Los transductores ultrasónicos y los sensores ultrasónicos son dispositivos que generan o detectan energía ultrasónica. Se pueden dividir en tres grandes categorías: transmisores, receptores y transceptores. Los transmisores convierten señales eléctricas en ultrasonido , los receptores convierten el ultrasonido en señales eléctricas y los transceptores pueden transmitir y recibir ultrasonido. [1]
El ultrasonido se puede utilizar para medir la velocidad y dirección del viento ( anemómetro ), el nivel de fluido del tanque o canal y la velocidad en el aire o el agua. Para medir la velocidad o la dirección, un dispositivo utiliza múltiples detectores y calcula la velocidad a partir de las distancias relativas a las partículas en el aire o el agua. Para medir el nivel de líquido del tanque o canal , y también el nivel del mar ( mareógrafo ), el sensor mide la distancia ( distancia ) a la superficie del fluido. Otras aplicaciones incluyen: humidificadores , sonar , ultrasonografía médica , alarmas antirrobo y pruebas no destructivas .
Los sistemas suelen utilizar un transductor que genera ondas sonoras en el rango ultrasónico, por encima de 18 kHz, convirtiendo la energía eléctrica en sonido y luego, al recibir el eco, convierte las ondas sonoras en energía eléctrica que se puede medir y mostrar.
Esta tecnología también puede detectar objetos que se acercan y rastrear sus posiciones. [2]
El ultrasonido también se puede utilizar para realizar mediciones de distancia punto a punto transmitiendo y recibiendo ráfagas discretas de ultrasonido entre transductores. Esta técnica se conoce como Sonomicrometría , donde el tiempo de tránsito de la señal de ultrasonido se mide electrónicamente (es decir, digitalmente) y se convierte matemáticamente a la distancia entre transductores, asumiendo que se conoce la velocidad del sonido del medio entre los transductores. Este método puede ser muy preciso en términos de resolución temporal y espacial porque la medición del tiempo de vuelo puede derivarse del seguimiento de la misma forma de onda incidente (recibida) ya sea por nivel de referencia o por cruce por cero. Esto permite que la resolución de la medición supere con creces la longitud de onda de la frecuencia del sonido generada por los transductores. [1]
Los transductores ultrasónicos convierten la corriente alterna (CA) en ultrasonido y viceversa. Los transductores suelen utilizar transductores piezoeléctricos [3] o transductores capacitivos para generar o recibir ultrasonido. [4] Los cristales piezoeléctricos pueden cambiar sus tamaños y formas en respuesta al voltaje que se les aplica. [3] Por otro lado, los transductores capacitivos utilizan campos electrostáticos entre un diafragma conductor y una placa de respaldo.
El patrón de haz de un transductor puede determinarse mediante el área y la forma del transductor activo, la longitud de onda del ultrasonido y la velocidad del sonido del medio de propagación. Los diagramas muestran los campos sonoros de un transductor ultrasónico no enfocado y uno enfocado en agua, claramente en diferentes niveles de energía.
Dado que los materiales piezoeléctricos generan un voltaje cuando se les aplica fuerza, también pueden funcionar como detectores ultrasónicos. Algunos sistemas utilizan transmisores y receptores separados, mientras que otros combinan ambas funciones en un solo transceptor piezoeléctrico.
Los transmisores de ultrasonido también pueden utilizar principios no piezoeléctricos. como la magnetoestricción. Los materiales con esta propiedad cambian ligeramente de tamaño cuando se exponen a un campo magnético y son transductores prácticos.
Un micrófono de condensador ("condensador") tiene un diafragma delgado que responde a las ondas de ultrasonido. Los cambios en el campo eléctrico entre el diafragma y una placa de respaldo estrechamente espaciada convierten las señales de sonido en corrientes eléctricas, que pueden amplificarse.
El principio del diafragma (o membrana) también se utiliza en los relativamente nuevos transductores ultrasónicos micromecanizados (MUT). Estos dispositivos se fabrican utilizando tecnología de micromecanizado de silicio ( tecnología MEMS ), que es particularmente útil para la fabricación de conjuntos de transductores. La vibración del diafragma se puede medir o inducir electrónicamente utilizando la capacitancia entre el diafragma y una placa de respaldo estrechamente espaciada ( CMUT ), o agregando una fina capa de material piezoeléctrico sobre el diafragma ( PMUT ). Alternativamente, investigaciones recientes demostraron que la vibración del diafragma se puede medir mediante un pequeño resonador de anillo óptico integrado dentro del diafragma (OMUS). [5] [6]
Los transductores ultrasónicos también se pueden utilizar para la levitación acústica . [7]
Implica transmitir ondas acústicas al agua y registrar el intervalo de tiempo entre la emisión y el retorno de un pulso; el tiempo de vuelo resultante , junto con el conocimiento de la velocidad del sonido en el agua, permite determinar la distancia entre el sonar y el objetivo. Esta información se utiliza normalmente con fines de navegación o para obtener profundidades con fines cartográficos . La distancia se mide multiplicando la mitad del tiempo desde el pulso saliente de la señal hasta su regreso por la velocidad del sonido en el agua , que es aproximadamente 1,5 kilómetros por segundo [T÷2×(4700 pies por segundo o 1,5 kilómetros por segundo)] para En aplicaciones precisas de ecosondeo, como la hidrografía , la velocidad del sonido también debe medirse, por lo general, desplegando una sonda de velocidad del sonido en el agua. El sondeo de eco es efectivamente una aplicación de sonar de propósito especial que se utiliza para localizar el fondo. Dado que una unidad tradicional de profundidad del agua anterior al SI era la braza , un instrumento utilizado para determinar la profundidad del agua a veces se llama brazas . El primer sonómetro práctico fue inventado por Herbert Grove Dorsey y patentado en 1928. [8]
Los transductores ultrasónicos médicos (sondas) vienen en una variedad de formas y tamaños diferentes para usarse en la generación de imágenes transversales de varias partes del cuerpo. El transductor puede usarse en contacto con la piel, como en la ecografía fetal, o insertarse en una abertura del cuerpo como el recto o la vagina . Los médicos que realizan procedimientos guiados por ultrasonido suelen utilizar un sistema de posicionamiento de sonda para sujetar el transductor ultrasónico. [9]
En comparación con otras modalidades de imágenes médicas, la ecografía tiene varias ventajas. Proporciona imágenes en tiempo real, es portátil y, en consecuencia, puede llevarse junto a la cama. Tiene un costo sustancialmente menor que otras estrategias de obtención de imágenes y no utiliza radiación ionizante dañina . Los inconvenientes incluyen varias limitaciones en su campo de visión, la necesidad de cooperación del paciente, la dependencia del físico del paciente, la dificultad para obtener imágenes de estructuras oscurecidas por el hueso , el aire o los gases [nota 1] y la necesidad de un operador capacitado, generalmente con capacitación profesional. Debido a estos inconvenientes, las novedosas implementaciones de ultrasonidos portátiles están ganando popularidad. Estos dispositivos en miniatura monitorean continuamente los signos vitales y alertan ante la aparición de signos tempranos de anomalía. [10] [11]
Los sensores ultrasónicos pueden detectar el movimiento de objetivos y medir la distancia hasta ellos en muchas fábricas y plantas de proceso automatizadas . Los sensores pueden tener una salida digital de encendido o apagado para detectar el movimiento de objetos, o una salida analógica proporcional a la distancia. Pueden detectar el borde del material como parte de un sistema de guía de banda .
Los sensores ultrasónicos se utilizan ampliamente en los automóviles como sensores de estacionamiento para ayudar al conductor a dar marcha atrás en las plazas de estacionamiento. Se están probando para otros usos automotrices, incluida la detección ultrasónica de personas y la asistencia en la navegación autónoma de vehículos aéreos no tripulados . [ cita necesaria ]
Debido a que los sensores ultrasónicos utilizan sonido en lugar de luz para la detección, funcionan en aplicaciones donde los sensores fotoeléctricos no pueden hacerlo. Los ultrasonidos son una excelente solución para la detección clara de objetos y la medición del nivel de líquidos, aplicaciones con las que los fotoeléctricos tienen dificultades debido a la translucidez del objetivo. Además, el color del objetivo o la reflectividad no afectan a los sensores ultrasónicos, que pueden funcionar de forma fiable en entornos con mucho brillo.
Los sensores ultrasónicos pasivos se pueden usar para detectar fugas de gas o líquido a alta presión u otras condiciones peligrosas que generan sonido ultrasónico. En estos dispositivos, el audio del transductor (micrófono) se convierte al rango de audición humana.
Los emisores ultrasónicos de alta potencia se utilizan en dispositivos de limpieza por ultrasonidos disponibles comercialmente . Se fija un transductor ultrasónico a una bandeja de acero inoxidable que se llena con un disolvente (frecuentemente agua o isopropanol ). Una onda eléctrica cuadrada alimenta el transductor, creando un sonido en el disolvente lo suficientemente fuerte como para provocar cavitación .
La tecnología ultrasónica se ha utilizado para múltiples propósitos de limpieza. Uno de los cuales ha estado ganando bastante terreno en la última década es la limpieza ultrasónica de armas.
En la soldadura ultrasónica y la unión de cables ultrasónicos , los plásticos y los metales se unen mediante vibraciones creadas por transductores ultrasónicos de potencia.
Las pruebas ultrasónicas también se utilizan ampliamente en metalurgia e ingeniería para evaluar la corrosión, las soldaduras y los defectos de los materiales mediante diferentes tipos de escaneos.
En respuesta a la necesidad de un dispositivo de registro de profundidad más preciso, el Dr. Herbert Grove Dorsey, quien más tarde se unió al C&GS, ideó un dispositivo indicador visual para medir intervalos de tiempo relativamente cortos y mediante el cual se podían registrar profundidades bajas y profundas.
En 1925, C&GS obtuvo el primer fatómetro, diseñado y construido por Submarine Signal Company.