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ULTRASONIDO

Componentes de electrónica analógica I

Ing. Enrique M. Avila Perona


Ultrasonido: Principios físicos


Ultrasonido: Principios físicos

Material

Velocidad ( m/s)

Aire

330

Agua

1497

Metal

3000 - 6000

Grasa

1440

Sangre

1570

Tejidos blandos

1540


Doppler: Principios físicos

El efecto Doppler, llamado así por el físico austríaco Christian

Andreas Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una

onda producido por el movimiento relativo de la fuente

respecto a su observador

confirmó que el tono de un sonido emitido por una fuente que

se aproxima al observador es más agudo que si la fuente se

aleja


http://es.wikipedia.org/wiki/Christian_Andreas_Doppler



Definición

• Son ondas sonoras (mecánicas) que

superan el umbral humano.(>20 KHz)


La generación de US se realiza por medio de un oscilador

electrónico que entrega su energía alterna a un material

piezoeléctrico, tiene la propiedad de deformarse al aplicarle

una tensión y viceversa.

El material piezoeléctrico se talla de manera tal que su

frecuencia natural coincida con la frecuencia del oscilador

eléctronico.

Características


Física de US

• Intensidad Acústica

Potencia sonora que fluye por unidad de

superficie

• Terapéutica

– 5 Watt/cm2

• Diagnóstico

– 0.5 Watt/cm2


Velocidades

• La velocidad es distinta y depende del tejido.

• Aire 3.48 m/seg

• Acero 3.324 m/seg

• Sangre 1,57 m/seg

• Higado 1.54 m/seg

• Hueso 3.3 m/seg

• Agua a 25º C 1.497 m/seg


Impedancia acústica

Z = Velocidad x densidad Z = v

La velocidad del sonido en un medio multiplicada por las

densidad del mismo, da una magnitud que se llama

Impedancia Acústica característica, Z = v

En materiales de baja impedancia las ondas pierden

potencia rápidamente y alta imp. La inversa.

Las ondas transcurren con facilidad por un medio que tenga

una elevada Z.

Atraviesan con facilidad el acero, menos fácilmente el agua

y difícilmente el aire.


Un transductor

1. Produce un sonido

2. Modifica un sonido

3. Almacena un sonido

4. Convierte energía de un tipo en energía de otro

tipo

Los transductores directos cumplen la ley de

reciprocidad

Características

1. Rango de operación

2. Sensibilidad

3. Compatibilidad

4. Robustez

5. Características de la señal de salida

Transductores


Generación de Ultrasonidos

Oscilador electrónico que entrega c.a. a un material de Piezoeléctrico

Cuarzo (SiO2);

– Cerámicos

• Óxidos metálicos Ba Pb con TI y Zr

• Sulfato de Litio – Trabajan a 10 MHZ

• Ventajas: • Estabilidad Temp

• Envejecimiento


Tipos de transductores

• Electroacústico

• Electromagnético

• Electromecánico

• Electroquímico

• Electroestático

• Fotoeléctrico

• Magnetoestrictivo

• Piezoeléctrico: Convierten un cambio en la magnitud que se va

a medir en un cambio en la carga electrostática o tensión

generada a ciertos materiales cuando se encuentran sometidos

a un esfuerzo mecánico.

• Radiacústico


Los ahuyentadores se basan en la transformación de una señal

electrónica de alta frecuencia en ondas ultrasónicas por medio de

dispositivos llamados transductores piezoeléctricos de última generación.

Principios de funcionamiento


Los transductores usados en el diagnóstico por ultrasonido están basados

en el principio del efecto piezoeléctrico. Este principio indica que ciertos

materiales tienen la capacidad de cambiar sus dimensiones cuando están

colocados en un campo eléctrico e inversamente generan un campo

eléctrico cuando están sujetos a una deformación mecánica.

Los iones positivos y negativos en la estructura cristalizada del material

piezoeléctrico están unidos en forma tal, que existe una correlación

inmediata entre la forma del cristal y la diferencia de potencial entre la

superficie del mismo.

Principios de funcionamiento


A su paso a través de los tejidos, y según las leyes ópticas, este haz de ultrasonido

puede ser: reflejado, refractado, difractado, dispersado y absorbido. La absorción

produce una pérdida de intensidad en los tejidos blandos, lo que causa que los

ultrasonidos de frecuencia alta tengan menor poder de penetración. En los huesos,

la absorción aumenta al cuadrado. Los fenómenos de reflexión y dispersión son

imprescindibles en ecografía diagnóstica. Sin embargo, la difracción y refracción

puede influir en forma negativa (artefactos). Los ultrasonidos reflejados y parte de

los dispersados se denominan “ECOS″.


Métodos para la emisión y recepción

Clasificación

• Resonancia Frecuencia de resonancia

• Transparencia o de sombra Intensidad Acústica

• Pulso Eco Tiempo tránsito

• Resonancia

• Se basa en medición de la frecuencia de resonancia por reflexión (Ondas Estacionarias)

• Se usa para la medida de espesores de materiales de caras paralelas l = C/2 fn

• Transparencia o sombra

• Isonifica con una onda senoidal en dos porciones

• No proporciona información de posición del defecto

• Pulso o Eco

• Se basa en la transmisión y medición del eco por la recepción. D = C. t/2


Medición de distancia por

método de pulso Eco

Emisor de US

Contador

d


Aplicaciones Medicina

• Terapéutica 20 KHz hast 3 MHz • Diatermia

• Liptotricia

• Tartrectomía UltraSonica

• Diagnóstico 1 MHZ a 10 MHZ o más • Ecografía

• Monitor preparto

• Detectores fetales


Fenómenos de transmisión

•Absorción de ondas sonoras

La IA es degrada a medida que el haz sonoro atraviesa el medio; la energía sonora

perdida se transforma en calor.

El grado de absorción en los líquidos y tejidos blandos, en dB por centímetros de

profundidad (dB/cm) aumenta en forma aproximadamente lineal a medida que aumenta la

frecuencia de la onda. En el hueso aumenta al cuadrado de la misma.

Para una frecuencia de 1 MHz por ejemplo, la disminución del nivel de IA, por cada cm de

recorrido es:

piel y músculo : 1,2 dB/cm

hueso: 15 dB/cm

sangre : 0,17 dB/cm

cerebro : 0,9 dB/cm

líquido cefalorraquídeo: 0,01 dB/cm


Los materiales piezoeléctricos más usados

son:

•Cuarzo (SiO2)

•Cerámicas piezoeléctricas

(cristales artificiales producidos a base de

óxidos metálicos), el sulfato de litio, etc.

Materiales


Diagrama de equipo de US

Control de

Potencia

Oscilador Amplificador

Salida

Sintonizada Transductor

Indicador


Transdcutor Piezoléctrico


Aplicaciones

• DIATERMIA

• Radiaciones electromagnéticas en las bandas de microondas y ondas cortas

• Ultrasonido

• ONDAS CORTAS long de onda de 11 metros con límites 27 a 27.240 MHz

• Cable

• Condensador

• Monopolar

• MICROONDAS

• Precauciones


Liptotricia


Equipos combinados

• APLICACIONES

• Atrofias, contracturas, celulitis,

• degeneración de tejidos y lesiones profundas.

• Efectos de tonificación y modelación.

Características 2 exclusivos cabezales de ultrasonido

dual (9 cm2 y 1,5 cm2) de 1MHz o 3 MHz.

- 4 canales de estimulación corporal.

- 1 canal facial.

- 1 canal combinado.


Ultrasonido

• Ventajas :

• Barato e inocuo

• Tiempo real

• Portátil (quirófano,UCI)

• No radiación ionizante

• Sin medio de contraste

• Imágenes multiplanares

• Procedimiento

intervencionistas

• Independiente de la función

renal o hepática


Ultrasonido

• Desventajas :

• No demuestra función ,

solo anatomía

• Dificultad con pacientes obesos

• Dificultad para ver estructuras profundas

• No puede ver a través del hueso y aire


Ultrasonido Doppler

• Técnica especial de ultrasonido que evalúa tanto la

sangre como los vasos (arterias y venas)

• Tipos de Ultrasonido Doppler :

• Doppler Color ; Mide la dirección y velocidad de las

células sanguíneas en un vaso.

• Doppler Poder : Técnica para medir el flujo sanguíneo

en las arterias dentro de los órganos

• Doppler Espectral : Muestra las mediciones del flujo en

forma gráfica, en función de la distancia recorrida por

unidad de tiempo


Ultrasonido

Indicaciones

• Patología vascular cerebral (carótidas)

• Patología abdominal

• Patología arterial de las extremidades

• Patología venosa (trombosis venosa

profunda)

• Patología inflamatoria


Sonografía diagnóstica

Ultrasonido obstétrico • Edad gestacional

• Viabilidad fetal

• Localización del feto

• Situación de la placenta

• Número de fetos

• Alteraciones físicas

• Crecimiento fetal

• Movimientos y latidos cardiacos

• Sexo del feto


Aplicaciones del ultrasonido Sonografía diagnóstica

• Corazón, abdomen, pelvis, cuello, tórax,

cerebro neonatal

• Más útil en obstetricia por su mayor seguridad

para obtener imágenes del feto


Aplicaciones Medicina • Las imágenes por ultrasonido, también

denominadas exploración por ultrasonido o ecografía, involucran la exposición del cuerpo a ondas acústicas de alta frecuencia para producir imágenes del interior del organismo.

• Las examinaciones por ultrasonido no utilizan radiación ionizante (como se usa en los rayos X).

• Debido a que las imágenes por ultrasonido se capturan en tiempo real, pueden mostrar la estructura y el movimiento de los órganos internos del cuerpo, como así también la sangre que fluye por los vasos sanguíneos.(Imagen Vesícula biliar)


Ultrasonido Doppler

• Efecto Doppler desde 1954

• Valora flujo sanguíneo mostrado en color

• Detección de vasos pequeños y

evaluación del flujo


Aplicaciones terapéuticas

• Técnicas: Abdominal, vaginal y rectal

• Tratamiento de tumores malignos y benignos

• Ultrasonido terapéutico

• Limpieza dental

• Tratamiento de cataratas

• Crecimiento de hueso, interrupción de la

barrera hematoencefálica

• Escleroterapia guiada por ultrasonido y

tratamiento con láser de venas varicosas

Continúa……


Aplicaciones terapéuticas Continuación……

• Lipectomía y liposucción asistidas por

ultrasonido

• Trombólisis sistémica promovida por

ultrasonido en enfermedad vascular cerebral

• Regeneración terapéutica de dientes y hueso

• Elastografía

• Acción sinérgica con antibióticos en la

destrucción de bacterias

• Separación, concentración y manipulación de

micropartículas y de células biológicas


Ultrasonido industrial

• Pruebas ultrasónicas para buscar defectos en

materiales y para medir el grosor de los

objetos

• Inspección en procesos modernos de

manufactura

• Inspección de metales, plásticos y

compuestos aeroespaciales

• Inspección de madera, concreto y cemento

• Transferencia de calor en líquidos

• Aumento de la producción de etanol en

molinos de maíz


Limpieza ultrasónica

Humidificador ultrasónico

Identificación por ultrasonido

Ultrasonido y animales

Sonoquímica

Desintegración ultrasónica

Localización ultrasónica

Otros usos


Equipo de inspección

ultrasónica • Equipo de inspección

Ultrasónica Equipo básico pulso-eco La selección deberá ser de acuerdo a las necesidades de inspección y al sistema de transmisión apropiado.

• Sin embargo, el sistema de transmisión pulso-eco es el más utilizado en la actualidad


Partes del Equipo Transductor

• Transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente de salida.

• Los transductores pueden ser clasificados en los siguientes grupos de acuerdo a:

• a) Forma de propagar el haz ultrasónico: Haz recto y haz angular.

• b) Técnica de inspección: De contacto y de inmersión.

• c) Número de cristales: Un cristal, dos cristales o dual y de cristales múltiples.

• d) Grado de amortiguamiento: De banda ancha, banda angosta y de amortiguamiento interno.

• e) Aplicaciones especiales: Transductores libres, súper amortiguados, puntuales, periscópicos y con línea de retardo.


Partes del Equipo Acoplantes • Los acoplantes normalmente usados

para la inspección por contacto son agua, aceites, glicerina, grasas de petróleo, grasa de silicón, pasta de tapiz y varias sustancias comerciales tipo pasta.

• La técnica ultrasónica necesita de un acoplante adecuado para transmitir el ultrasonido entre el transductor y la pieza de prueba.

• El acoplante puede ser líquido, semilíquido o pastoso.


Bloques de calibración

• Los bloques patrones son usados para estandarizar la calibración del equipo y evaluar en forma comparativa las indicaciones obtenidas de la pieza de ensayo.

• Los patrones de referencia están hechos de materiales debidamente seleccionados para garantizar su sanidad interna y que satisfagan los requisitos de atenuación, tamaño de grano y tratamiento térmico


Técnicas de Ultrasonido Técnica Pulso - Eco

• Se utiliza un solo

transductor que envía y

recibe el pulso (transmisor

– receptor) por lo que

requiere acceso a una sola

superficie.


Técnica de transmisión a través

• Técnicas de Ultrasonido

se utiliza un transmisory

un receptor, solo que en

este caso se encuentran

localizados en

superficies opuestas.


Aplicaciones Ingeniería

Mecánica • Detectar etapa incipiente de falla en

rodamientos, impedir el exceso o falta de lubricación, Cavitación en bombas, motores, cajas de engranajes, ventiladores, compresores, desgastes en los materiales, corrosión de materiales, verificación del estado de pinturas, forjas, fundiciones y laminas.

• También para detectar algunas falencias en los materiales y equipos tales como fallas, grietas, estructura granular, soldaduras y fracturas. En general la industria de automóviles, trenes, barcos y aviones.


Aplicaciones Sector Civil

• El ultrasonido es útil para detectar el espesor de materiales como el concreto, ayuda a detectar fallas en materiales como corrosión o desgaste en tuberías, y ayuda a detectar la cantidad de flujo que pasa através de un ducto, ejemplo delos acueductos.


Aplicaciones de corrosión


Ventajas del Ultrasonido

• Es una técnica muy sensible y que puede cubrir áreas muy grandes en una sola prueba, en comparación con otra técnica de ensayo no destructivo.

• Mayor poder de penetración que otras técnicas de ensayo no destructivo.

• Fácil acceso a la superficie de los materiales.

• No representa ningún peligro para el operario

• Es portátil, por lo tanto es de gran ayuda para inspecciones de tuberías a largas distancias de la refinería o del pozo.

• Gran velocidad de prueba; debido a que la operación es electrónica, proporciona indicaciones prácticamente instantáneas de la presencia de discontinuidades.

• Mayor exactitud: En comparación con los demás métodos no destructivos, en la determinación de la posición de discontinuidades internas, estimando sus tamaños, orientaciones, forma y profundidad.


Ventajas del Ultrasonido

• Alto poder de penetración: Lo que permite localizar discontinuidades a una gran profundidad (varios metros).

• Buena resolución: Siendo esta característica la que determina que puedan diferenciarse los ecos procedentes de discontinuidades próximas en profundidad.

• Permite la interpretación inmediata, la automatización y el control del proceso de fabricación.

• No utiliza radiaciones perjudiciales para el organismo humano y no tiene efectos sobre el material inspeccionado.

• Accesibilidad: Solo requiere acceso por un lado del material.

• Seguridad: No requiere condiciones especiales de seguridad.

• Alta sensibilidad: Permitiendo la detección de discontinuidades extremadamente pequeñas.


Desventajas del Ultrasonido

• Está limitado por la geometría, estructura interna, espesor y acabado superficial de los materiales sujetos a inspección.

• Localiza mejor aquellas discontinuidades que son perpendiculares al haz de sonido.

• Las partes pequeñas o delgadas son difíciles de inspeccionar por este método.

• El equipo puede tener un costo elevado, que depende del nivel de sensibilidad y de sofisticación requerido.

• El personal debe estar calificado y generalmente requiere de mucho mayor entrenamiento y experiencia para este método que para cualquier otro de los métodos de inspección.

• La interpretación de las indicaciones requiere de mucho entrenamiento y experiencia de parte del operador.


Equipos Comerciales • Las aplicaciones típicas son la inspección

de soldaduras, pruebas de corrosión,

piezas pequeñas/forjados y la

comprobación de laminación

• Los equipos y sistemas industriales de

limpieza por ultrasonidos están orientados

a lograr una limpieza acorde con los

estrictos requisitos de los diferentes

sectores industriales y sus procesos de

producción. Las técnicas de lavado por

inmersión en cubas de ultrasonido

permiten reducir costes y mejorar la

competitividad consiguiendo acabados de

alta calidad en el tratamiento de piezas y

superficies: desengrase, decapado,

descarbonización...


Bibliografía

• FUENTES, Miguel Angel; LÓPEZ MEDINA, Fredy; RAMIREZ, Juan Pablo; Ultrasonido Industrial (técnicas de inspección), algunas imágenes y texto de la presentación fueron basadas en esta exposición.

• Revista de la Facultad de Ingeniería Industrial, Vol. (8) 1: pp. 25-28(2005) UNMSM ISSN: 1560-9146 (impreso) / ISSN: 1810-9993(electrónico), El ultrasonido y su aplicación., febrero de 2005.

• Ensayos no destructivos - calificación de personal criterios para la evaluación práctica en el método de ultrasonidos - nivel 1, (utilizando piezas de examen mecanizadas). Norma IRAM-ISO 9712.

• http://www.acquip.com; Ultrasonido: Otra Herramienta de Mantenimiento Predictivo, Septiembre 8 de 2010, Empresa de servicios, aplicación industrial.


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