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Principios de Ultrasonido y Aplicaciones 1 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

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Principios de Ultrasonido y Aplicaciones RESUMEN. OBJETIVO GENERAL. JUSTIFICACIN MARCO TERICO. INTRODUCCIN Y ANTECEDENTES. METODOLOGA. DESARROLLO EXPERIMENTAL. CONCLUSIONES. BIBLIOGRAFA. ANEXO 1 2 2 2 3 4 6 14 23 24 25

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RESUMEN.

El ultrasonido,a manera sencilla se entiende como una seal de audio que no puede ser captada por el odo humano, sirve en multiples aplicaciones y es en muchos casos la manera de dar solucin a problemas de una manera menos costosa, sin embargo, dependiendo de la aplicacin su implementacin puede ser de mayor o menor complejidad, su funcionamiento se remite bsicamente a los mismos principios que los materiales piezoelctricos, convirrtiendo la energa mecnica en elctrica y viceversa. Para las aplicaciones en aire, se pueden tener mayores prdidas que para aplicaciones en soluciones acuosas, esto se puede ver en las tablas que se mencionan ms delante en este artculo, y algo que puede ser de consideracin es el saber qu tan puntual va a ser la seal a emitir, para de esta manera jugar un poco con las frecuencias de las seales que pueden servirnos para lograr resultados en una aplicacin especfica, a mayor frecuencia, mayor puntualidad en el enfoque de la seal sobre un objeto determinado, es decir, que a medida que disminuye la frecuencia se tienen menos posibilidades de enfocar un objeto de menor tamao sin que la seal alcalce objetos aledaos a la pieza o parte de inters.

OBJETIVO GENERAL.

* Entender los principios bsicos de ultrasonido * Conocer las dificultades que conlleva la implementacin de un sistema que funciona con sensores de ultrasonido. * Presentar los fundamentos del ultrasonido de manera que sirvan de base para futuras investigaciones.

JUSTIFICACIN.

La razn por la cul se escogi este tema fu la no factibilidad en la implementacin de un sistema de ultrasonido para obtencin de imgenes para la siguiente situacin: El problema con matrix tray (contenedor de sliders); Consista en que los sliders se salan del matrix antes de que llegaran con el cliente. Ocasionando una queja del mismo con su respectivo rechazo de partes, lo cul causa que el cliente vaya perdiendo confianza en nuestros embarques.

Principios de Ultrasonido y Aplicaciones El alcance de este proyecto era el de detectar si un matrix tray tena 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, contaminacin, entre otros. Es importante tomar en cuenta que el tamao de los sliders es de aproximadamente 1 mm cuadrado y una altura de un tercio de esa distancia. El ultrasonido permitira hacer un escaneo del contenedor sin necesidad de abrirlo, teniendo la posibilidad de obtener una imagen que sirvira para detectar los posibles pop outs antes de embarcar al cliente. Habindose buscado informacin para la realizacin de este sistema se encontr con las siguientes dificultades : 1) Poca informacin tcnica para esta implementacin 2) El principal motivo para dejar este proyecto fu el de considerar la opinin 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 atenuara y dispersara la seal, comenta que la mejor manera de trabajar sera a bajas frecuencias, sin embargo, la resolucin estara muy comprometida. Debido a esto se decidi investigar ms al respecto para entender este tipo de tecnologa y saber sus dificultades para la implementacin, por lo cul, el alcance actual es de tipo pedaggico y se pretende lograr los objetivos anteriormente mencionados.

MARCO TERICO.

El trmino ultrasonido hace referencia a las ondas sonoras a frecuencias ms altas que las que quedan dentro del alcance del odo humano, es decir, a frecuencias superiores a los 18 Khz aproximadamente. Las ondas ultrasonicas obedecen a las mismas leyes bsicas del movimiento ondulatorio de las ondas sonoras de frecuencias ms bajas, sin embargo, tienen las siguientes ventajas: A) las ondas de frecuencias ms altas tienen longitudes de onda mas cortas, lo cual significa que la difraccin o flexin en torno a un obstaculo de dimensiones determinadas se reduce en forma correspondiente. Por lo tanto es ms fcil dirigir y enfocar un haz de ultrasonido. B) las ondas ultrasonicas pueden atravesar sin dificultad las paredes metlicas de tubo y recipientes. Esto quiere decir que el sistema de medicin 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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Principios de Ultrasonido y Aplicaciones propiedades corrosivas, radioactivas, explosivas o flamables. Tampoco existe la posibilidad de que ocurra obstruccin con fluidos sucios o pastas aguadas. C) el ultrasonido puede emitirse y propagarse a travs del tejido biolgico, lo que lo hace idneo para aplicaciones mdicas. D) el silencio del ultrasonido se aprovecha en aplicaciones militares importantes.

INTRODUCCIN Y ANTECEDENTES.

Toda radiacin al incidir sobre un objeto, en parte se refleja, en parte se transmite y en parte es absorbida. Si adems, hay un movimiento relativo entre la fuente de radiacin y reflector, se produce un cambio en la frecuencia de la radiacin ( Efecto Doppler ). Todas estas propiedades de la interaccin de una radiacin con un objeto han sido aplicadas en mayor o menor grado a la medida de diversas magnitudes fsicas. El poder de penetracin 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 inters cuando el medio es explosivo, radioactivo, etc., y cuando se desea evitar su contaminacin. Los sensores no invasivos son adems, en general, ms fciles de instalar y de mantener que los invasivos. Fundamento Cuando en un punto de un medio elstico se produce una deformacin esta no permanece localizada en l, sino que se propaga sucesivamente a los puntos prximos. Si la deformacin es debida a un movimiento vibratorio, este queda caracterizado por su frecuencia f , amplitud a y velocidad instantnea de los tomos, v. La velocidad media neta de los tomos es obviamente cero. La velocidad con que se propaga la perturbacin de unos a otros puntos, o velocidad de onda c, depende del medio pero no de la frecuencia para gases y lquidos dicha velocidad viene dada por c2 =Km D

(1)

Donde Km es el mdulo de elasticidad volumtrica ( o de compresin ) y D es la densidad. Dado que ambos parmetros dependen de la temperatura, c tambin variar con esta. Para un slido, en el caso de ondas longitudinales, la velocidad viene dada por c2 =E(1 ) D(1 )(12 )

(2a)

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Principios de Ultrasonido y Aplicaciones Donde E es el mdulo de Young y 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 2 (1+ )

(2b)

Como resultado de la perturbacin, la presin en un punto no es constante sino que vara con respecto a un valor medio. La diferencia entre la presin instantnea y la media se denomina presin acstica, p. Al cociente entre p y v - consideradas como cantidades complejas ( mdulo y fase ), ya que se supone que el problema se analiza en regimen permanente sinusoidal - , se le denomina impedancia acstica, Z Z=p v

(3)

Cuando el medio de propagacin no tiene prdidas, p y v estn en fase de modo que Z es real y se demuestra que vale Z=D$ c (4)

Donde Z es un parmetro caracterstico 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 radiacin se define como la potencia por unidad de superficie, y viene dada por I = p$= vp2 Z

(5)

Al propagarse la radiacin en un medio homogeneo, su intensidad sufre una atenuacin exponencial de la forma I = I 0 exp 2 a x (6)

Donde Io es la intesidad incidente, es el coeficiente de atenuacin que depende del medio y de la frecuencia ( aumenta al hacerlo sta ), y x es la distancia recorrida en dicho medio. Si en lugar de tratarse de un medio homogneo, la impedancia custica vara de unas a otras zonas, entonces la radiacin, adems de ser absorbida, es reflejada. Para una onda plana que viaje en direccin perpendicular a una superficie tambin plana, que separa dos medios con

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impedancias acsticas respectivas Z1 y Z2 , los coeficientes de reflexin y de transmisin de intensidad son(Z 1 Z 2 ) 2 (Z 1 +Z 2 ) 2

R=

Ir Ii

=

(7)

T=

It Ii

=

4Z 1 Z 2 (Z 1 +Z 2 ) 2

(8)

Donde Ii, Ir e It son, respectivamente, las intensidades incidente, reflejada y transmitida. Obsrvese que R+T = 1. De (7) se deduce que la reflexin es tanto mayor cuanto ms grande sea la diferencia de impedancia entre ambos medios. Esto hace prcticamente imposible medir en gases de forma no invasiva, debido a la gran diferencia entre su impedancia acstica y la de las paredes del recipiente.

METODOLOGA.

Existen varios medios posibles de producir ondas ultrasonicas. Una de las ms comunes es el cristal transductor, donde cristal se refiere a un nmero natural y sinttico de materiales que poseen piezoelectricidad o fenmenos similares. Tipos de cristales. Los tipos ms populares de sistemas de conversin electromecnica son los piezoelctricos y los magnetostrictive , aunque tambin hay otros tipos. El efecto piezoelctrico es de gran importancia en ciertos tipos de trabajo ultrasnico, aunque el magnetostrictive tambin 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 elctrica es aplicada a las caras del cristal. En algunos casos por simplicidad, el efecto electrostrictive se incluye dentro del piezoelctrico. Electrostriction se refiere a una distorsin proporcional al cuadrado del desplazamiento elctrico. Cristales como el barium Titanate muestran este efecto en un alto grado. Una vez polarizados, sin embargo, pueden ser includos en el tipo piezoelctrico. En el pasado, los cristales de cuarzo han sido utilizados casi exclusivamente para generar vibraciones ultrasonicas en slidos y lquidos. An son ampliamente utilizados para mandar y recibir a baja potencia. Los intentos para su utilizacin en alta potencia no han sido muy buenos, debido a las dificultades en el diseo del contenedor, debido a los altos voltajes requeridos. Especialmente en trabajo ultrasnico a altas frecuencias, donde puede haber contacto entre el transductor y un medio slido 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 ms altas frecuencias cuando operan a una frecuencia armnica.

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Principios de Ultrasonido y Aplicaciones FIG.1 Lmina para determinar caractersticas electromecnicas de varios cristales. Langevin fu quien encontr que los cristales de cuarzo podan servir para propsitos ultrasnicos como la deteccin 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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Principios de Ultrasonido y Aplicaciones Los cristales de cuarzo tienen la propiedad de expanderse y mandar una onda ultrasnica cuando se le aplica un voltaje, y tambin puede producir una seal elctrica cuando se hace vibrar mecnicamente. Adems del cuarzo, Rochelle salt es uno de los materiales de mayor uso en la generacin de ultrasonido, especialmente en rangos de baja frecuencia. El efecto piezoelctrico es considerablemente mayor que en el cuarzo. Sin embargo, las unidades son ms delicadas y por lo tanto ms suceptibles a daos. 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, economa, 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 ms comunmente.

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FIG. 3 , Ejes cristalogrficos. (a) Cuarzo, (b) Rochelle Salt, (c) Ammonium dihydrogen phosphate, (d) Sulfato de litio.

Debido a que genera ondas longitudinales ( ondas L ). Para la produccin de ondas shear, se utilizan los cristales con contes en Y; aunque este tipo de ondas no viaja a travs de lquidos o gases, donde no existe elasticidad shear. Adems para su trabajo en slidos, stos deben ser acoplados por medios especiales. Razn por la cul, no son ampliamente usados.

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Principios de Ultrasonido y Aplicaciones El cuarzo natural es un material extremadamente estable, tanto qumica como fsicamente, tambin es muy duro. El cristal es normalmente encontrado en forma de prismas de seis lados con terminaciones en sus extremos en forma de pirmides. Si se unen estas pirmides por una lnea, podemos observar el llamado eje ptico o eje Z. Los ejes X, son tambin llamados elctricos, y estn definidos por lneas que pasan a travs 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 tambin 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 caractersticas. Los blanks pueden ser cortados para vibracin fundamental de hasta 15 Mhz. Arriba de esta frecuencia, se hacen tan delgados que pueden fallar mecnicamente de una manera muy fcil. De igual manera pueden cortarse para ms altas frecuencias pero a frecuencias subarmnicas. Los cristales deben tener caras paralelas y deben ser pulidos libres de cualquier tipo de grieta o picadura, de otra forma no vibrarn libremente. Para fines de trabajo ultrasnico, el acabado de esmeril ptico es satisfactorio. EFECTO PIEZOELCTRICO. La caracterstica de cristales que desarrollan una carga elctrica cuando se les aplica una presin mecnica o un voltaje, fu descubierta por los hermanos Curie, aunque este fenmeno fu posteriormente llamado efecto piezoelctrico. Descubrieron la relacin entre la presin y su carga producida, as como el cambio de signo de la carga cuando la presin era cambiada a voltaje o viceversa. El eje polar de un cuarzo es la direccin donde mayor carga aparece. Por lo cul 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 ngulos derechos del eje para obtener el mximo efecto. Cuando un cristal es cortado en el eje X o Y, tiene la caracterstica de que presin 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, producir las mismas cargas que la presin en el eje X, pero como resultado de aplicar un voltaje en el eje Y. Cuando la tensin es cambiada a presin, 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 est adecuandamente diseado para oscilar a esa frecuencia, seguir el campo aplicado. Las caras del cristal se movern la una respecto de la otra; y si una de las caras es presionada contra la superficie de una medio, se producirn ondas ultrasnicas que entrarn al medio y viajarn a travs de l. (siempre y cuando el medio sea capz de soportar la propagacin 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 vibracin de una cristal con corte X. El cristal tambin puede oscilar en cualquier armnico, usualmente un impar. En vibracin armnica, los patrones resultantes son ms complicados. Los cristales normalmente no vibran en solo una direccin, aunque se diseen para ello, siempre hay movimiento en otras direcciones. Debido a ello, los cristales que se disean para vibrar en direccin X, no deben ser sostenidos rgidamente sobre sus orillas, debido a que esto puede atenuar bastante sus vibraciones. Por esta razn los cristales son dejados relativamente sueltos en todas direcciones distintas para la cul fu diseado, debido a este tipo de situaciones el diseo del cristal para vibrar en las caras puede llegar a ser complicado. EFECTO PIEZOELCTRICO INVERSO. En 1881, Lippmann predijo el efecto inverso, seal que no solo hacindo vibrar el cristal mecnicamente causaba cargas, sino que poniendo cargas elctricas producira vibraciones mecnicas. Este efecto se conoce como recproco longitudinal o efecto recproco transversal, dependiendo de si el cristal acta en la direccin X o Y . Adems si el signo de la carga cambia, la contraccin se convierte en expansin y viceversa. La cantidad de contraccin y expansin fu calculada por Voight, quien demostr que el efecto longitudinal depende del voltaje aplicado y no de las dimensiones del cristal. Para un voltaje de 3000 volts aplicado en la direccin X, la expansin es aproximadamente 6.36 X 10 -7 cm/cm2. La cantidad de carga que aparece es determinada por una caracterstica del cristal, conocida como Mdulo Piezoelctrico (es una constante), para el cuarzo es de aproximadamente d = 6.32X10 2 esu Kg

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Principios de Ultrasonido y Aplicaciones Sin embargo, aunque la carga es proporcional a la fuerza y al mdulo, tambin es esencialmente independiente del grosor del cristal, temperatura y rea en un amplio rango. Ny Tse Ze, examin las limitaciones del efecto piezoelctrico, descubri que los cambios en las dimensiones del cuarzo eran proporcionales al voltaje aplicado hasta una aplicacin de 3000 volts / cm. Arriba de este punto el cambio en dimensiones alcanza un lmite. Tambin descubri que la temperatura no debe exceder los 300C. La actividad piezoelctrica es prcticamente constante entre temperaturas de 20 a 300C, pero arriba de este lmite, el mdulo piezoelctrico cae rpidamente. Cuando los cristales van a funcionar en altas temperaturas, deben ser calentados gradualmente, de lo contrario fallarn. DISEO 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 excitacin en el blank y para hacer contacto con la carga producida por la vibracin del cristal. El electrodo puede ser un enchapado ( de algn metal) o simplemente una placa de metal. Para una frecuencia fundamental, una vibracin longitudinal es producida en la dimensin 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=k 2

La densidad del cristal de cuarzo es 2.654 g/ cm 3; el mdulo de Young es 770 X 10 9 g/ cm/seg2. La velocidad de ondas ultrasnicas en el cuarzo en esta direccin es c= Como k =c E d cm = 540X10 3 seg

y

t=

k

, entonces f=c t

=

2700 KHz seg t

Donde t es el grosor en milmetros.

BARIUM TITANATE. Es un trmino genrico que cubre un nmero de componentes que pueden ser moldeados a cristales con propiedades electrostrictive. Las dimensiones fsicas de una barra o disco de barium titanate cambian en proporcin al voltaje aplicado, al menos tanto como el voltaje es menor comparado al voltaje que se utiliza para prepolarizar el cristal. La prepolarizacin es necesaria para hacer el material piezoelctrico, dado que no tienen esta propiedad como intrnseca. La prepolarizacin es llevada a cabo poniendo un campo elctrico a travs del cristal a temperaturas sobre el punto de Curie de aprox. 120C y posteriormente se enfra gradualmente. Este voltaje est alrededor de los 2000 volts/ cm de grosor. As pus, resulta un cristal que lleva a cabo muchas de las funciones de un cuarzo, pero su impedancia elctrica es baja,

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por lo cul el voltaje que debe aplicarse a travs de l para su operacin, tambin es bajo. El rango de voltaje entre el cuarzo y el titanate es cerca de 100, i.e., 1 /100 del voltaje producir la misma potencia. Las formas de este tipo de materiales es variada, lo ms comn son discos delgados, barras, cilindros huecos, y secciones de esferas. Se les pintan o chapean caras de plata a las superficies sobre las cules se aplican los voltajes elctricos. Tabla 1 , caractersticas de cristales.

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Principios de Ultrasonido y Aplicaciones DESARROLLO EXPERIMENTAL. EJEMPLOS DE SISTEMAS ULTRASNICOS DE MEDICIN. (Tcnicas de reflexin de pulso o de eco pulso.) El principio de este mtodo se muestra en la fig 5 , a continuacin.

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Un cristal piezoelctrico transmite un pulso ultrasnico en el material (1). Si las impedancias caractersticas de los materiales (1) Y (2) son substancialemente diferentes, la mayor parte de la energa del pulso se reflejar entonces en la frontera. El pulso reflejado se detecta por el cristal ( que ahora acta 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 =2l 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 medicin se complica por la creacin de reflexiones mltiples 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, desvanecindose la amplitud de los pulsos reflejados a causa de las prdidas por atenuacin en el material (1) y prdidas por reflexin en las fronteras. La figura 5 muestra la seal observada en la pantalla del osciloscopio. La seal de pulso debe obedecer a las siguientes condiciones. (a) El ancho del pulso TW debe ser grande comparado con el perodo 1 / f de la onda sonora. Esto asegura que haya muchos ciclos, es decir, energa suficiente, en cada pulso: T W >>1 f

(b) El tiempo de transicin TT debe ser grande comparado con el ancho del pulso TW para evitar interferencia entre pulsos salientes y reflejados. T T >> T W (c) El tiempo de repeticin TR entre pulsos salientes sucesivos debe ser grande comparado con el tiempo de transicin TT. Esto asegura que todas las reflexiones, al seguir a un pulso saliente, se atenen antes de que la siguiente penetre en el material: T R >> T T As, para un objeto metlico con l = 0.2 m y c = 5 X 10 3 m/s, TT = 80 s. Si f = 1 Mhz, entonces se cumplen las condiciones descritas con TW = 15 s, TR = 1 ms. A causa de la diferencia considerable en la impedancia caracterstica entre la mayora de los slidos y el aire, este mtodo puede emplearse para medir el espesor de materiales. Tambin se

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Principios de Ultrasonido y Aplicaciones emplean comnmente tcnicas de reflexin de pulsos para la deteccin de grietas en metales. Aqu la frecuencia f se elige de modo que la longitud de onda del sonido sea pequea en comparacin con el tamao de los defectos por detectar. La diferencia grande en impedancia caracterstica entre gases y lquidos significa que ocurre una reflexin casi perfecta en una interfaz de lquidogas, y que estas tcnicas son aplicables a la medicin del nivel. El anlisis de las prdidas en interfaz sugerira que es mejor montar el cristal en la base del recipiente, dirigiendo las ondas hacia arriba a travs del lquido, en lugar de montarlo en la parte superior del recipiente, dirigiendo las ondas hacia abajo a travs del gas. Sin embargo, la mayora de los sistemas ultrasnicos comerciales de medicin del nivel utilizan el segundo mtodo porque ofrece mayor facilidad de instalacin y mantenimiento. Otra aplicacin importante de las tcnicas de reflexin de pulsos es en la formacin de imgenes de zonas del cuerpo humano.La fig 6a muestra, en forma simplificada, las diversas capas de un tejido. La impedancia caracterstica de estas capas es diferente; por ejemplo, la impedancia del hueso es aproximadamente 0.8 X 10 7 , mientras que la del tejido biolgico blando es aproximadamente 0.15 X 10 7 . Un transductor piezoelctrico se coloca en la capa de la epidermis, la cul tiene una impedancia caracterstica cercana a la del tejido blando o una capa de equiparacin. Esto minimiza las reflexiones internas en la frontera del transductor y la epidermis y el problema de ecos mltiples. La fig.6b muestra el registro de un osciloscopio, obtenido cuando se utiliza el sistema bsico 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 exploracin A, es considerablemente difcil de interpretar; se obtiene una imagen ms real utilizando un despliegue de exploracin B. El transductor se conecta a dos sensores de desplazamiento que miden las coordenadas de posicin 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 travs del cuerpo, a las placas Y. La brillantez de la imagen en la pantalla es proporcional al voltaje de salida del transductor (modulacin 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). As, la exploracin B forma la imagen de una rebanada de algn punto del cuerpo, normal a la superficie. Otra alternativa es el despliegue de exploracin C; sta 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 modulacin Z. Para esta aplicacin es bueno considerar qu 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 utilizarn, tambin en algunas ocasiones depende del paciente, dado que por ejemplo para escaneos de busto dependiendo del tamao tambin puede variar la frecuencia a utilizar.

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Principios de Ultrasonido y Aplicaciones Es importante saber que parte del truco de obtener imgenes 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 seal.

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Los rangos de frecuencia que se utilizan, estn 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. Adems es importante saber que para aplicaciones de escaneo se necesita un agente acoplador de la seal (GEL), dado que de esta manera la prdida de la misma es mnima, la atenuacin en aire es importante y por ello se utilizan los gel, tambin 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 fro, muchas ocasiones para pacientes con hipersensibilidad, puede utilizarse gel tibio, esto es comn 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 ms 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 continuacin se muestran algunas imgenes obtenidas por escaneo, as como algunos transductores, marcas de gel y equipos completos para esta aplicacin.

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 aplicacin es el medidor de flujo, el cul utiliza el efecto Doppler, a continuacin un diagrama a bloques de este medidor:

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

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Principios de Ultrasonido y Aplicaciones Algunas otras aplicaciones son: Pruebas de distancia, pruebas de materiales (ej.rayaduras o cracks), grosor de materiales, forma, pruebas de fatiga, de absorcin, equipos mdicos, diagnstico, terapia, ciruga, soldado de piezas, limpieza de materiales, alarmas, medidores de viscosidad, de flujo, radares, analizadores de gases, medicin de capas de la piel, captacin de imgenes para diagnstico mdico.

CONCLUSIONES.

La implementacin de un sistema ultrasnico depende de la complejidad del problema. En general la dificultad para su implementacin consiste en tener suficientes conocimientos sobre las bases del ultrasonido, materiales adecuados para la implementacin y suficiente tiempo para hacer mltiples pruebas. Es muy recomendable tener experiencia, dado que aunque para un sistema de lo ms simple como el que se muestra en los esquemticos se puede conseguir el material para implementarlo relativamente fcil, se necesita jugar un poco con los circuitos para poder sintonizar las frecuencias y de ser necesario filtrar las seales de manera adecuada, esto sin contar con que el propsito del mismo es meramente didctico, porque para buscar una aplicacin ya entran otros factores que tienen que ver directamente con lo que se desea medir. Si se desea implementar el sensor en s, se puede decir que es posible, sin embargo, como se menciona en este documento, es necesario tener cuidado a la hora de disearlo, ya que los materiales para dicho propsito tienen caractersticas propias de las cuales depende la frecuencia de oscilacin natural, as como tambin la misma depende de la calidad del pulido del cristal. Adems el tipo de cortes que se deben realizar debern depender de la aplicacin para la que se desea utilizar para tener un ptimo desempeo.

BIBLIOGRAFA.

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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Principios de Ultrasonido y Aplicaciones Chemical Engineering / December 1996 CHEMENTATOR Pag. 25

IEEE Computer Graphics & Applications, Visualization of 3D Ultrasound Data Nov/93 Scientific American Ultrasounds New Phase Junio/1996 Pag. 22-24

Libros Sistemas de medicin principios y aplicaciones 2da. Edicin John P. Bentley B. CECSA 2000 Sensores y acondicionadores de seal 3ra. Edicin Ramon Pallas A. ALFAOMEGA 2001 Ultrasonics 2nd Edition Benson Carlin Mc Graw Hill 1960

ANEXO 1. HOJAS DE FABRICANTE DE TRANSDUCTORES PIEZOELCTRICOS. SONATECH Y TOKIN son algunos de los fabricantes de transductores Aqu se puede obtener sobre los piezoelctricos: Http://www.tokin.com/products/product-search.html A continuacin se anexan hojas de uno de los tipos de piezoelctricos.

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