Transductor de ultrasonidos
Lostransductores de ultrasonidosotransductores ultrasónicosson dispositivos que generan o detectan energía de ultrasonidos. Se pueden dividir en tres grandes categorías: transmisores, receptores y transceptores. Los transmisores convierten lasseñales eléctricasenultrasonidos,los receptores convierten los ultrasonidos en señales eléctricas y los transceptores pueden transmitir y recibir ultrasonidos.[1]
Aplicaciones y rendimiento
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La ecografía se puede utilizar para medir la velocidad y la dirección del viento (anemómetro), el nivel de fluido del tanque o del canal y la velocidad a través del aire o el agua. Para medir la velocidad o dirección, un dispositivo utiliza varios detectores y calcula la velocidad desde las distancias relativas hasta las partículas del aire o el agua. Para medirel nivel del líquido deldepósito o del canal, así comoel nivel del mar(marógrafo), el sensor mide la distancia (alcance) a la superficie del fluido. Otras aplicaciones incluyen:humidificadores,sonar,ecografía médica,alarmas antirrobo, pruebas no destructivas ycarga inalámbrica.
Los sistemas suelen utilizar un transductor que genera ondas sonoras en el rango de ultrasonidos, por encima de 18 kHz, convirtiendo la energía eléctrica en sonido, después, al recibir el eco, convertir las ondas sonoras en energía eléctrica que se puede medir y mostrar.
Esta tecnología también puede detectar objetos pròximos y hacer un seguimiento de sus posiciones.[2]
Los ultrasonidos también se pueden utilizar para realizar medidas de distancia punto a punto mediante la transmisión y la recepción de ráfagas discretas de ultrasonidos entre transductores. Esta técnica se conoce como Sonomicrometría donde el tiempo de tráfico 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 lo que respecta a la resolución temporal y espacial porque la medida del tiempo de vuelo puede derivarse del seguimiento de la misma forma de onda incidente (recibida), ya sea por nivel de referencia o por paso de cero. Esto permite que la resolución de medida supere con creces lalongitud de ondade la frecuencia del sonido generada por los transductores.[1]
Transductores
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Los transductores de ultrasonidos convierten la CA enultrasonidos,así como a la inversa. Ultrasonidos, normalmente se refiere atransductores piezoeléctricoso transductores capacitivos. Los cristales piezoeléctricos cambian el tamaño y la forma cuando se aplica unatensión;La tensión de CA les hace oscilar en la misma frecuencia y producir sonido ultrasónico. Los transductores capacitivos utilizan campos electrostáticos entre un diafragma conductor y una placa de soporte.
El patrón de haz de un transductor puede determinarse por el área y la forma del transductor activo, la longitud de onda de los ultrasonidos y la velocidad del sonido del medio de propagación. Los diagramas muestran los campos sonoros de un transductor ultrasónico no enfocado y de un enfoque en el agua, claramente a diferentes niveles de energía.
Dado que los materiales piezoeléctricos generan una tensión cuando se les aplica bastante, también pueden funcionar como detectores de ultrasonidos. Algunos sistemas utilizan transmisores y receptores separados, mientras que otros combinan ambas funciones en un solo 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 en un campo magnético y realizan transductores prácticos.
Un micrófono de condensador ( "condensador" ) tiene un diafragma delgado que responde a las ondas de ultrasonido. Los cambios en elcampo eléctricoentre el diafragma y una placa de soporte muy espaciada convierten las señales sonoras en corrientes eléctricas, que se pueden amplificar.
El principio del diafragma (o membrana) también se utiliza en los transductores ultrasónicos (MUT) micromecanizados relativamente nuevos. Estos dispositivos se fabrican mediante la tecnología de micromecanizado de silicio (tecnologíaMEMS), que es especialmente útil para la fabricación de matrices de transductores. La vibración del diafragma se puede medir o inducir electrónicamente utilizando la capacidad entre el diafragma y una placa de soporte muy espaciada (CMUT), o añadiendo una fina capa de material piezoeléctrico al diafragma (PMUT). Alternativamente, investigaciones recientes demostraron que la vibración del diafragma puede medirse mediante un pequeño resonador de anillo óptico integrado dentro del diafragma (OMUS).[3][4]
Los transductores de ultrasonidos también se utilizan en la levitación acústica.[5]
Uso en ecosondas
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Se basa en el principio de transmitir ondas acústicas al agua y registrar el intervalo de tiempo entre la emisión y el retorno de un pulso; eltiempo de vueloresultante, junto con el conocimiento de lavelocidad del sonidoal 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 de hacergráficos.La distancia se mide multiplicando la mitad del tiempo desde el impulso de salida de la señal hasta su regreso por lavelocidad del sonidoalagua,que es de aproximadamente 1,5 kilómetros por segundo [T÷2×(4700 pies por segundo o 1,5 kil por segundo)] aplicaciones precisas de la eco-sonda, como lahidrografía,la velocidad del sonido también debe medirse normalmente mediante el despliegue de unasonda de velocidad del sonidoen el agua. El sonar de eco es efectivamente una aplicación de propósito especial delsonarque se utiliza para localizar el fondo. Como una unidad tradicional de profundidad del agua pre-SIera labraza,un instrumento utilizado para determinar la profundidad del agua a veces se llamafatómetro.El primer fatómetro práctico fue inventado por Herbert Grove Dorsey y patentado en 1928.[6]
Uso en medicina
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Los transductores de ultrasonidos médicos (sondas) tienen una variedad de formas y tamaños diferentes para utilizarlos para realizar imágenes de sección transversal de varias partes del cuerpo. El transductor puede utilizarse en contacto con la piel, como en la ecografía fetal, o insertado en una apertura corporal como elrectoo lavagina.Los médicos que realizan procedimientos guiados por ultrasonidos suelen utilizar un sistema de posicionamiento de la sonda para sujetar el transductor de ultrasonidos.[7]
En comparación con otras modalidades de imágenes médicas, el ultrasonido tiene varias ventajas. Proporciona imágenes en tiempo real, esportátily, por lo tanto, puede llevarse junto a la cama. Tiene un costo sustancialmente más bajo que otras estrategias de diagnóstico por imágenes y no utilizaradiación ionizantedañina. Los inconvenientes incluyen varios límites 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 porhuesos,aire o gases, y la necesidad de un operador calificado, generalmente con capacitación profesional. Debido a estos inconvenientes, las implementaciones novedosas de ultrasonido portátiles están ganando popularidad. Estos dispositivos en miniatura monitorean continuamente los signos vitales y alertan ante la aparición de signos tempranos de anormalidad.[8][9]
Uso en la industria
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Los sensores de ultrasonidos pueden detectar el movimiento de los objetivos y medir su distancia a muchas fábricas y plantas de proceso automatizadas. Los sensores pueden tener una salida digital activada o desactivada 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 web.
Los sensores de ultrasonidos se utilizan ampliamente en los coches comosensores de aparcamientopara ayudar al conductor a dar marcha atrás a las plazas de aparcamiento. Se están probando para otros usos de automoción, como la detección de personas por ultrasonidos y la asistencia en la navegación autónoma deUAV.
Dado que los sensores ultrasónicos utilizan el sonido en lugar de la luz para la detección, funcionan en aplicaciones donde lossensores fotoeléctricosno funcionan. Los ultrasonidos son una gran solución para la detección de objetos claros y para la medida del nivel de líquidos, aplicaciones con las que los fotoeléctricos luchan a causa de la translucencia 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 gran brillo.
Los sensores ultrasónicos pasivos se pueden utilizar para detectar fugas de gas o líquido de alta presión, u otras condiciones peligrosas que generan sonido ultrasónico. En estos dispositivos, el audio del transductor (micrófono) se convierte en el rango de audición humana.
Los emisores de ultrasonidos de alta potencia se utilizan en dispositivos delimpieza por ultrasonidosdisponibles comercialmente. Un transductor de ultrasonidos se coloca en una sartén deacero inoxidableque se llena con un disolvente (frecuentemente agua oisopropanol). Una onda cuadrada eléctrica alimenta al transductor, creando un sonido en el disolvente lo suficientemente fuerte como para provocarcavitación.
La tecnología ultrasónica se ha utilizado para múltiples fines de limpieza. Uno de ellos ha ganado una buena tracción durante la última década es la limpieza de pistolas ultrasónicas.
Las pruebas de ultrasonidos también se utilizan ampliamente en metalurgia e ingeniería para evaluar la corrosión, soldaduras y defectos del material mediante diferentes tipos de exploraciones.
Referencias
[editar]- ↑abBrook, Karen (22 de julio de 2020).«Ultrasound Transducer Care and Handling Tips».Ultrasound(en inglés estadounidense).Consultado el 20 de febrero de 2022.
- ↑Carotenuto, Riccardo; Merenda, Massimo; Iero, Demetrio; Della Corte, Francesco G. (July 2019).IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement68(7): 2507–2518.doi:10.1109/TIM.2018.2866358.
- ↑Westerveld, Wouter J (2014).Silicon photonic micro-ring resonators to sense strain and ultrasound(Ph.D.). Delft University of Technology.ISBN9789462590793.doi:10.4233/uuid:22ccedfa-545a-4a34-bd03-64a40ede90ac.
- ↑S.M. Leinders, W.J. Westerveld, J. Pozo, P.L.M.J. van Neer, B. Snyder, P. O’Brien, H.P. Urbach, N. de Jong, and M.D. Verweij (2015).«A sensitive optical micro-machined ultrasound sensor (OMUS) based on a silicon photonic ring resonator on an acoustical membrane».Scientific Reports5:14328.Bibcode:2015NatSR...514328L.PMC4585719.PMID26392386.doi:10.1038/srep14328.
- ↑Vieira, Silvio L.; Andrade, Marco A.B. (2020). «Translational and rotational resonance frequencies of a disk in a single-axis acoustic levitator».Дщд127(22): 224901.Bibcode:2020JAP...127v4901V.S2CID225744617.doi:10.1063/5.0007149.
- ↑National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA) (2006). NOAA Central Library, ed.«Echo Sounding / Early Sound Methods».
- ↑SCHNEIDER, MICHEL (1999). «Characteristics of SonoVue™».Echocardiography(Wiley)16(s1): 743-746.ISSN0742-2822.doi:10.1111/j.1540-8175.1999.tb00144.x.
- ↑Srivastav, A.; Bhogi, K.; Mandal, S.; Sharad, M. (Aug 2019).«An Adaptive Low-Complexity Abnormality Detection Scheme for Wearable Ultrasonography».IEEE Transactions on Circuits and Systems66(8): 1466-1470.S2CID117391787.doi:10.1109/TCSII.2018.2881612.
- ↑«Wearable Ultrasounds Poised to Revolutionize Healing and Pain Management Healthcare Market».Jun 2021.
Bibliografía
[editar]- Escolano, Alejandro; Planas, Santiago; Rosell, Joan Ramon; Pomar, Jesús; Campo, Ferran; Solanelles, Francisco; Gracia, Felipe; Llorens, Jordi; Gil, Emilio (28-02-2011). "Rendimiento de un sensor de alcance ultrasónico en las marquesinas de manzanos ".Sensores.11 (3): 2459–2477. doi:10.3390/s110302459. ISSN 1424-8220. PMC 3231637.PubMedPMID22163749.
Enlaces externos
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Wikimedia Commonsalberga una categoría multimedia sobreTransductor de ultrasonidos.
- Ejemplo de dispositivoSharp GP2D02
- «Sensoras para todo - Reportajes de ciencia y tecnología ». cienciadigital.es, 29-05-2007. Archivado del original en 2007-10-27. [Consulta: 29 noviembre 2022].
- Carletti, Eduardo J. (2007, 2016).«Sensores - Conceptos generales Descripción y funcionamiento»(en castellà).