Ultrasonido - Se trata de vibraciones mecánicas elásticas con una frecuencia superior a 18 kHz, que es el umbral superior de audibilidad del oído humano. Debido al aumento de frecuencia, las vibraciones ultrasónicas (USV) tienen una serie de características específicas (la capacidad de enfocar y la directividad de la radiación), lo que permite concentrar la energía acústica en pequeñas áreas de la superficie emitida.

Desde la fuente de oscilaciones, el ultrasonido se transmite al medio en forma de ondas elásticas y se puede representar como una ecuación de onda para una onda plana longitudinal:

Dónde l- desplazamiento de la partícula oscilante; t- tiempo; X- distancia de la fuente de vibración; Con- velocidad del sonido en el medio.

La velocidad del sonido es diferente para cada medio y depende de su densidad y elasticidad. Tipos particulares de ecuación de onda permiten describir la propagación de ondas en muchos casos prácticos.

Forma de onda de ultrasonido

Las ondas ultrasónicas de la fuente de vibración se propagan en todas direcciones. Cerca de cada partícula del medio hay otras partículas que vibran con ella en la misma fase. Un conjunto de puntos que tienen la misma fase de oscilación se llama superficie de la onda.

La distancia que se propaga una onda en un tiempo igual al período de oscilación de las partículas del medio se llama longitud de onda.

Dónde T- período de oscilación; / - frecuencia de oscilación.

Frente de onda es el conjunto de puntos a los que llegan las oscilaciones en un determinado momento del tiempo. En cada momento del tiempo hay un solo frente de onda, y se mueve todo el tiempo, mientras que las superficies de las ondas permanecen inmóviles.

Dependiendo de la forma de la superficie de la onda, se distinguen ondas planas, cilíndricas y esféricas. En el caso más simple, las superficies de las ondas son planas y las ondas se llaman departamento, y la fuente de su excitación es el avión. Cilíndrico Se llaman ondas cuyas superficies de onda son cilindros concéntricos. Las fuentes de excitación de tales ondas aparecen en forma de línea recta o cilindro. Esférico Las ondas son creadas por fuentes puntuales o esféricas cuyos radios son mucho más pequeños que la longitud de onda. Si el radio excede la longitud de onda, entonces se puede considerar plano.

Ecuación de una onda plana que se propaga a lo largo de un eje. X, si la fuente de excitación realiza oscilaciones armónicas con frecuencia angular с y amplitud A 0, tiene la forma

La fase inicial a de la onda está determinada por la elección del origen de coordenadas. X y tiempo t.

Al analizar el paso de una sola onda, el origen generalmente se elige de modo que A= 0. Entonces la ecuación (3.2) se puede escribir como

La última ecuación describe una onda viajera que se propaga hacia valores crecientes (+) o decrecientes (-). Es una de las soluciones de la ecuación de onda (3.1) para una onda plana.

Dependiendo de la dirección de vibración de las partículas del medio con respecto a la dirección de propagación de la onda, se distinguen varios tipos de ondas ultrasónicas (Fig. 3.1).

Si las partículas del medio oscilan a lo largo de una línea que coincide con la dirección de propagación de la onda, entonces dichas ondas se denominan longitudinal(Figura 3.1, A). Cuando el desplazamiento de las partículas del medio se produce en dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda, se denominan ondas. transverso(Figura 3.1, b).

Arroz. 3.1. Esquema de desplazamientos oscilatorios de partículas del medio para varios tipos de ondas: A- longitudinal; b- transversal; V- flexión

En líquidos y gases, solo las ondas longitudinales pueden propagarse, ya que las deformaciones elásticas en ellos surgen durante la compresión y no ocurren durante el corte. Tanto las ondas longitudinales como las transversales pueden propagarse en los sólidos, ya que los sólidos tienen elasticidad de forma, es decir Esfuércese por mantener su forma cuando se exponen a fuerzas mecánicas. En ellos surgen deformaciones elásticas y tensiones no solo durante la compresión, sino también durante el corte.

En sólidos pequeños, como barras y placas, el patrón de propagación de ondas es más complejo. En tales cuerpos surgen ondas que son una combinación de dos tipos principales: torsión, flexión, superficie.

El tipo de onda en un sólido depende de la naturaleza de la excitación de las vibraciones, la forma del sólido, su tamaño en relación con la longitud de onda y, bajo determinadas condiciones, pueden existir simultáneamente ondas de varios tipos. En la figura 2.3 se muestra una representación esquemática de una onda flexionante. 3.1,c. Como puede verse, el desplazamiento de las partículas del medio se produce tanto perpendicular a la dirección de propagación de la onda como a lo largo de ella. Por tanto, una onda curvada tiene características comunes tanto a las ondas longitudinales como a las transversales.

Dmitri Levkin

Ultrasonido- vibraciones mecánicas ubicadas por encima del rango de frecuencia audible para el oído humano (generalmente 20 kHz). Las vibraciones ultrasónicas viajan en formas de ondas, similares a la propagación de la luz. Sin embargo, a diferencia de las ondas de luz, que pueden viajar en el vacío, los ultrasonidos requieren un medio elástico como un gas, líquido o sólido.

, (3)

Para ondas transversales está determinado por la fórmula.

Dispersión del sonido- dependencia de la velocidad de fase de las ondas sonoras monocromáticas de su frecuencia. La dispersión de la velocidad del sonido puede deberse tanto a las propiedades físicas del medio como a la presencia de inclusiones extrañas en él y a la presencia de límites del cuerpo en el que se propaga la onda sonora.

Tipos de ondas ultrasónicas

La mayoría de las técnicas de ultrasonido utilizan ondas longitudinales o de corte. También existen otras formas de propagación de ultrasonidos, incluidas las ondas superficiales y las ondas de Lamb.

Ondas ultrasónicas longitudinales– ondas, cuya dirección de propagación coincide con la dirección de los desplazamientos y velocidades de las partículas del medio.

Ondas ultrasónicas transversales.– ondas que se propagan en dirección perpendicular al plano en el que se encuentran las direcciones de desplazamiento y velocidades de las partículas del cuerpo, al igual que las ondas de corte.

Ondas ultrasónicas de superficie (Rayleigh) Tienen movimiento de partículas elíptico y se extienden sobre la superficie del material. Su velocidad es aproximadamente el 90% de la velocidad de propagación de la onda de corte y su penetración en el material es igual a aproximadamente una longitud de onda.

Ola de cordero- una onda elástica que se propaga en una placa (capa) sólida con límites libres, en la que el desplazamiento oscilatorio de partículas se produce tanto en la dirección de propagación de la onda como perpendicular al plano de la placa. Las ondas de cordero son uno de los tipos de ondas normales en una guía de ondas elástica, en una placa con límites libres. Porque estas ondas deben satisfacer no sólo las ecuaciones de la teoría de la elasticidad, sino también las condiciones de contorno en la superficie de la placa; el patrón de movimiento en ellas y sus propiedades son más complejas que las de las ondas en sólidos ilimitados.

Visualización de ondas ultrasónicas.

Para una onda viajera plana sinusoidal, la intensidad del ultrasonido I está determinada por la fórmula

, (5)

EN onda viajera esférica La intensidad del ultrasonido es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde la fuente. EN onda estacionaria I = 0, es decir, en promedio no hay flujo de energía sonora. Intensidad del ultrasonido en onda viajera plana armónica igual a la densidad de energía de la onda sonora multiplicada por la velocidad del sonido. El flujo de energía sonora se caracteriza por el llamado vector de umov- el vector de densidad de flujo de energía de la onda sonora, que se puede representar como el producto de la intensidad del ultrasonido por el vector normal de la onda, es decir, un vector unitario perpendicular al frente de onda. Si el campo sonoro es una superposición de ondas armónicas de diferentes frecuencias, entonces para el vector de densidad de flujo de energía sonora promedio existe aditividad de los componentes.

Para los emisores que crean una onda plana, se habla de intensidad de radiación, es decir con esto densidad de potencia del emisor, es decir, la potencia sonora radiada por unidad de superficie de la superficie radiante.

La intensidad del sonido se mide en unidades SI en W/m2. En la tecnología ultrasónica, el rango de cambios en la intensidad del ultrasonido es muy grande: desde valores umbral de ~ 10 -12 W/m2 hasta cientos de kW/m2 en el foco de los concentradores ultrasónicos.

Tabla 1 - Propiedades de algunos materiales comunes

atenuación del ultrasonido

Una de las principales características de los ultrasonidos es su atenuación. atenuación del ultrasonido Es una disminución de la amplitud y, por tanto, de una onda sonora a medida que se propaga. La atenuación del ultrasonido se produce por varias razones. Los principales son:

La primera de estas razones se debe a que a medida que una onda se propaga desde una fuente puntual o esférica, la energía emitida por la fuente se distribuye sobre una superficie cada vez mayor del frente de onda y, en consecuencia, la energía fluye a través de una unidad. la superficie disminuye, es decir . Para una onda esférica, cuya superficie de onda aumenta con la distancia r desde la fuente como r 2, la amplitud de la onda disminuye proporcionalmente, y para una onda cilíndrica, proporcionalmente.

El coeficiente de atenuación se expresa en decibeles por metro (dB/m) o en decibeles por metro (Np/m).

Para una onda plana, el coeficiente de atenuación de amplitud con la distancia está determinado por la fórmula

, (6)

Se determina el coeficiente de atenuación frente al tiempo.

, (7)

La unidad dB/m también se utiliza para medir el coeficiente, en este caso

, (8)

El decibel (dB) es una unidad logarítmica de medida de la relación de energías o potencias en acústica.

, (9)

• donde A 1 es la amplitud de la primera señal,
• A 2 – amplitud de la segunda señal

Entonces la relación entre las unidades de medida (dB/m) y (1/m) será:

Reflexión del ultrasonido desde la interfaz.

Cuando una onda de sonido incide sobre la interfaz, parte de la energía se reflejará hacia el primer medio y el resto pasará hacia el segundo medio. La relación entre la energía reflejada y la energía que pasa al segundo medio está determinada por las impedancias de onda del primer y segundo medio. En ausencia de dispersión de la velocidad del sonido. impedancia característica no depende de la forma de onda y se expresa mediante la fórmula:

Los coeficientes de reflexión y transmisión se determinarán de la siguiente manera

• donde D es el coeficiente de transmisión de presión sonora

También vale la pena señalar que si el segundo medio es acústicamente "más suave", es decir Z 1 >Z 2, luego, tras la reflexión, la fase de la onda cambia 180˚.

El coeficiente de transmisión de energía de un medio a otro está determinado por la relación entre la intensidad de la onda que pasa al segundo medio y la intensidad de la onda incidente.

, (14)

Interferencia y difracción de ondas ultrasónicas.

Interferencia de sonido- distribución espacial desigual de la amplitud de la onda sonora resultante dependiendo de la relación entre las fases de las ondas que se desarrollan en un punto u otro del espacio. Cuando se agregan ondas armónicas de la misma frecuencia, la distribución espacial resultante de amplitudes forma un patrón de interferencia independiente del tiempo, que corresponde a un cambio en la diferencia de fase de las ondas componentes cuando se mueven de un punto a otro. Para dos ondas de interferencia, este patrón en un plano tiene la forma de bandas alternas de amplificación y atenuación de la amplitud de un valor que caracteriza el campo sonoro (por ejemplo, la presión sonora). Para dos ondas planas, las franjas son rectilíneas con una amplitud que varía a lo largo de las franjas según el cambio en la diferencia de fase. Un caso especial importante de interferencia es la adición de una onda plana con su reflexión desde un límite plano; en este caso, se forma una onda estacionaria con los planos de nodos y antinodos ubicados paralelos al límite.

difracción de sonido- desviación del comportamiento del sonido de las leyes de la acústica geométrica, debido a la naturaleza ondulatoria del sonido. El resultado de la difracción del sonido es la divergencia de los haces ultrasónicos al alejarse del emisor o después de pasar a través de un agujero en la pantalla, la curvatura de las ondas sonoras hacia la región de sombra detrás de obstáculos grandes en comparación con la longitud de onda, la ausencia de sombra detrás obstáculos pequeños en comparación con la longitud de onda, etc. n. Los campos de sonido creados por la difracción de la onda original sobre obstáculos colocados en el medio, sobre las faltas de homogeneidad del propio medio, así como sobre las irregularidades y faltas de homogeneidad de los límites del medio, se denominan. campos dispersos. Para objetos en los que se produce una difracción de sonido que es grande en comparación con la longitud de onda, el grado de desviación del patrón geométrico depende del valor del parámetro de onda.

, (15)

• donde D es el diámetro del objeto (por ejemplo, el diámetro de un emisor ultrasónico u obstáculo),
• r - distancia del punto de observación desde este objeto

Emisores de ultrasonidos

Emisores de ultrasonidos- dispositivos utilizados para excitar vibraciones y ondas ultrasónicas en medios gaseosos, líquidos y sólidos. Los emisores de ultrasonidos convierten energía de algún otro tipo en energía.

Los emisores de ultrasonidos más utilizados son transductores electroacústicos. En la gran mayoría de emisores de ultrasonidos de este tipo, concretamente en transductores piezoeléctricos , convertidores magnetostrictivos, emisores electrodinámicos, emisores electromagnéticos y electrostáticos, la energía eléctrica se convierte en energía vibratoria de un cuerpo sólido (placa radiante, varilla, diafragma, etc.), que emite ondas acústicas al medio ambiente. Todos los convertidores enumerados son, por regla general, lineales y, por lo tanto, las oscilaciones del sistema radiante reproducen la señal eléctrica excitante en forma; Sólo con amplitudes de oscilación muy grandes, cerca del límite superior del rango dinámico del emisor de ultrasonidos, pueden aparecer distorsiones no lineales.

Los convertidores diseñados para emitir ondas monocromáticas aprovechan el fenómeno resonancia: funcionan con una de las oscilaciones naturales de un sistema oscilatorio mecánico, a cuya frecuencia está sintonizado el generador de oscilaciones eléctricas, el convertidor excitador. Los transductores electroacústicos que no tienen un sistema radiante de estado sólido se utilizan relativamente raramente como emisores de ultrasonidos; A estos pertenecen, por ejemplo, emisores de ultrasonidos basados ​​en una descarga eléctrica en un líquido o en la electroestricción de un líquido.

Características del emisor de ultrasonidos.

Las principales características de los emisores de ultrasonidos incluyen su espectro de frecuencia, emitido potencia de sonido, directividad de la radiación. En el caso de la radiación monofrecuencia, las principales características son frecuencia de operación emisor de ultrasonidos y su banda de frecuencia, cuyos límites están determinados por una caída de la potencia radiada a la mitad en comparación con su valor a la frecuencia de radiación máxima. Para transductores electroacústicos resonantes, la frecuencia de funcionamiento es frecuencia natural convertidor f 0, y El ancho de la líneaΔf está determinada por su factor de calidad P.

Los emisores de ultrasonido (transductores electroacústicos) se caracterizan por su sensibilidad, eficiencia electroacústica y su propia impedancia eléctrica.

Sensibilidad del emisor de ultrasonidos- la relación entre la presión sonora en la característica direccional máxima a una cierta distancia del emisor (con mayor frecuencia a una distancia de 1 m) y el voltaje eléctrico a través de él o la corriente que fluye en él. Esta característica se aplica a los emisores ultrasónicos utilizados en sistemas de alarma de audio, sonares y otros dispositivos similares. Para los emisores con fines tecnológicos, utilizados, por ejemplo, en limpieza ultrasónica, coagulación e influencia en procesos químicos, la característica principal es la potencia. Además de la potencia radiada total, estimada en W, los emisores de ultrasonidos se caracterizan por poder específico, es decir, la potencia media por unidad de superficie de la superficie emisora, o la intensidad media de la radiación en el campo cercano, estimada en W/m2.

La eficiencia de los transductores electroacústicos que emiten energía acústica al entorno sonoro se caracteriza por su magnitud. eficiencia electroacústica, que es la relación entre la potencia acústica emitida y la energía eléctrica gastada. En acústicaelectrónica, para evaluar la eficiencia de los emisores de ultrasonidos, se utiliza el llamado coeficiente de pérdida eléctrica, igual a la relación (en dB) entre la potencia eléctrica y la potencia acústica. La eficiencia de las herramientas ultrasónicas utilizadas en soldadura, mecanizado y similares por ultrasonidos se caracteriza por el llamado coeficiente de eficiencia, que es la relación entre el cuadrado de la amplitud del desplazamiento oscilatorio en el extremo de trabajo del concentrador y la energía eléctrica consumida. por el transductor. A veces se utiliza el coeficiente de acoplamiento electromecánico efectivo para caracterizar la conversión de energía en emisores de ultrasonido.

Campo de sonido del emisor

El campo sonoro del transductor se divide en dos zonas: zona cercana y zona lejana. Zona cercana esta es el área directamente frente al transductor donde la amplitud del eco pasa por una serie de máximos y mínimos. La zona cercana termina en el último máximo, que se encuentra a una distancia N del convertidor. Se sabe que la ubicación del último máximo es el foco natural del transductor. zona lejana Esta es el área más allá de N, donde la presión del campo sonoro disminuye gradualmente hasta cero.

La posición del último máximo N en el eje acústico, a su vez, depende del diámetro y la longitud de onda y para un emisor de disco circular se expresa mediante la fórmula

, (17)

Sin embargo, dado que D suele ser mucho mayor, la ecuación se puede simplificar a la forma

Las características del campo sonoro están determinadas por el diseño del transductor ultrasónico. En consecuencia, la propagación del sonido en la zona de estudio y la sensibilidad del sensor dependen de su forma.

Aplicaciones de ultrasonido

Las diversas aplicaciones del ultrasonido, en las que se utilizan sus diversas funciones, se pueden dividir en tres áreas. está asociado con la obtención de información a través de ondas ultrasónicas, - con la influencia activa sobre la materia y - con el procesamiento y transmisión de señales (las direcciones se enumeran en el orden de su formación histórica). Para cada aplicación específica se utilizan ultrasonidos de un determinado rango de frecuencia.

El ultrasonido representa ondas longitudinales que tienen una frecuencia de oscilación de más de 20 kHz. Esto es más alto que la frecuencia de las vibraciones percibidas por el audífono humano. Una persona puede percibir frecuencias dentro del rango de 16 a 20 KHz, se llaman sonido. Las ondas ultrasónicas parecen una serie de condensaciones y rarefacciones de una sustancia o medio. Por sus propiedades, son muy utilizados en muchos campos.

Qué es esto

El rango de ultrasonidos incluye frecuencias que van desde 20 mil hasta varios miles de millones de hercios. Se trata de vibraciones de alta frecuencia que están más allá del rango audible del oído humano. Sin embargo, algunas especies de animales perciben bastante bien las ondas ultrasónicas. Se trata de delfines, ballenas, ratas y otros mamíferos.

Según sus propiedades físicas, las ondas ultrasónicas son elásticas, por lo que no se diferencian de las ondas sonoras. Como resultado, la diferencia entre el sonido y las vibraciones ultrasónicas es muy arbitraria, porque depende de la percepción subjetiva del oído de una persona y es igual al nivel superior del sonido audible.

Pero la presencia de frecuencias más altas y, por tanto, de una longitud de onda corta, confiere a las vibraciones ultrasónicas ciertas características:

• Las frecuencias ultrasónicas tienen diferentes velocidades de movimiento a través de diferentes sustancias, por lo que es posible determinar con gran precisión las propiedades de los procesos en curso, la capacidad térmica específica de los gases y las características de un sólido.
• Las ondas de intensidad significativa tienen ciertos efectos que están sujetos a una acústica no lineal.
• Cuando las ondas ultrasónicas se mueven con gran potencia en un medio líquido, se produce el fenómeno de cavitación acústica. Este fenómeno es muy importante porque como resultado se crea un campo de burbujas que se forman a partir de partículas submicroscópicas de gas o vapor en un medio acuoso o de otro tipo. Pulsan con cierta frecuencia y se cierran de golpe con una enorme presión local. Esto crea ondas de choque esféricas, lo que conduce a la aparición de corrientes acústicas microscópicas. Utilizando este fenómeno, los científicos han aprendido a limpiar piezas contaminadas, así como a crear torpedos que se mueven en el agua más rápido que la velocidad del sonido.
• El ultrasonido puede enfocarse y concentrarse, permitiendo la creación de patrones de sonido. Esta propiedad se ha utilizado con éxito en holografía y visión sonora.
• Una onda ultrasónica bien puede actuar como rejilla de difracción.

Propiedades

Las ondas ultrasónicas tienen propiedades similares a las ondas sonoras, pero también tienen características específicas:

• Longitud de onda corta. Incluso para un borde bajo, la longitud es inferior a unos pocos centímetros. Una longitud tan pequeña conduce al carácter radial del movimiento de las vibraciones ultrasónicas. Directamente al lado del emisor, la onda viaja en forma de haz, que se aproxima a los parámetros del emisor. Sin embargo, al encontrarse en un entorno no homogéneo, el rayo se mueve como un rayo de luz. También puede reflejarse, dispersarse, refractarse.
• El período de oscilación es corto, lo que permite utilizar vibraciones ultrasónicas en forma de pulsos.
• El ultrasonido no se puede escuchar y no crea un efecto irritante.
• Cuando se exponen a vibraciones ultrasónicas en ciertos medios, se pueden lograr efectos específicos. Por ejemplo, puede crear calentamiento local, desgasificación, desinfección del ambiente, cavitación y muchos otros efectos.

Principio de operación

Se utilizan varios dispositivos para crear vibraciones ultrasónicas:

• Mecánico, donde la fuente es la energía de un líquido o gas.
• Electromecánico, donde se crea energía ultrasónica a partir de energía eléctrica.

Los silbatos y sirenas impulsados ​​por aire o líquido pueden actuar como emisores mecánicos. Son cómodos y sencillos, pero tienen sus desventajas. Por tanto, su eficiencia está en el rango del 10 al 20 por ciento. Crean un amplio espectro de frecuencias con amplitud y frecuencia inestables. Esto lleva al hecho de que dichos dispositivos no se pueden utilizar en condiciones donde se requiere precisión. La mayoría de las veces se utilizan como dispositivos de señalización.

Los dispositivos electromecánicos utilizan el principio del efecto piezoeléctrico. Su peculiaridad es que cuando se forman cargas eléctricas en las caras del cristal, éste se contrae y se estira. Como resultado, se crean oscilaciones con una frecuencia que depende del período de cambio de potencial en las superficies del cristal.

Además de los transductores basados ​​en el efecto piezoeléctrico, también se pueden utilizar transductores magnetoestrictivos. Se utilizan para crear un potente haz ultrasónico. El núcleo, que está hecho de material magnetoestrictivo, colocado en un devanado conductor, cambia su propia longitud de acuerdo con la forma de la señal eléctrica que ingresa al devanado.

Solicitud

El ultrasonido se usa ampliamente en una amplia variedad de campos.

Se utiliza con mayor frecuencia en las siguientes áreas:

• Obtención de datos sobre una sustancia específica.
• Procesamiento y transmisión de señales.
• Impacto sobre la sustancia.

Así, con la ayuda de ondas ultrasónicas estudian:

• Procesos moleculares en diversas estructuras.
• Determinación de la concentración de sustancias en soluciones.
• Determinación de la composición, características de resistencia de los materiales, etc.

En el procesamiento ultrasónico, a menudo se utiliza el método de cavitación:

• Metalización.
• Limpieza ultrasónica.
• Desgasificación de líquidos.
• Dispersión.
• Recepción de aerosoles.
• Esterilización ultrasónica.
• Destrucción de microorganismos.
• Intensificación de procesos electroquímicos.

En la industria bajo la influencia de ondas ultrasónicas se llevan a cabo las siguientes operaciones tecnológicas:

• Coagulación.
• Combustión en ambiente ultrasónico.
• El secado.
• Soldadura.

En medicina, las ondas ultrasónicas se utilizan en terapia y diagnóstico. El diagnóstico implica métodos de localización que utilizan radiación pulsada. Estos incluyen cardiografía por ultrasonido, ecoencefalografía y varios otros métodos. En terapia, las ondas ultrasónicas se utilizan como métodos basados ​​en efectos térmicos y mecánicos sobre los tejidos. Por ejemplo, a menudo se utiliza un bisturí ultrasónico durante las operaciones.

Las vibraciones ultrasónicas también realizan:

• Micromasaje de estructuras tisulares mediante vibración.
• Estimulación de la regeneración celular, así como del intercambio intercelular.
• Aumento de la permeabilidad de las membranas tisulares.

El ultrasonido puede actuar sobre el tejido mediante inhibición, estimulación o destrucción. Todo esto depende de la dosis aplicada de vibraciones ultrasónicas y de su potencia. Sin embargo, no todas las zonas del cuerpo humano pueden utilizar este tipo de ondas. Entonces, con cierta precaución, actúan sobre el músculo cardíaco y sobre varios órganos endocrinos. El cerebro, las vértebras cervicales, el escroto y muchos otros órganos no se ven afectados en absoluto.

Las vibraciones ultrasónicas se utilizan en los casos en que es imposible utilizar rayos X en:

• La traumatología utiliza un método de ecografía, que detecta fácilmente una hemorragia interna.
• En obstetricia, las ondas se utilizan para evaluar el desarrollo fetal, así como sus parámetros.
• Cardiología te permiten examinar el sistema cardiovascular.

Ultrasonido en el futuro

Actualmente, la ecografía se utiliza mucho en diversos campos, pero en el futuro encontrará aún más aplicaciones. Ya hoy estamos planeando crear dispositivos que sean fantásticos para hoy.

• La tecnología de hologramas acústicos ultrasónicos se está desarrollando con fines médicos. Esta tecnología implica la disposición de micropartículas en el espacio para crear la imagen requerida.
• Los científicos están trabajando para crear tecnología para dispositivos sin contacto que reemplacen a los dispositivos táctiles. Por ejemplo, ya se han creado dispositivos de juego que reconocen los movimientos humanos sin contacto directo. Se están desarrollando tecnologías que implican la creación de botones invisibles que se pueden sentir y controlar con las manos. El desarrollo de estas tecnologías permitirá crear teléfonos inteligentes o tabletas sin contacto. Además, esta tecnología ampliará las capacidades de la realidad virtual.
• Con la ayuda de ondas ultrasónicas ya es posible hacer levitar objetos pequeños. En el futuro, pueden aparecer máquinas que flotarán sobre el suelo debido a las olas y, en ausencia de fricción, se moverán a una velocidad tremenda.
• Los científicos sugieren que en el futuro la ecografía enseñará a ver a los ciegos. Esta confianza se basa en el hecho de que los murciélagos reconocen objetos mediante ondas ultrasónicas reflejadas. Ya se ha creado un casco que convierte las ondas reflejadas en sonido audible.
• Hoy en día la gente espera extraer minerales en el espacio, porque allí está todo. Entonces los astrónomos encontraron un planeta de diamantes lleno de piedras preciosas. Pero ¿cómo se pueden extraer materiales tan sólidos en el espacio? Es el ultrasonido el que ayudará a perforar materiales densos. Estos procesos son bastante posibles incluso en ausencia de atmósfera. Estas tecnologías de perforación permitirán recolectar muestras, realizar investigaciones y extraer minerales donde hoy en día esto se considera imposible.

Capítulo del Volumen I de la guía de diagnóstico por ultrasonido, escrito por empleados del Departamento de Diagnóstico por Ultrasonido de la Academia Médica Rusa de Educación de Postgrado (CD 2001), editado por V.V.

(El artículo fue encontrado en Internet)

1. Propiedades físicas del ultrasonido.
2. Reflexión y dispersión
3. Sensores y ondas ultrasónicas.
4. Dispositivos de escaneo lentos
5. Dispositivos de escaneo rápido
6. Dispositivos de dopplerografía
7. Artefactos
8. Control de calidad de equipos ultrasónicos.
9. Efecto biológico del ultrasonido y seguridad.
10. Nuevas direcciones en el diagnóstico por ultrasonido.
11. Literatura
12. Preguntas de prueba

PROPIEDADES FÍSICAS DEL ULTRASONIDO

El uso de la ecografía en el diagnóstico médico está asociado a la posibilidad de obtener imágenes de órganos y estructuras internas. La base del método es la interacción del ultrasonido con los tejidos del cuerpo humano. La adquisición de imágenes real se puede dividir en dos partes. El primero es la emisión de pulsos ultrasónicos cortos dirigidos a los tejidos examinados y el segundo es la formación de una imagen basada en las señales reflejadas. Comprender el principio de funcionamiento de una unidad de diagnóstico por ultrasonido, conocer la física básica del ultrasonido y su interacción con los tejidos del cuerpo humano le ayudará a evitar el uso mecánico e irreflexivo del dispositivo y, por lo tanto, a adoptar un enfoque más competente para proceso de diagnóstico.

El sonido es una onda longitudinal mecánica en la que las vibraciones de las partículas están en el mismo plano que la dirección de propagación de la energía (Fig. 1).

Arroz. 1. Representación visual y gráfica de cambios de presión y densidad en una onda ultrasónica.

Una onda transporta energía, pero no materia. A diferencia de las ondas electromagnéticas (luz, ondas de radio, etc.), el sonido requiere un medio para propagarse; no puede propagarse en el vacío. Como todas las ondas, el sonido se puede describir mediante varios parámetros. Estos son frecuencia, longitud de onda, velocidad de propagación en el medio, período, amplitud e intensidad. La frecuencia, el período, la amplitud y la intensidad están determinados por la fuente de sonido, la velocidad de propagación está determinada por el medio y la longitud de onda está determinada tanto por la fuente de sonido como por el medio. La frecuencia es el número de oscilaciones completas (ciclos) durante un período de tiempo de 1 segundo (Fig. 2).

Arroz. 2. Frecuencia de onda ultrasónica 2 ciclos en 1 s = 2 Hz

Las unidades de frecuencia son hercios (Hz) y megahercios (MHz). Un hercio es una vibración por segundo. Un megahercio = 1.000.000 hercios. ¿Qué hace que el sonido sea "ultra"? Esta es la frecuencia. El límite superior del sonido audible, 20.000 Hz (20 kilohercios (kHz)), es el límite inferior del rango ultrasónico. Los localizadores de murciélagos ultrasónicos funcionan en el rango de 25÷500 kHz. Los dispositivos de ultrasonido modernos utilizan ultrasonido con una frecuencia de 2 MHz y superior para obtener imágenes. El período es el tiempo necesario para obtener un ciclo completo de oscilaciones (Fig. 3).

Arroz. 3. Período de onda ultrasónica.

Las unidades del período son segundo (s) y microsegundo (μs). Un microsegundo es una millonésima de segundo. Periodo (μs) = 1/frecuencia (MHz). La longitud de onda es la longitud que ocupa una vibración en el espacio (Fig. 4).

Arroz. 4. Longitud de onda.

Las unidades de medida son el metro (m) y el milímetro (mm). La velocidad del ultrasonido es la velocidad a la que la onda viaja a través de un medio. Las unidades de velocidad de propagación del ultrasonido son metros por segundo (m/s) y milímetros por microsegundo (mm/μs). La velocidad de propagación del ultrasonido está determinada por la densidad y elasticidad del medio. La velocidad de propagación del ultrasonido aumenta al aumentar la elasticidad y disminuir la densidad del grano. La tabla 2.1 muestra la velocidad de propagación del ultrasonido en algunos tejidos del cuerpo humano.

La velocidad media de propagación de los ultrasonidos en los tejidos del cuerpo humano es de 1540 m/s; la mayoría de los dispositivos de diagnóstico por ultrasonidos están programados para esta velocidad. La velocidad de propagación del ultrasonido (C), la frecuencia (f) y la longitud de onda (λ) están relacionadas entre sí mediante la siguiente ecuación: C = f × λ. Dado que en nuestro caso la velocidad se considera constante (1540 m/s), las dos variables restantes f y λ están relacionadas entre sí por una relación inversamente proporcional. Cuanto mayor es la frecuencia, más corta es la longitud de onda y menor es el tamaño de los objetos que podemos ver. Otro parámetro ambiental importante es la impedancia acústica (Z). La resistencia acústica es el producto de la densidad del medio y la velocidad de propagación del ultrasonido. Resistencia (Z) = densidad (p) × velocidad de propagación (C).

Para obtener una imagen en el diagnóstico por ultrasonido, no se trata de ultrasonido emitido por un transductor de forma continua (onda constante), sino de ultrasonido emitido en forma de pulsos cortos (pulso). Se genera aplicando impulsos eléctricos cortos al elemento piezoeléctrico. Se utilizan parámetros adicionales para caracterizar la ecografía pulsada. La tasa de repetición de pulsos es el número de pulsos emitidos por unidad de tiempo (segundo). La frecuencia de repetición del pulso se mide en hercios (Hz) y kilohercios (kHz). La duración del pulso es la duración de un pulso (Fig. 5).

Arroz. 5. Duración del pulso ultrasónico.

Medido en segundos (s) y microsegundos (μs). El factor de ocupación es la fracción de tiempo durante la cual se emiten ultrasonidos (en forma de pulsos). La extensión espacial del pulso (SPE) es la longitud del espacio en el que se coloca un pulso ultrasónico (Fig. 6).

Arroz. 6. Extensión espacial del pulso.

Para los tejidos blandos, la extensión espacial del pulso (mm) es igual al producto de 1,54 (velocidad de propagación del ultrasonido en mm/μs) y el número de oscilaciones (ciclos) en el pulso (n) dividido por la frecuencia en MHz. O PPI = 1,54 × n/f. Se puede reducir la extensión espacial del pulso (y esto es muy importante para mejorar la resolución axial) reduciendo el número de oscilaciones en el pulso o aumentando la frecuencia. La amplitud de la onda ultrasónica es la desviación máxima de la variable física observada del valor promedio (Fig. 7).

Arroz. 7. Amplitud de la onda ultrasónica

La intensidad del ultrasonido es la relación entre la potencia de las olas y el área sobre la cual se distribuye el flujo ultrasónico. Se mide en vatios por centímetro cuadrado (W/cm2). A igual potencia de radiación, cuanto menor sea el área de flujo, mayor será la intensidad. La intensidad también es proporcional al cuadrado de la amplitud. Entonces, si la amplitud se duplica, entonces la intensidad se cuadriplica. La intensidad no es uniforme ni en el área del flujo ni, en el caso de los ultrasonidos pulsados, en el tiempo.

Al pasar por cualquier medio, se producirá una disminución en la amplitud e intensidad de la señal ultrasónica, lo que se denomina atenuación. La atenuación de la señal ultrasónica es causada por absorción, reflexión y dispersión. La unidad de atenuación es el decibel (dB). El coeficiente de atenuación es la atenuación de una señal ultrasónica por unidad de longitud de trayectoria de esta señal (dB/cm). El coeficiente de atenuación aumenta al aumentar la frecuencia. Los coeficientes promedio de atenuación de los tejidos blandos y la disminución de la intensidad de la señal del eco en función de la frecuencia se presentan en la Tabla 2.2.

REFLEXIÓN Y DISPERSIÓN

Cuando el ultrasonido pasa a través del tejido en la interfaz de medios con diferente resistencia acústica y velocidad del ultrasonido, se producen fenómenos de reflexión, refracción, dispersión y absorción. Dependiendo del ángulo, se habla de incidencia perpendicular y oblicua (en ángulo) del haz ultrasónico. Cuando el haz ultrasónico incide perpendicularmente, puede reflejarse completamente o parcialmente, pasar parcialmente a través del límite de dos medios; en este caso, la dirección del ultrasonido que pasa de un medio a otro no cambia (Fig. 8).

Arroz. 8. Incidencia perpendicular del haz ultrasónico.

La intensidad del ultrasonido reflejado y del ultrasonido que ha traspasado el límite de los medios depende de la intensidad inicial y de la diferencia en la resistencia acústica de los medios. La relación entre la intensidad de la onda reflejada y la intensidad de la onda incidente se llama coeficiente de reflexión. La relación entre la intensidad de la onda ultrasónica que atraviesa el límite del medio y la intensidad de la onda incidente se denomina coeficiente de conductividad ultrasónica. Así, si los tejidos tienen diferentes densidades, pero la misma resistencia acústica, no habrá reflexión de los ultrasonidos. Por otro lado, con una gran diferencia de resistencia acústica, la intensidad de reflexión tiende al 100%. Un ejemplo de esto es la interfaz aire/tejido blando. En el límite de estos medios se produce una reflexión casi completa del ultrasonido. Para mejorar la conducción de los ultrasonidos en los tejidos del cuerpo humano, se utilizan medios de conexión (gel). Con una incidencia oblicua del haz ultrasónico, se determinan el ángulo de incidencia, el ángulo de reflexión y el ángulo de refracción (Fig. 9).

Arroz. 9. Reflexión, refracción.

El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. La refracción es un cambio en la dirección de propagación de un haz ultrasónico cuando cruza el límite de medios con diferentes velocidades de ultrasonido. El seno del ángulo de refracción es igual al producto del seno del ángulo de incidencia por el valor obtenido al dividir la velocidad de propagación del ultrasonido en el segundo medio por la velocidad en el primero. Cuanto mayor sea el seno del ángulo de refracción y, en consecuencia, el propio ángulo de refracción, mayor será la diferencia en las velocidades de propagación del ultrasonido en dos medios. No se observa refracción si las velocidades de propagación del ultrasonido en los dos medios son iguales o el ángulo de incidencia es 0. Hablando de reflexión, hay que tener en cuenta que en el caso de que la longitud de onda sea mucho mayor que el tamaño del irregularidades de la superficie reflectante, se produce una reflexión especular (descrita anteriormente). Si la longitud de onda es comparable a las irregularidades de la superficie reflectante o si el propio medio no es homogéneo, se produce dispersión de ultrasonidos.

Arroz. 10. Retrodispersión.

Con la retrodispersión (Fig. 10), el ultrasonido se refleja en la dirección de donde proviene el haz original. La intensidad de las señales dispersas aumenta al aumentar la heterogeneidad del medio y aumentar la frecuencia (es decir, la longitud de onda decreciente) del ultrasonido. La dispersión depende relativamente poco de la dirección del haz incidente y, por tanto, permite una mejor visualización de las superficies reflectantes, sin mencionar el parénquima de los órganos. Para que la señal reflejada se ubique correctamente en la pantalla, es necesario conocer no solo la dirección de la señal emitida, sino también la distancia al reflector. Esta distancia es igual a la mitad del producto de la velocidad del ultrasonido en el medio por el tiempo entre la emisión y la recepción de la señal reflejada (Fig. 11). El producto de la velocidad y el tiempo se divide por la mitad, ya que el ultrasonido recorre un doble camino (del emisor al reflector y viceversa), y solo nos interesa la distancia del emisor al reflector.

Arroz. 11. Medición de distancia mediante ultrasonido.

SENSORES Y ONDAS ULTRASÓNICAS

Para obtener ultrasonido, se utilizan convertidores especiales: transductores que convierten la energía eléctrica en energía ultrasónica. La producción de ultrasonidos se basa en el efecto piezoeléctrico inverso. La esencia del efecto es que si se aplica voltaje eléctrico a ciertos materiales (piezoeléctricos), su forma cambiará (Fig. 12).

Arroz. 12. Efecto piezoeléctrico inverso.

Para ello, en los dispositivos ultrasónicos se utilizan con mayor frecuencia piezoeléctricos artificiales, como el circonato o el titanato de plomo. En ausencia de corriente eléctrica, el elemento piezoeléctrico vuelve a su forma original, y cuando cambia la polaridad, la forma volverá a cambiar, pero en la dirección opuesta. Si se aplica una corriente alterna rápida a un elemento piezoeléctrico, el elemento comenzará a comprimirse y expandirse a alta frecuencia (es decir, a oscilar), generando un campo ultrasónico. La frecuencia de funcionamiento del transductor (frecuencia de resonancia) está determinada por la relación entre la velocidad de propagación del ultrasonido en el elemento piezoeléctrico y el doble espesor de este elemento piezoeléctrico. La detección de señales reflejadas se basa en el efecto piezoeléctrico directo (Fig. 13).

Arroz. 13. Efecto piezoeléctrico directo.

Las señales que regresan hacen que el elemento piezoeléctrico oscile y que aparezca una corriente eléctrica alterna en sus bordes. En este caso, el elemento piezoeléctrico actúa como sensor ultrasónico. Normalmente, los dispositivos ultrasónicos utilizan los mismos elementos para emitir y recibir ultrasonido. Por tanto, los términos “convertidor”, “transductor”, “sensor” son sinónimos. Los sensores ultrasónicos son dispositivos complejos y, según el método de escaneo de imágenes, se dividen en sensores para dispositivos de escaneo lento (de un solo elemento) y escaneo rápido (escaneo en tiempo real), mecánicos y electrónicos. Los sensores mecánicos pueden ser de uno o varios elementos (anulares). El escaneo del haz ultrasónico se puede lograr balanceando el elemento, girándolo o balanceando el espejo acústico (Fig. 14).

Arroz. 14. Sensores del sector mecánico.

La imagen en la pantalla en este caso tiene la forma de un sector (sensores sectoriales) o de un círculo (sensores circulares). Los sensores electrónicos son multielementos y, según la forma de la imagen resultante, pueden ser sectoriales, lineales, convexos (convexos) (Fig. 15).

Arroz. 15. Sensores electrónicos multielementos.

El escaneo de imágenes en un sensor sectorial se logra balanceando el haz ultrasónico con su enfoque simultáneo (Fig. 16).

Arroz. 16. Sensor de sector electrónico con antena en fase.

En los sensores lineales y convexos, el escaneo de imágenes se logra excitando un grupo de elementos con su movimiento paso a paso a lo largo del conjunto de antenas con enfoque simultáneo (Fig. 17).

Arroz. 17. Sensor lineal electrónico.

Los sensores ultrasónicos difieren en detalle entre sí en diseño, pero su diagrama de circuito se presenta en la Figura 18.

Arroz. 18. Dispositivo sensor ultrasónico.

Un transductor de un solo elemento en forma de disco en modo de emisión continua produce un campo ultrasónico, cuya forma cambia según la distancia (Fig. 19).

Arroz. 19. Dos campos de un transductor desenfocado.

A veces se pueden observar “corrientes” ultrasónicas adicionales, llamadas lóbulos laterales. La distancia desde el disco por la longitud del campo cercano (zona) se llama zona cercana. La zona más allá del límite cercano se llama lejana. La longitud de la zona cercana es igual a la relación entre el cuadrado del diámetro del transductor y 4 longitudes de onda. En la zona lejana aumenta el diámetro del campo ultrasónico. El lugar donde el haz ultrasónico se estrecha más se llama área de enfoque y la distancia entre el transductor y el área de enfoque se llama distancia focal. Existen diferentes formas de enfocar el haz de ultrasonido. El método de enfoque más sencillo es una lente acústica (Fig. 20).

Arroz. 20. Enfocar usando una lente acústica.

Con su ayuda, es posible enfocar el haz ultrasónico a una determinada profundidad, que depende de la curvatura de la lente. Este método de enfoque no permite cambiar rápidamente la distancia focal, lo que resulta inconveniente en el trabajo práctico. Otro método de enfoque es utilizar un espejo acústico (Fig. 21).

Arroz. 21. Enfocar usando un espejo acústico.

En este caso, cambiando la distancia entre el espejo y el transductor cambiaremos la distancia focal. En los dispositivos modernos con sensores electrónicos de elementos múltiples, la base del enfoque es el enfoque electrónico (Fig. 17). Con un sistema de enfoque electrónico podremos cambiar la distancia focal desde el cuadro de instrumentos, sin embargo, para cada imagen solo tendremos una zona de enfoque. Dado que para obtener imágenes se utilizan impulsos ultrasónicos muy cortos, emitidos 1.000 veces por segundo (frecuencia de repetición de impulsos de 1 kHz), el dispositivo funciona el 99,9% del tiempo como receptor de señales reflejadas. Teniendo tal reserva de tiempo, es posible programar el dispositivo de tal manera que cuando se adquiere la imagen por primera vez, se selecciona la zona de enfoque cercano (Fig. 22) y se guarda la información recibida de esta zona.

Arroz. 22. Método de enfoque dinámico.

Siguiente: seleccione la siguiente área de enfoque, reciba información y guarde. Etcétera. El resultado es una imagen compuesta enfocada en toda su profundidad. Sin embargo, cabe señalar que este método de enfoque requiere una cantidad significativa de tiempo para obtener una imagen (fotograma), lo que provoca una disminución en la velocidad de fotogramas y un parpadeo de la imagen. ¿Por qué se dedica tanto esfuerzo a enfocar el haz de ultrasonido? El hecho es que cuanto más estrecho sea el haz, mejor será la resolución lateral (lateral, azimutal). La resolución lateral es la distancia mínima entre dos objetos ubicados perpendicularmente a la dirección de propagación de la energía, que se presentan en la pantalla del monitor como estructuras separadas (Fig. 23).

Arroz. 23. Método de enfoque dinámico.

La resolución lateral es igual al diámetro del haz ultrasónico. La resolución axial es la distancia mínima entre dos objetos ubicados en la dirección de propagación de la energía, que se presentan en la pantalla del monitor como estructuras separadas (Fig. 24).

Arroz. 24. Resolución axial: cuanto más corto sea el pulso ultrasónico, mejor.

La resolución axial depende de la extensión espacial del pulso ultrasónico: cuanto más corto sea el pulso, mejor será la resolución. Para acortar el pulso se utiliza una amortiguación mecánica y electrónica de las vibraciones ultrasónicas. Como regla general, la resolución axial es mejor que la resolución lateral.

DISPOSITIVOS DE ESCANEO LENTO

Actualmente, los dispositivos de escaneo lentos (manuales, complejos) sólo tienen interés histórico. Murieron moralmente con la llegada de los dispositivos de escaneo rápido (dispositivos que funcionan en tiempo real). Sin embargo, sus componentes principales se conservan en los dispositivos modernos (por supuesto, utilizando un elemento base moderno). El corazón es el principal generador de impulsos (en los dispositivos modernos, un potente procesador) que controla todos los sistemas del dispositivo de ultrasonido (Fig. 25).

Arroz. 25. Diagrama de bloques de un escáner de mano.

El generador de impulsos envía impulsos eléctricos al transductor, que genera un impulso ultrasónico y lo envía al tejido, recibe las señales reflejadas y las convierte en vibraciones eléctricas. Estas oscilaciones eléctricas se envían luego a un amplificador de radiofrecuencia, al que normalmente se conecta un controlador de ganancia de amplitud-tiempo (VAG), un regulador para compensar la absorción de tejido en profundidad. Debido a que la atenuación de la señal ultrasónica en el tejido se produce según una ley exponencial, el brillo de los objetos en la pantalla disminuye progresivamente al aumentar la profundidad (Fig. 26).

Arroz. 26. Compensación por absorción tisular.

Usando un amplificador lineal, es decir un amplificador que amplificara proporcionalmente todas las señales daría como resultado una sobreamplificación de las señales en las inmediaciones del sensor al intentar mejorar la obtención de imágenes de objetos profundos. El uso de amplificadores logarítmicos puede solucionar este problema. La señal de ultrasonido se amplifica en proporción al tiempo de retraso de su regreso: cuanto más tarde regresa, más fuerte será la amplificación. Así, el uso de VAG permite obtener una imagen en la pantalla con el mismo brillo en profundidad. La señal eléctrica de RF así amplificada pasa luego al demodulador, donde se rectifica, se filtra y se amplifica nuevamente mediante un amplificador de vídeo y se envía a la pantalla del monitor.

Para guardar la imagen en la pantalla del monitor, se requiere memoria de video. Se puede dividir en analógico y digital. Los primeros monitores permitieron presentar información en forma analógica biestable. Un dispositivo llamado discriminador hizo posible cambiar el umbral de discriminación: las señales cuya intensidad estaba por debajo del umbral de discriminación no lo atravesaron y las áreas correspondientes de la pantalla permanecieron oscuras. Las señales cuya intensidad excedía el umbral de discriminación se presentaban en la pantalla como puntos blancos. En este caso, el brillo de los puntos no dependía del valor absoluto de la intensidad de la señal reflejada: todos los puntos blancos tenían el mismo brillo. Con este método de presentación de imágenes, llamado "biestable", los límites de los órganos y las estructuras altamente reflectantes (por ejemplo, el seno renal) eran claramente visibles, sin embargo, no fue posible evaluar la estructura de los órganos parenquimatosos. La aparición en los años 70 de dispositivos que permitían transmitir tonos de grises en la pantalla de un monitor marcó el inicio de la era de los dispositivos en escala de grises. Estos dispositivos permitieron obtener información que era inalcanzable cuando se utilizaban dispositivos con imagen biestable. El desarrollo de la tecnología informática y la microelectrónica pronto hizo posible pasar de las imágenes analógicas a las digitales. Las imágenes digitales en las máquinas de ultrasonido se forman en matrices grandes (generalmente 512 × 512 píxeles) con varios niveles de escala de grises de 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 bits). Al renderizar a una profundidad de 20 cm en una matriz de 512 × 512 píxeles, un píxel corresponderá a dimensiones lineales de 0,4 mm. En los dispositivos modernos existe una tendencia a aumentar el tamaño de la pantalla sin perder calidad de imagen, y en los dispositivos de gama media una pantalla de 12 pulgadas (30 cm de diagonal) se está volviendo común.

El tubo de rayos catódicos de un dispositivo ultrasónico (pantalla, monitor) utiliza un haz de electrones muy enfocado para producir un punto brillante en una pantalla recubierta con un fósforo especial. Utilizando placas de desviación, este punto se puede mover por la pantalla.

En Un tipo barrido (Amplitud) la distancia desde el sensor se traza a lo largo de un eje y la intensidad de la señal reflejada se traza a lo largo del otro (Fig. 27).

Arroz. 27. Barrido de señal tipo A.

En los dispositivos modernos, prácticamente no se utiliza el escaneo tipo A.

tipo B escaneo (Brillo - brillo) le permite obtener información a lo largo de la línea de escaneo sobre la intensidad de las señales reflejadas en forma de diferencias en el brillo de los puntos individuales que forman esta línea.

Ejemplo de pantalla: escaneo hacia la izquierda B, a la derecha - METRO y cardiograma.

tipo M (a veces TM) barrido (Movimiento) le permite registrar el movimiento (movimiento) de las estructuras reflectantes en el tiempo. En este caso, los movimientos de las estructuras reflectantes en forma de puntos de diferente brillo se registran verticalmente y horizontalmente: el desplazamiento de la posición de estos puntos en el tiempo (Fig. 28).

Arroz. 28. Escaneo tipo M.

Para obtener una imagen tomográfica bidimensional, es necesario mover la línea de escaneo a lo largo del plano de escaneo de una forma u otra. En los dispositivos de escaneo lento, esto se lograba moviendo manualmente el sensor a lo largo de la superficie del cuerpo del paciente.

DISPOSITIVOS DE ESCANEO RÁPIDO

Los dispositivos de escaneo rápido o, como se les llama más a menudo, dispositivos en tiempo real, ahora han reemplazado por completo a los dispositivos de escaneo lentos o manuales. Esto se debe a una serie de ventajas que tienen estos dispositivos: la capacidad de evaluar el movimiento de órganos y estructuras en tiempo real (es decir, casi en el mismo momento); una fuerte reducción del tiempo dedicado a la investigación; la capacidad de realizar investigaciones a través de pequeñas ventanas acústicas.

Si los dispositivos de escaneo lento se pueden comparar con una cámara (obteniendo imágenes fijas), entonces los dispositivos en tiempo real se pueden comparar con el cine, donde las imágenes fijas (fotogramas) se reemplazan entre sí con alta frecuencia, creando la impresión de movimiento.

Los dispositivos de escaneo rápido utilizan, como se mencionó anteriormente, sensores sectoriales mecánicos y electrónicos, sensores lineales electrónicos, sensores convexos (convexos) electrónicos y sensores radiales mecánicos.

Hace algún tiempo, aparecieron sensores trapezoidales en varios dispositivos, cuyo campo de visión tenía una forma trapezoidal, pero no mostraron ninguna ventaja sobre los sensores convexos, pero sí tenían una serie de desventajas;

Actualmente, el mejor sensor para examinar los órganos abdominales, el espacio retroperitoneal y la pelvis es el convexo. Tiene una superficie de contacto relativamente pequeña y un campo de visión muy grande en las zonas media y lejana, lo que simplifica y acelera el examen.

Cuando se escanea con un haz ultrasónico, el resultado de cada paso completo del haz se llama cuadro. El marco está formado por una gran cantidad de líneas verticales (Fig. 29).

Arroz. 29. Formación de una imagen con líneas separadas.

Cada línea es al menos un pulso ultrasónico. La frecuencia de repetición de pulsos para obtener una imagen en escala de grises en dispositivos modernos es de 1 kHz (1000 pulsos por segundo).

Existe una relación entre la frecuencia de repetición de pulsos (PRF), el número de líneas que forman un cuadro y el número de cuadros por unidad de tiempo: PRF = número de líneas × velocidad de fotogramas.

En la pantalla de un monitor, la calidad de la imagen resultante vendrá determinada, en particular, por la densidad de líneas. Para un sensor lineal, la densidad de líneas (líneas/cm) es la relación entre el número de líneas que forman un cuadro y el ancho de la parte del monitor en la que se forma la imagen.

Para un sensor de tipo sector, la densidad de líneas (líneas/grado) es la relación entre el número de líneas que forman un marco y el ángulo del sector.

Cuanto mayor sea la velocidad de fotogramas configurada en el dispositivo, menor (a una frecuencia de repetición de pulso determinada) será el número de líneas que forman el fotograma, menor será la densidad de líneas en la pantalla del monitor y menor será la calidad de la imagen resultante. Pero a una velocidad de cuadro alta tenemos una buena resolución temporal, lo cual es muy importante para los estudios ecocardiográficos.

DISPOSITIVOS DE GRÁFICA DOPPLER

El método de investigación por ultrasonido permite obtener no solo información sobre el estado estructural de órganos y tejidos, sino también caracterizar los flujos en los vasos. Esta capacidad se basa en el efecto Doppler: un cambio en la frecuencia del sonido recibido cuando se mueve en relación con el entorno de la fuente o receptor del sonido o del cuerpo que dispersa el sonido. Se observa debido a que la velocidad de propagación del ultrasonido en cualquier medio homogéneo es constante. Por tanto, si una fuente sonora se mueve a una velocidad constante, las ondas sonoras emitidas en la dirección del movimiento se comprimen, aumentando la frecuencia del sonido. Las ondas emitidas en dirección opuesta parecen estirarse, provocando una disminución en la frecuencia del sonido (Fig. 30).

Arroz. 30. Efecto Doppler.

Comparando la frecuencia del ultrasonido original con la modificada, es posible determinar el desplazamiento de Doller y calcular la velocidad. No importa si el sonido lo emite un objeto en movimiento o si el objeto refleja ondas sonoras. En el segundo caso, la fuente de ultrasonido puede ser estacionaria (sensor ultrasónico) y los glóbulos rojos en movimiento pueden actuar como reflector de ondas ultrasónicas. El desplazamiento Doppler puede ser positivo (si el reflector se mueve hacia la fuente de sonido) o negativo (si el reflector se aleja de la fuente de sonido). Si la dirección de incidencia del haz ultrasónico no es paralela a la dirección de movimiento del reflector, es necesario corregir el desplazamiento Doppler por el coseno del ángulo q entre el haz incidente y la dirección de movimiento del reflector (Fig. 31).

Arroz. 31. Ángulo entre el haz incidente y la dirección del flujo sanguíneo.

Para obtener información Doppler, se utilizan dos tipos de dispositivos: onda constante y pulsada. En un dispositivo Doppler de onda continua, el sensor consta de dos transductores: uno de ellos emite ultrasonidos constantemente y el otro recibe constantemente señales reflejadas. El receptor detecta el desplazamiento Doppler, que suele ser -1/1000 de la frecuencia de la fuente de ultrasonido (rango audible) y transmite la señal a los altavoces y, en paralelo, al monitor para una evaluación cualitativa y cuantitativa de la forma de onda. Los dispositivos de onda continua detectan el flujo sanguíneo a lo largo de casi todo el recorrido del haz de ultrasonidos o, en otras palabras, tienen un gran volumen de control. Esto puede causar que se obtenga información inadecuada cuando múltiples vasos ingresan al volumen de control. Sin embargo, un volumen de referencia grande es útil para calcular la caída de presión en la estenosis valvular.

Para evaluar el flujo sanguíneo en un área específica, es necesario colocar un volumen de control en el área de interés (por ejemplo, dentro de un vaso específico) bajo control visual en la pantalla de un monitor. Esto se puede lograr mediante el uso de un dispositivo de pulso. Existe un límite superior para el desplazamiento Doppler que puede detectarse mediante instrumentos pulsados ​​(a veces llamado límite de Nyquist). Es aproximadamente la mitad de la frecuencia de repetición del pulso. Cuando se excede, se produce una distorsión del espectro Doppler (aliasing). Cuanto mayor sea la frecuencia de repetición del pulso, mayor será el desplazamiento Doppler que se podrá determinar sin distorsión, pero menor será la sensibilidad del dispositivo a los flujos de baja velocidad.

Debido al hecho de que los pulsos ultrasónicos enviados al tejido contienen una gran cantidad de frecuencias además de la principal, y también al hecho de que las velocidades de las secciones individuales del flujo no son las mismas, el pulso reflejado consta de una gran número de frecuencias diferentes (Fig. 32).

Arroz. 32. Gráfico del espectro de pulsos ultrasónicos.

Usando la transformada rápida de Fourier, el contenido de frecuencia del pulso se puede representar en forma de un espectro, que se puede mostrar en la pantalla del monitor en forma de curva, donde las frecuencias de desplazamiento Doppler se representan horizontalmente y la amplitud de cada componente se traza verticalmente. Usando el espectro Doppler, es posible determinar una gran cantidad de parámetros de velocidad del flujo sanguíneo (velocidad máxima, velocidad al final de la diástole, velocidad promedio, etc.), sin embargo, estos indicadores dependen del ángulo y su precisión es extremadamente depende de la precisión de la corrección del ángulo. Y si en los vasos grandes no tortuosos la corrección del ángulo no causa problemas, en los vasos pequeños tortuosos (vasos tumorales) es bastante difícil determinar la dirección del flujo. Para resolver este problema, se han propuesto varios índices casi independientes del ángulo, los más comunes son el índice de resistencia y el índice de pulsación. El índice de resistencia es la relación entre la diferencia entre las velocidades máxima y mínima y la velocidad máxima del flujo (Fig. 33). El índice de pulsación es la relación entre la diferencia entre las velocidades máxima y mínima y la velocidad promedio del flujo.

Arroz. 33. Cálculo del índice de resistencia y del índice de pulsador.

La obtención de un espectro Doppler a partir de un único volumen de control permite evaluar el flujo sanguíneo en un área muy pequeña. Las imágenes de flujo en color (mapeo Doppler en color) proporcionan información 2D en tiempo real sobre el flujo sanguíneo, además de las imágenes en escala de grises 2D convencionales. La imagen Doppler color amplía las capacidades del principio de imagen pulsada. Las señales reflejadas desde estructuras estacionarias se reconocen y presentan en escala de grises. Si la señal reflejada tiene una frecuencia diferente a la emitida, esto significa que fue reflejada por un objeto en movimiento. En este caso se determina el desplazamiento Doppler, su signo y el valor de la velocidad media. Estos parámetros se utilizan para determinar el color, la saturación y el brillo. Normalmente, la dirección del flujo hacia el sensor está codificada en rojo y la dirección alejada del sensor en azul. El brillo del color está determinado por la velocidad del flujo.

En los últimos años ha surgido una variante del mapeo Doppler color, denominada “Power Doppler”. Con el Doppler de potencia lo que se determina no es el valor del desplazamiento Doppler en la señal reflejada, sino su energía. Este enfoque permite aumentar la sensibilidad del método a bajas velocidades y hacerlo casi independiente del ángulo, aunque a costa de perder la capacidad de determinar el valor absoluto de la velocidad y la dirección del flujo.

ARTEFACTOS

Un artefacto en el diagnóstico por ultrasonido es la aparición de estructuras inexistentes en la imagen, la ausencia de estructuras existentes, la ubicación incorrecta de las estructuras, el brillo incorrecto de las estructuras, los contornos incorrectos de las estructuras, los tamaños incorrectos de las estructuras. La reverberación, uno de los artefactos más comunes, ocurre cuando se golpea un pulso ultrasónico entre dos o más superficies reflectantes. En este caso, parte de la energía del pulso ultrasónico se refleja repetidamente desde estas superficies, y cada vez regresa parcialmente al sensor a intervalos regulares (Fig. 34).

Arroz. 34. Reverberación.

El resultado de esto será la aparición en la pantalla del monitor de superficies reflectantes inexistentes, que se ubicarán detrás del segundo reflector a una distancia igual a la distancia entre el primer y segundo reflector. A veces es posible reducir la reverberación cambiando la posición del sensor. Una variante de la reverberación es un artefacto llamado "cola de cometa". Se observa cuando el ultrasonido provoca vibraciones naturales de un objeto. Este artefacto se observa a menudo detrás de pequeñas burbujas de gas o pequeños objetos metálicos. Debido a que no siempre toda la señal reflejada regresa al sensor (Fig. 35), aparece un artefacto de la superficie reflectante efectiva, que es más pequeño que la superficie reflectante real.

Arroz. 35. Superficie reflectante eficaz.

Debido a este artefacto, el tamaño de los cálculos determinado mediante ecografía suele ser ligeramente menor que el tamaño real. La refracción puede hacer que un objeto se coloque incorrectamente en la imagen resultante (Figura 36).

Arroz. 36. Superficie reflectante eficaz.

Si la trayectoria del ultrasonido desde el sensor hasta la estructura reflectante y viceversa no es la misma, se produce una posición incorrecta del objeto en la imagen resultante. Los artefactos especulares son la apariencia de un objeto ubicado en un lado de un reflector potente en el otro lado (Fig. 37).

Arroz. 37. Artefacto espejo.

A menudo se producen artefactos especulares cerca de la apertura.

El artefacto de sombra acústica (Fig. 38) ocurre detrás de estructuras que reflejan o absorben fuertemente los ultrasonidos. El mecanismo de formación de una sombra acústica es similar al de una sombra óptica.

Arroz. 38. Sombra acústica.

El artefacto de pseudoamplificación distal de la señal (Fig. 39) ocurre detrás de estructuras que absorben débilmente los ultrasonidos (formaciones líquidas que contienen líquido).

Arroz. 39. Eco seudorealzado distal.

El artefacto de las sombras laterales está asociado con la refracción y, a veces, la interferencia de las ondas ultrasónicas cuando el haz ultrasónico incide tangencialmente sobre una superficie convexa (quiste, vesícula biliar cervical) de una estructura, cuya velocidad de ultrasonido es significativamente diferente de la de los tejidos circundantes. (Figura 40).

Arroz. 40. Sombras laterales.

Los artefactos asociados con la determinación incorrecta de la velocidad del ultrasonido surgen debido al hecho de que la velocidad real de propagación del ultrasonido en un tejido en particular es mayor o menor que la velocidad promedio (1,54 m/s) para la cual está programado el dispositivo (Fig. 41).

Arroz. 41. Distorsión por diferencias en la velocidad del ultrasonido (V1 y V2) por diferentes medios.

Los artefactos en el espesor del haz de ultrasonido son la aparición, principalmente en órganos que contienen líquido, de reflejos en las paredes debido a que el haz de ultrasonido tiene un grosor específico y parte de este haz puede formar simultáneamente una imagen del órgano y una imagen de las estructuras adyacentes ( Figura 42).

Arroz. 42. Artefacto de espesor del haz ultrasónico.

CONTROL DE CALIDAD DE EQUIPOS DE ULTRASONIDOS

El control de calidad de los equipos ultrasónicos incluye la determinación de la sensibilidad relativa del sistema, resolución axial y lateral, zona muerta, correcto funcionamiento del distanciómetro, precisión de registro, correcto funcionamiento del VAG, determinación del rango dinámico de la escala de grises, etc. Para controlar la calidad del funcionamiento de los dispositivos de ultrasonido, se utilizan objetos de prueba especiales o fantasmas equivalentes a tejidos (Fig. 43). Están disponibles comercialmente, pero no se utilizan mucho en nuestro país, lo que hace casi imposible verificar los equipos de diagnóstico por ultrasonido en el sitio.

Arroz. 43. Objeto de prueba del Instituto Americano de Ultrasonido en Medicina.

EFECTO BIOLÓGICO DEL ULTRASONIDO Y SEGURIDAD

El efecto biológico de la ecografía y su seguridad para el paciente es un tema de debate constante en la literatura. El conocimiento sobre los efectos biológicos de los ultrasonidos se basa en el estudio de los mecanismos de los ultrasonidos, el estudio del efecto de los ultrasonidos en cultivos celulares, estudios experimentales en plantas, animales y, finalmente, estudios epidemiológicos.

El ultrasonido puede provocar efectos biológicos a través de efectos mecánicos y térmicos. La atenuación de la señal ultrasónica se produce debido a la absorción, es decir. convertir la energía de las ondas ultrasónicas en calor. El calentamiento del tejido aumenta al aumentar la intensidad del ultrasonido emitido y su frecuencia. La cavitación es la formación en un líquido de burbujas pulsantes llenas de gas, vapor o una mezcla de ambos. Una de las causas de la cavitación puede ser una onda ultrasónica. Entonces, ¿la ecografía es perjudicial o no?

Las investigaciones relacionadas con los efectos del ultrasonido en las células, los trabajos experimentales en plantas y animales y los estudios epidemiológicos han llevado al Instituto Americano de Ultrasonido en Medicina a hacer la siguiente afirmación, que fue confirmada por última vez en 1993:

"Nunca se han documentado efectos biológicos en pacientes u operadores de dispositivos causados ​​por la irradiación (ultrasonido) a la intensidad típica de las instalaciones de diagnóstico por ultrasonido actuales. Aunque es posible que tales efectos biológicos puedan identificarse en el futuro, la evidencia actual indica que la "El beneficio para el paciente del uso prudente del ultrasonido de diagnóstico supera el riesgo potencial, si lo hubiera".

NUEVAS DIRECCIONES EN EL DIAGNÓSTICO POR ULTRASONIDOS

Hay un rápido desarrollo del diagnóstico por ultrasonido y una mejora constante de los dispositivos de diagnóstico por ultrasonido. Podemos suponer varias direcciones principales para el futuro desarrollo de este método de diagnóstico.

Es posible mejorar aún más las técnicas Doppler, especialmente las imágenes Power Doppler y Doppler color tisular.

La ecografía tridimensional puede convertirse en un área muy importante del diagnóstico por ultrasonido en el futuro. Actualmente, existen varias unidades de diagnóstico por ultrasonido disponibles comercialmente que permiten la reconstrucción de imágenes tridimensionales; sin embargo, la importancia clínica de esta dirección aún no está clara.

El concepto de utilizar agentes de contraste ecográficos fue propuesto por primera vez por R. Gramiak y P. M. Shah a finales de los años sesenta durante los estudios ecocardiográficos. Actualmente, existe un agente de contraste Echovist (Schering) disponible comercialmente que se utiliza para obtener imágenes del lado derecho del corazón. Recientemente se ha modificado para reducir el tamaño de las partículas de contraste y puede reciclarse en el sistema circulatorio humano (Levovist, Schering). Este fármaco mejora significativamente la señal Doppler, tanto espectral como de color, lo que puede ser esencial para evaluar el flujo sanguíneo del tumor.

La ecografía intracavitaria mediante sensores ultrafinos abre nuevas oportunidades para estudiar órganos y estructuras huecos. Sin embargo, en la actualidad, el uso generalizado de esta técnica está limitado por el alto coste de los sensores especializados, que, además, pueden utilizarse para la investigación un número limitado de veces (1÷40).

El procesamiento de imágenes por computadora para objetivar la información obtenida es un área prometedora que en el futuro puede mejorar la precisión del diagnóstico de cambios estructurales menores en los órganos parenquimatosos. Desafortunadamente, los resultados obtenidos hasta la fecha no tienen importancia clínica significativa.

Sin embargo, lo que ayer parecía un futuro lejano en el diagnóstico por ultrasonido, hoy se ha convertido en una práctica habitual y, probablemente, en un futuro próximo seremos testigos de la introducción de nuevas técnicas de diagnóstico por ultrasonido en la práctica clínica.

LITERATURA

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PREGUNTAS DE EXAMEN

1. La base del método de investigación por ultrasonido es:
   A. visualización de órganos y tejidos en la pantalla del dispositivo
   B. interacción del ultrasonido con los tejidos del cuerpo humano.
   B. recepción de señales reflejadas
   G. radiación de ultrasonido
   D. representación en escala de grises de la imagen en la pantalla del dispositivo
2. El ultrasonido es un sonido cuya frecuencia no es inferior a:
   R. 15 kHz
   B.20000Hz
   B. 1 MHz D. 30 Hz E. 20 Hz
3. La velocidad de propagación del ultrasonido aumenta si:
   A. la densidad del medio aumenta
   B. la densidad del medio disminuye
   B. la elasticidad aumenta
   D. aumento de densidad y elasticidad
   D. la densidad disminuye, la elasticidad aumenta
4. La velocidad media de propagación de los ultrasonidos en los tejidos blandos es:
   R. 1450 m/s
   B. 1620 m/s
   B. 1540 m/s
   G 1300 m/s
   D. 1420 m/s
5. La velocidad de propagación del ultrasonido está determinada por:
   Una frecuencia
   B. amplitud
   B. longitud de onda
   G. período
   D. medio ambiente
6. Longitud de onda en tejidos blandos con frecuencia creciente:
   A. disminuye
   B. permanece sin cambios
   B. aumenta
7. Teniendo los valores de velocidad y frecuencia de propagación del ultrasonido, se puede calcular:
   A. amplitud
   B. período
   B. longitud de onda
   D. amplitud y período D. período y longitud de onda
8. Con una frecuencia creciente, el coeficiente de atenuación en los tejidos blandos es:
   A. disminuye
   B. permanece sin cambios
   B. aumenta
9. ¿Cuál de los siguientes parámetros determina las propiedades del medio por el que pasa el ultrasonido?
   A. resistencia
   B. intensidad
   B. amplitud
   frecuencia G
   D. período
10. ¿Cuál de los siguientes parámetros no se puede determinar a partir de los demás disponibles?
    Una frecuencia
    B. período
    B. amplitud
    D. longitud de onda
    D. velocidad de propagación
11. El ultrasonido se refleja desde la frontera de los medios que se diferencian en:
    A. Densidad
    B. impedancia acústica
    B. velocidad de propagación ultrasónica
    G. elasticidad
    D. velocidad y elasticidad de propagación del ultrasonido
12. Para calcular la distancia al reflector, necesita saber:
    A. atenuación, velocidad, densidad.
    B. atenuación, resistencia
    B. atenuación, absorción
    D. tiempo de retorno de la señal, velocidad
    D. densidad, velocidad
13. El ultrasonido se puede enfocar:
    A. elemento curvo
    B. reflector curvo
    B. lente
    G. antena en fase
    Todo lo anterior
14. La resolución axial está determinada por:
    A. centrándose
    B. distancia al objeto
    B. tipo de sensor
    D. medio ambiente
15. La resolución transversal está determinada por:
    A. centrándose
    B. distancia al objeto
    B. tipo de sensor
    D. número de oscilaciones en un pulso
    entorno D

Capítulo del volumen I del manual de diagnóstico por ultrasonido,

escrito por el personal del Departamento de Diagnóstico por Ultrasonido

Academia Médica Rusa de Educación de Postgrado

Ultrasonido es el nombre que se le da a las ondas elásticas (ondas que se propagan en medios líquidos, sólidos y gaseosos debido a la acción de fuerzas elásticas), cuya frecuencia se encuentra fuera del rango audible para los humanos: aproximadamente 20 kHz y más.

Características útiles de las ondas ultrasónicas.

Y aunque el ultrasonido físicamente tiene la misma naturaleza que el sonido audible, diferenciándose sólo condicionalmente (en una frecuencia más alta), es precisamente gracias a su mayor frecuencia que el ultrasonido es aplicable en una serie de áreas útiles. Así, al medir la velocidad del ultrasonido en una sustancia sólida, líquida o gaseosa, se obtienen errores muy insignificantes al monitorear procesos rápidos, al determinar la capacidad calorífica específica (gas), al medir las constantes elásticas de los sólidos.

La alta frecuencia con pequeñas amplitudes permite lograr mayores densidades de flujo de energía, ya que la energía de una onda elástica es proporcional al cuadrado de su frecuencia. Además, las ondas ultrasónicas, utilizadas correctamente, permiten obtener una serie de efectos y fenómenos acústicos muy especiales.

Uno de esos fenómenos inusuales es la cavitación acústica, que se produce cuando una potente onda ultrasónica se dirige hacia un líquido. En un líquido, en el campo de los ultrasonidos, pequeñas burbujas de vapor o gas (de tamaño submicroscópico) comienzan a crecer hasta fracciones de milímetros de diámetro, pulsando a la frecuencia de la onda y colapsando en la fase de presión positiva.

La burbuja que colapsa genera un pulso de alta presión local, medido en miles de atmósferas, convirtiéndose en una fuente de ondas de choque esféricas. Los microflujos acústicos formados cerca de dichas burbujas pulsantes han tenido aplicaciones útiles para producir emulsiones, limpiar piezas, etc.

Al enfocar el ultrasonido, se obtienen imágenes de sonido en holografía acústica y en sistemas de imágenes de sonido, y concentran la energía del sonido para formar radiación dirigida con características direccionales específicas y controladas.

Utilizando una onda ultrasónica como rejilla de difracción de la luz, es posible cambiar los índices de refracción de la luz para determinados fines, ya que la densidad en una onda ultrasónica, como en principio en una onda elástica, cambia periódicamente.

Finalmente, características relacionadas con la velocidad de propagación del ultrasonido. En medios inorgánicos, los ultrasonidos se propagan a una velocidad que depende de la elasticidad y densidad del medio.

En cuanto a los medios orgánicos, la velocidad está influenciada por los límites y su naturaleza, es decir, la velocidad de fase depende de la frecuencia (dispersión). El ultrasonido se atenúa a medida que el frente de onda se aleja de la fuente: el frente diverge, el ultrasonido se dispersa y se absorbe.

La fricción interna del medio (viscosidad de corte) conduce a la absorción clásica de los ultrasonidos; además, la absorción por relajación de los ultrasonidos supera la absorción clásica; El ultrasonido se atenúa más en los gases y mucho más débil en los sólidos y líquidos. En el agua, por ejemplo, se desvanece 1.000 veces más lento que en el aire. Así, las aplicaciones industriales de los ultrasonidos están casi exclusivamente relacionadas con sólidos y líquidos.

Ultrasonido en ecolocalización y sonar (industrias alimentaria, defensa, minería)

El primer prototipo de sonar fue creado para evitar colisiones de barcos con témpanos de hielo y icebergs por el ingeniero ruso Shilovsky junto con el físico francés Langevin en 1912.

El dispositivo utilizó el principio de reflexión y recepción de ondas sonoras. La señal se envió a un punto determinado, y por el retraso de la señal de respuesta (eco), conociendo la velocidad del sonido, se pudo juzgar la distancia al obstáculo que reflejaba el sonido.

Shilovsky y Langevin comenzaron a explorar en profundidad la hidroacústica y pronto crearon un dispositivo capaz de detectar submarinos enemigos en el mar Mediterráneo a una distancia de hasta 2 kilómetros. Todos los sonares modernos, incluidos los militares, descienden de ese mismo dispositivo.

Las ecosondas modernas para estudiar la topografía del fondo constan de cuatro bloques: transmisor, receptor, transductor y pantalla. La función del transmisor es enviar a las profundidades del agua impulsos ultrasónicos (50 kHz, 192 kHz o 200 kHz), que se propagan a través del agua a una velocidad de 1,5 km/s, donde se reflejan en peces, piedras y otros objetos. y la parte inferior, luego el eco llega al receptor y se procesa en el convertidor y el resultado se muestra en la pantalla en una forma conveniente para la percepción visual.

Ultrasonido en la industria electrónica y energética.

Muchas áreas de la física moderna no pueden prescindir de los ultrasonidos. La física del estado sólido y los semiconductores, así como la electroacústica, están estrechamente relacionadas en muchos aspectos con los métodos de investigación ultrasónicos, con impactos a frecuencias de 20 kHz y superiores. Un lugar especial ocupa aquí la acustoelectrónica, donde las ondas ultrasónicas interactúan con campos eléctricos y electrones dentro de cuerpos sólidos.

Las ondas ultrasónicas volumétricas se utilizan en líneas de retardo y en resonadores de cuarzo para estabilizar la frecuencia en los sistemas electrónicos modernos para procesar y transmitir información. Las ondas acústicas superficiales ocupan un lugar especial en filtros de paso de banda para televisión, en sintetizadores de frecuencia, en dispositivos para la transferencia de carga mediante una onda acústica, en memorias y dispositivos de lectura de imágenes. Finalmente, los correlacionadores y convolucionadores utilizan el efecto acustoeléctrico transversal en su trabajo.

Radioelectrónica y ultrasonido.

Las líneas de retardo ultrasónicas son útiles para retrasar una señal eléctrica con respecto a otra. El pulso eléctrico se convierte en una oscilación mecánica pulsada de frecuencia ultrasónica, que se propaga muchas veces más lento que el pulso electromagnético; Luego, la vibración mecánica se convierte nuevamente en un impulso eléctrico, produciendo una señal que se retrasa con respecto a la aplicada originalmente.

Para tal conversión se suelen utilizar transductores piezoeléctricos o magnetoestrictivos, por lo que las líneas de retardo se denominan piezoeléctricos o magnetoestrictivos.

En una línea de retardo piezoeléctrica, se suministra una señal eléctrica a una placa de cuarzo (transductor piezoeléctrico) conectada rígidamente a una varilla de metal.

Un segundo transductor piezoeléctrico está unido al otro extremo de la varilla. El transductor de entrada recibe la señal, crea vibraciones mecánicas que se propagan a lo largo de la varilla, y cuando las vibraciones llegan al segundo transductor a través de la varilla, se obtiene nuevamente una señal eléctrica.

La velocidad de propagación de las vibraciones a lo largo de la varilla es mucho menor que la de una señal eléctrica, por lo que la señal que pasa a través de la varilla se retrasa con respecto a la suministrada por una cantidad asociada con la diferencia en las velocidades de las vibraciones electromagnéticas y ultrasónicas.

La línea de retardo magnetoestrictiva contendrá el transductor de entrada, los imanes, el conducto de audio, el transductor de salida y los absorbentes. La señal de entrada se alimenta a la primera bobina, en el conducto de sonido de la varilla hecho de material magnetoestrictivo comienzan las oscilaciones de frecuencia ultrasónica (oscilaciones mecánicas); aquí el imán crea una polarización constante en la zona de conversión y una inducción magnética inicial.

Ultrasonido en la industria manufacturera (corte y soldadura)

Se coloca un material abrasivo (arena de cuarzo, diamante, piedra, etc.) entre la fuente de ultrasonidos y la pieza. El ultrasonido actúa sobre partículas abrasivas, que a su vez golpean la pieza con una frecuencia de ultrasonido. El material de la pieza se destruye bajo la influencia de una gran cantidad de pequeños impactos de granos abrasivos; así es como se produce el procesamiento.

El corte se combina con el movimiento de avance, siendo las vibraciones de corte longitudinal las principales. La precisión del procesamiento ultrasónico depende del tamaño del grano del abrasivo y alcanza 1 micrón. De esta manera se hacen necesarios cortes complejos en la fabricación de piezas metálicas, rectificado, grabado y taladrado.

Si es necesario soldar metales diferentes (o incluso polímeros) o combinar una pieza gruesa con una placa delgada, el ultrasonido vuelve al rescate. Este es el llamado. Bajo la influencia de los ultrasonidos en la zona de soldadura, el metal se vuelve muy dúctil y las piezas se pueden girar muy fácilmente durante la conexión en cualquier ángulo. Y tan pronto como apague el ultrasonido, las piezas se conectarán y configurarán instantáneamente.

Es especialmente digno de mención que la soldadura se produce a una temperatura inferior al punto de fusión de las piezas y su conexión se produce prácticamente en estado sólido. Pero el acero, el titanio e incluso el molibdeno se sueldan de esta manera. Las láminas finas son las más fáciles de soldar. Este método de soldadura no requiere una preparación especial de la superficie de las piezas; esto se aplica tanto a metales como a polímeros.

Ultrasonido en metalurgia (detección de defectos por ultrasonidos)

La detección de defectos por ultrasonidos es uno de los métodos más eficaces para el control de calidad de piezas metálicas sin destrucción. En medios homogéneos, el ultrasonido se propaga direccionalmente sin una atenuación rápida y se caracteriza por la reflexión en los límites de los medios. De este modo, se comprueba la presencia de cavidades y grietas en las piezas metálicas (interfaz aire-metal) y se detecta una mayor fatiga del metal.

El ultrasonido es capaz de penetrar una pieza a una profundidad de 10 metros y el tamaño de los defectos detectados es del orden de 5 mm. Hay: sombra, pulso, resonancia, análisis estructural, visualización, cinco métodos de detección de fallas por ultrasonidos.

El método más simple es la detección de defectos por ultrasonidos en sombra; este método se basa en el debilitamiento de una onda ultrasónica cuando encuentra un defecto al pasar a través de una pieza, ya que el defecto crea una sombra ultrasónica. Funcionan dos convertidores: el primero emite una onda, el segundo la recibe.

Este método es insensible, se detecta un defecto sólo si su influencia cambia la señal en al menos un 15%, y además es imposible determinar la profundidad donde se encuentra el defecto en la pieza. El método ultrasónico pulsado da resultados más precisos y también muestra la profundidad;