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 las señales eléctricas en ultrasonidos , los receptores convierten los ultrasonidos en señales eléctricas y los transceptores pueden transmitir y recibir ultrasonidos. [1]
El ultrasonido se puede utilizar para medir la velocidad y dirección del viento ( anemómetro ), el nivel de líquido de un tanque o canal y la velocidad a través del 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 de un tanque o canal , y también el nivel del mar ( mareómetro ), el sensor mide la distancia ( rango ) a la superficie del fluido. Otras aplicaciones incluyen: humidificadores , sonar , ultrasonografía médica , alarmas antirrobo y pruebas no destructivas .
Los sistemas normalmente utilizan un transductor que genera ondas sonoras en el rango ultrasónico, por encima de 20 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 visualizar.
Esta tecnología también puede detectar objetos que se aproximan y rastrear sus posiciones. [2]
El ultrasonido también se puede utilizar para realizar mediciones de distancia punto a punto mediante la transmisión y recepción de ráfagas discretas de ultrasonido entre transductores. Esta técnica se conoce como sonomicrometría , en la que el tiempo de tránsito de la señal de ultrasonido se mide electrónicamente (es decir, digitalmente) y se convierte matemáticamente a la distancia entre transductores suponiendo 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 se puede derivar del seguimiento de la misma forma de onda incidente (recibida) ya sea por nivel de referencia o 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 ultrasonidos. [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 soporte.
El patrón del haz de un transductor se puede determinar por el área y la forma activa del transductor, la longitud de onda del ultrasonido y la velocidad del sonido del medio de propagación. Los diagramas muestran los campos de sonido de un transductor ultrasónico enfocado y no enfocado en el agua, claramente a diferentes niveles de energía.
Dado que los materiales piezoeléctricos generan un voltaje cuando se les aplica una fuerza, también pueden funcionar como detectores ultrasónicos. Algunos sistemas utilizan transmisores y receptores separados, mientras que otros combinan ambas funciones en un único transceptor piezoeléctrico.
Los transmisores de ultrasonidos también pueden utilizar principios no piezoeléctricos como la magnetostricción. Los materiales con esta propiedad cambian ligeramente de tamaño cuando se exponen a un campo magnético y constituyen transductores prácticos.
Un micrófono de condensador tiene un diafragma delgado que responde a las ondas ultrasónicas. Los cambios en el campo eléctrico entre el diafragma y una placa de soporte situada muy cerca una de la otra 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 micromaquinados (MUT). Estos dispositivos se fabrican utilizando tecnología de micromaquinado 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 soporte estrechamente espaciada ( CMUT ), o añadiendo 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 la transmisión de ondas acústicas al agua y el registro del 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 para fines de navegación o para obtener profundidades para fines cartográficos . La distancia se mide multiplicando la mitad del tiempo desde el pulso saliente de la señal hasta su retorno por la velocidad del sonido en el agua , que es de aproximadamente 1,5 kilómetros por segundo [T ÷ 2 × (4700 pies por segundo o 1,5 kil por segundo)] Para aplicaciones precisas de ecosonda, como la hidrografía , la velocidad del sonido también debe medirse normalmente desplegando una sonda de velocidad del sonido en el agua. La ecosonda es efectivamente una aplicación especial del sonar utilizada para localizar el fondo. Dado que una unidad tradicional anterior al SI de profundidad del agua era la braza , un instrumento utilizado para determinar la profundidad del agua a veces se llama fatómetro . El primer medidor de profundidad 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 su uso en la toma 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 corporal como el recto o la vagina . Los médicos que realizan procedimientos guiados por ecografía a menudo utilizan un sistema de posicionamiento de sonda para sujetar el transductor ultrasónico. [9]
En comparación con otras modalidades de obtención de imágenes médicas, la ecografía tiene varias ventajas. Proporciona imágenes en tiempo real, es portátil y, en consecuencia, se puede llevar a la cabecera del paciente. Tiene un coste sustancialmente menor que otras estrategias de obtención de imágenes y no utiliza radiación ionizante dañina . Entre las desventajas se incluyen diversas limitaciones en su campo de visión, la necesidad de la cooperación del paciente, la dependencia de la constitución del paciente, la dificultad para obtener imágenes de estructuras oscurecidas por los huesos , el aire o los gases [nota 1] y la necesidad de un operador experto, normalmente con formación profesional. Debido a estas desventajas, las nuevas implementaciones de ecografía portátil están ganando popularidad. Estos dispositivos en miniatura controlan continuamente los signos vitales y alertan ante la aparición de signos tempranos de anomalía. [10] [11]
Los sensores ultrasónicos pueden detectar el movimiento de los objetivos y medir la distancia hasta ellos en muchas fábricas y plantas de procesamiento automatizadas . Los sensores pueden tener una salida digital activada o desactivada para detectar el movimiento de los 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 espacios de estacionamiento. Se están probando para una serie de otros usos automotrices, incluida la detección de personas por ultrasonidos y la asistencia en la navegación autónoma de vehículos aéreos no tripulados . [ cita requerida ]
Debido a que los sensores ultrasónicos utilizan el sonido en lugar de la luz para la detección, funcionan en aplicaciones en las que los sensores fotoeléctricos no pueden hacerlo. Los ultrasonidos son una gran solución para la detección de objetos claros y para la medición del nivel de líquidos, aplicaciones en las que los fotoeléctricos tienen dificultades debido a la translucidez del objetivo. Además, el color o la reflectividad del objetivo no afectan a los sensores ultrasónicos, que pueden funcionar de manera confiable en entornos con mucho deslumbramiento.
Los sensores ultrasónicos pasivos se pueden utilizar para detectar fugas de gas o líquido a alta presión u otras condiciones peligrosas que generan sonido ultrasónico. En estos dispositivos, el ultrasonido del transductor (micrófono) se convierte al rango audible para el oído humano (sonido audible = 20 Hz a 20 kHz).
Los emisores ultrasónicos de alta potencia se utilizan en dispositivos de limpieza por ultrasonidos disponibles comercialmente . Un transductor ultrasónico se fija a una bandeja de acero inoxidable que se llena con un disolvente (con frecuencia agua o isopropanol ). Una onda cuadrada eléctrica alimenta el transductor, creando un sonido en el disolvente lo suficientemente fuerte como para causar cavitación .
La tecnología ultrasónica se ha utilizado para múltiples propósitos de limpieza. Uno de los que ha ganado bastante popularidad en la última década es la limpieza ultrasónica de armas.
En la soldadura ultrasónica y la unión de cables por ultrasonidos , los plásticos y los metales se unen mediante vibraciones creadas por transductores ultrasónicos potentes.
Las pruebas ultrasónicas también se utilizan ampliamente en metalurgia e ingeniería para evaluar la corrosión, las soldaduras y los defectos de los materiales utilizando 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 de indicación visual para medir intervalos de tiempo relativamente cortos y mediante el cual se podían registrar profundidades bajas y profundas. En 1925, el C&GS obtuvo el primer medidor de profundidad, diseñado y construido por la Submarine Signal Company.