsos reflejados corresponden a reflexiones en las fronteras de epidermis/ dermis, dermis/ grasa y grasa/ hueso, respectivamente; los intervalos de tiempo entre pulsos reflejados sucesivos son proporcionales al espesor de cada capa. Este registro, denominado despliegue de exploración A, es considerablemente difícil de interpretar; se obtiene una imagen más real utilizando un despliegue de exploración B. El transductor se conecta a dos sensores de desplazamiento que miden las coordenadas de posición x y y del transductor en la superficie del cuerpo. El voltaje de salida del sensor x se aplica a las placas X del osciloscopio y se aplica un voltaje proporcional al tiempo, es decir, la distancia z recorrida a través del cuerpo, a las placas Y. La brillantez de la imagen en la pantalla es proporcional al voltaje de salida del transductor (modulación Z), por lo que un punto brillante corresponde a un pulso reflejado. Al mantener fija la coordenada y del transductor y ajustar la coordenada x, se forma y almacena una imagen del cuerpo en el plano x - z (fig.6c). Así, la exploración B forma la imagen de una rebanada de algún punto del cuerpo, normal a la superficie. Otra alternativa es el despliegue de exploración C; ésta corresponde a una imagen del cuerpo en el plano x - y , es decir, una rebanada paralela a la superficie del cuerpo. Se obtiene al aplicar el voltaje de salida del sensor x a las placas X del osciloscopio, el voltaje de salida del sensor y a las placas Y, y utilizando la modulación Z. Para esta aplicación es bueno considerar qué parte del cuerpo se va a analizar, dado que dependiendo del tipo de organo y/o tejidos involucrados, es el tipo de transductor y las frecuencias que se utilizarán, también en algunas ocasiones depende del paciente, dado que por ejemplo para escaneos de busto dependiendo del tamaño también puede variar la frecuencia a utilizar.


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Es importante saber que parte del truco de obtener imágenes en monitores de video, depende de las densidades de los tejidos, a mayor diferencia en las densidades, mayor es el retorno del eco pulso. Si se tienen dos estructuras por analizar, es necesario que las densidades sean similares para que el sonido siga viajando, dado que si por ejemplo te topas con hueso, entonces vas a perder la señal.


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Los rangos de frecuencia que se utilizan, están en los 2 - 15 MHz, para busto entre 7-10 y hasta 15MHz, para esta frecuencia y para obtener imagen de superficie de la piel se recomienda un tipo de transductor llamado linear probe. Además es importante saber que para aplicaciones de escaneo se necesita un agente acoplador de la señal (GEL), dado que de esta manera la pérdida de la misma es mínima, la atenuación en aire es importante y por ello se utilizan los gel, también hay varios tipos, aunque normalmente uno puede servir para muchas aplicaciones, es recomendable que se tome en cuenta el tipo de piel y de paciente, por la sensibilidad que se pudiera tener, hay ocasiones que es mejor utilizar gel tibio, otras frío, muchas ocasiones para pacientes con hipersensibilidad, puede utilizarse gel tibio, esto es común en escaneos de busto. Los transductores pueden ser dos, uno que funcione como emisor y otro como receptor,y realizar barridos sobre la piel, sin embargo, lo más utilizado es tener arreglos de sensores que funciones en distintas frecuencias, y pueden usarse como emisores y receptores o puede utilizarse un arreglo para emisor y otro para receptor. A continuación se muestran algunas imágenes obtenidas por escaneo, así como algunos transductores, marcas de gel y equipos completos para esta aplicación.

Un par de las marcas de gel utilizados son: Thermasonic y Aquasonic.


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LA39 Broad Spectrum Transducer


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PR-5000 EXPLORER II


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EQUIPOS DE G.E. Otra aplicación es el medidor de flujo, el cuál utiliza el efecto Doppler, a continuación un diagrama a bloques de este medidor:


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Algunos de los circuitos que pueden cumplir con funciones de tipo ultrasónico son : LM1812, TL851, TL852, a continuación se muestran un par de circuitos sencillos que funcionan como emisor y receptor de ultrasonido en aire.


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Algunas otras aplicaciones son: Pruebas de distancia, pruebas de materiales (ej.rayaduras o cracks), grosor de materiales,

forma, pruebas de fatiga, de absorción, equipos médicos, diagnóstico, terapia, cirugía, soldado de piezas, limpieza de materiales, alarmas, medidores de viscosidad, de flujo, radares, analizadores de gases, medición de capas de la piel, captación de imágenes para diagnóstico médico.

CONCLUSIONES. La implementación de un sistema ultrasónico depende de la complejidad del problema. En general la dificultad para su implementación consiste en tener suficientes conocimientos sobre las bases del ultrasonido, materiales adecuados para la implementación y suficiente tiempo para hacer múltiples pruebas. Es muy recomendable tener experiencia, dado que aunque para un sistema de lo más simple como el que se muestra en los esquemáticos se puede conseguir el material para implementarlo relativamente fácil, se necesita jugar un poco con los circuitos para poder sintonizar las frecuencias y de ser necesario filtrar las señales de manera adecuada, esto sin contar con que el propósito del mismo es meramente didáctico, porque para buscar una aplicación ya entran otros factores que tienen que ver directamente con lo que se desea medir. Si se desea implementar el sensor en sí, se puede decir que es posible, sin embargo, como se menciona en este documento, es necesario tener cuidado a la hora de diseñarlo, ya que los materiales para dicho propósito tienen características propias de las cuales depende la frecuencia de oscilación natural, así como también la misma depende de la calidad del pulido del cristal. Además el tipo de cortes que se deben realizar deberán depender de la aplicación para la que se desea utilizar para tener un óptimo desempeño. BIBLIOGRAFíA. Articulos y paginas en internet SENSAT CORP. Http://www.sensant.com/co_corp.html Thermasonic: Http://www.sonotech-inc.com/pi00033.cfm Aquasonic: http://www.trimedic.com/ult/parker/Aqua100.htm Ultrasonic instruments:Http://www.matec.com/instruments.htm SONATECH: http://www.sonatech.com/ TOKIN: http://www.tokin.com/catalog.html GE Medical systems: Http://www.gemedicalsystems.com/rad/us/index.html Design Engineering / February 1996 “Ultrasonic Gas Meters” Pag. 17


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Chemical Engineering / December 1996 CHEMENTATOR Pag. 25 IEEE Computer Graphics & Applications, Visualization of 3D Ultrasound Data Nov/93 Scientific American “Ultrasound’s New Phase” Junio/1996 Pag. 22-24 Libros Sistemas de medición principios y aplicaciones 2da. Edición John P. Bentley B. CECSA 2000 Sensores y acondicionadores de señal 3ra. Edición Ramon Pallas A. ALFAOMEGA 2001 Ultrasonics 2nd Edition Benson Carlin Mc Graw Hill 1960 ANEXO 1. HOJAS DE FABRICANTE DE TRANSDUCTORES PIEZOELÉCTRICOS. SONATECH Y TOKIN son algunos de los fabricantes de transductores Aquí se puede obtener sobre los piezoeléctricos: Http://www.tokin.com/products/product-search.html A continuación se anexan hojas de uno de los tipos de piezoeléctricos.

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