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Transductor ultrasónico

Transductor ultrasónico de matriz curvilínea para uso en ecografía médica. Estructura interna de un sensor de ultrasonido de matriz curva Philips C5-2 de 128 elementos. Los tran...

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Transductor ultrasónico de matriz curvilínea para uso en ecografía médica.
Estructura interna de un sensor de ultrasonido de matriz curva Philips C5-2 de 128 elementos.

Los transductores y 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 ultrasonido en señales eléctricas y los transceptores pueden tanto transmitir como recibir ultrasonido. [ 1 ]

Aplicaciones y rendimiento

El ultrasonido se puede utilizar para medir la velocidad y dirección del viento ( anemómetro ), el nivel de fluidos en tanques o canales, y la velocidad a través del aire o el agua. Para medir la velocidad o 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 en tanques o canales , y también el nivel del mar ( mareógrafo ), el sensor mide la distancia ( rango ) a la superficie del fluido. Otras aplicaciones incluyen: humidificadores , sonar , ecografía médica , alarmas antirrobo y ensayos no destructivos .

Estos sistemas suelen utilizar un transductor que genera ondas sonoras en el rango ultrasónico, por encima de 20  kHz, transformando la energía eléctrica en sonido. Posteriormente, al recibir el eco, convierten las ondas sonoras en energía eléctrica que puede medirse y visualizarse.

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 pulsos discretos 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, suponiendo que se conoce la velocidad del sonido en el medio entre ellos. Este método puede ser muy preciso en términos de resolución temporal y espacial, ya que la medición del tiempo de vuelo se puede obtener mediante el 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 de sonido generada por los transductores. [ 1 ]

Transductores

Campo sonoro de un  transductor ultrasónico de 4 MHz sin enfoque, con una longitud de campo cercano de N  =  67  mm en agua. El gráfico muestra la presión sonora en escala logarítmica de dB.
Campo de presión sonora del mismo transductor ultrasónico (4  MHz, N  =  67  mm) con la superficie del transductor de curvatura esférica con radio de curvatura R  =  30  mm.

Los transductores ultrasónicos convierten la corriente alterna (CA) en ultrasonido y viceversa. Estos transductores suelen utilizar transductores piezoeléctricos [ 3 ] o capacitivos para generar o recibir ultrasonido. [ 4 ] Los cristales piezoeléctricos pueden cambiar de tamaño y forma en respuesta a la tensión aplicada. [ 3 ] Por otro lado, los transductores capacitivos utilizan campos electrostáticos entre un diafragma conductor y una placa de soporte.

El patrón de radiación de un transductor se puede determinar mediante el área y la forma activas del transductor, la longitud de onda del ultrasonido y la velocidad del sonido en el medio de propagación. Los diagramas muestran los campos sonoros de un transductor ultrasónico no enfocado y otro enfocado en agua, claramente a diferentes niveles de energía.

Dado que los materiales piezoeléctricos generan un voltaje al aplicarles una fuerza, también pueden funcionar como detectores ultrasónicos. Algunos sistemas utilizan transmisores y receptores independientes, mientras que otros combinan ambas funciones en un único transceptor piezoeléctrico.

Los transmisores de ultrasonido también pueden utilizar principios no piezoeléctricos, como la magnetostricción. Los materiales con esta propiedad cambian ligeramente de tamaño al ser expuestos a un campo magnético y resultan 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 cercana convierten las señales de sonido en corrientes eléctricas, que pueden amplificarse.

El principio del diafragma (o membrana) también se utiliza en los transductores ultrasónicos micromecanizados (MUT), relativamente nuevos. Estos dispositivos se fabrican mediante tecnología de micromecanizado de silicio ( tecnología MEMS ), que resulta especialmente útil para la fabricación de matrices de transductores. La vibración del diafragma puede medirse o inducirse electrónicamente mediante la capacitancia entre el diafragma y una placa de soporte cercana ( CMUT ), o añadiendo una fina capa de material piezoeléctrico al diafragma ( PMUT ). Alternativamente, investigaciones recientes han demostrado que la vibración del diafragma puede medirse mediante un pequeño resonador de anillo óptico integrado en su interior (OMUS). [ 5 ] [ 6 ]

Los transductores ultrasónicos también se pueden utilizar para la levitación acústica . [ 7 ]

Utilizar en sondeos de profundidad

Diagrama que muestra el principio básico de la ecosonda.

Consiste en 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 para fines de navegación o para obtener profundidades para fines cartográficos . La distancia se mide multiplicando la mitad del tiempo desde el pulso de salida de la señal hasta su retorno 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 kil por segundo)]. Para aplicaciones precisas de ecosonda, como la hidrografía , también se debe medir la velocidad del sonido, normalmente desplegando una sonda de velocidad del sonido en el agua. La ecosonda es, en efecto, una aplicación especial del sonar utilizada 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 denomina brazómetro . El primer medidor de profundidad práctico fue inventado por Herbert Grove Dorsey y patentado en 1928. [ 8 ]

Uso en medicina

Ecografía 3D

Los transductores ultrasónicos médicos (sondas) vienen en una variedad de formas y tamaños para usarse en la obtención de imágenes transversales de diversas 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 ultrasonido a menudo usan un sistema de posicionamiento de sonda para sujetar el transductor ultrasónico. [ 9 ]

En comparación con otras modalidades de diagnóstico por imagen, la ecografía presenta varias ventajas. Proporciona imágenes en tiempo real, es portátil y, por consiguiente, puede llevarse a la cabecera del paciente. Su coste es sustancialmente menor que el de otras técnicas de imagen y no utiliza radiación ionizante nociva . Entre sus inconvenientes se incluyen diversas limitaciones en su campo de visión, la necesidad de cooperación del paciente, la dependencia de su constitución física, la dificultad para visualizar estructuras ocultas por huesos , aire o gases [ nota 1 ] y la necesidad de un operador cualificado, generalmente con formación profesional. Debido a estos inconvenientes, las nuevas implementaciones portátiles de ecografía están ganando popularidad. Estos dispositivos en miniatura monitorizan continuamente las constantes vitales y alertan ante la aparición de signos tempranos de anomalía [ 10 ] [ 11 ] .

Uso en la industria

Telémetros ultrasónicos como componente electrónico
Un sensor de estacionamiento ultrasónico (circular) montado en el parachoques de un vehículo.
Pantalla del sistema de información del vehículo que muestra los obstáculos detectados por el sensor.

En muchas fábricas y plantas de procesamiento automatizadas , los sensores ultrasónicos pueden detectar el movimiento de objetos y medir la distancia a los mismos . Estos sensores pueden tener una salida digital de encendido/apagado para detectar el movimiento de los objetos, o una salida analógica proporcional a la distancia. También pueden detectar el borde del material como parte de un sistema de guiado de banda .

Los sensores ultrasónicos se utilizan ampliamente en los automóviles como sensores de estacionamiento para ayudar al conductor a aparcar marcha atrás. Se están probando para diversas aplicaciones en el sector automotriz, como la detección ultrasónica de personas y la asistencia en la navegación de vehículos aéreos no tripulados (UAV) .

Dado que los sensores ultrasónicos utilizan el sonido en lugar de la luz para la detección, funcionan en aplicaciones donde los sensores fotoeléctricos no son adecuados. La tecnología ultrasónica es una excelente solución para la detección de objetos transparentes y la medición del nivel de líquidos, aplicaciones en las que los sensores fotoeléctricos presentan dificultades debido a la translucidez del objeto. Además, el color o la reflectividad del objeto no afectan a los sensores ultrasónicos, que pueden operar de forma fiable en entornos con alta luminosidad.

Los sensores ultrasónicos pasivos pueden utilizarse para detectar fugas de gas o líquido a alta presión, u otras condiciones peligrosas que generen sonido ultrasónico. En estos dispositivos, el ultrasonido emitido por el transductor (micrófono) se reduce al rango de audición humana (sonido audible = de 20  Hz a 20  kHz).

Los emisores ultrasónicos de alta potencia se utilizan en los dispositivos de limpieza ultrasónica disponibles comercialmente . Un transductor ultrasónico se fija a una bandeja de acero inoxidable que se llena con un disolvente (frecuentemente agua o isopropanol ). Una onda cuadrada eléctrica alimenta el transductor, creando un sonido en el disolvente lo suficientemente fuerte como para provocar cavitación .

La tecnología ultrasónica se ha utilizado para múltiples fines de limpieza. Una de las aplicaciones 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 de alta 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.

Notas

  1. ↑ Por este motivo, la persona sometida a una ecografía de órganos que pueden contener cantidades de aire o gas, como el estómago, el intestino y la vejiga, debe seguir una preparación alimentaria diseñada para reducir su cantidad: dieta específica y suplementos para el intestino e ingesta de agua sin gas para llenar la vejiga; a veces, durante el examen, puede ser necesario llenar el estómago con agua sin gas.

Referencias

  1. 1 2 Brook, Karen (22 de julio de 2020). "Consejos para el cuidado y manejo del transductor de ultrasonido" . Ultrasonido . Recuperado el 20 de febrero de 2022 .
  2. ↑ Carotenuto, Ricardo; Merenda, Massimo; Iero, Demetrio; Della Corte, Francesco G. (julio de 2019). "Un sistema ultrasónico interior para posicionamiento 3D autónomo". Transacciones IEEE sobre instrumentación y medición . 68 (7): 2507– 2518. Bibcode : 2019ITIM...68.2507C . doi : 10.1109/TIM.2018.2866358 . S2CID 116511976 . 
  3. 1 2 Curry, TS; Dowdey, JE; Murry, RC (1990). Física de la radiología diagnóstica de Christensen . Lippincott Williams & Wilkins. págs. 328–329 . ISBN  978-0-8121-1310-5Consultado el 2 de febrero de 2023 .
  4. ↑ Salim, Muhammed Sabri; Abd Malek, MF; Heng, RBW; Juni, KM; Sabri, Naseer (marzo de 2012). "Transductores ultrasónicos micromecanizados capacitivos: tecnología y aplicación" . Journal of Medical Ultrasound . 20 (1): 8– 31. doi : 10.1016/j.jmu.2012.02.001 . S2CID 55610382 . 
  5. ↑ Westerveld, Wouter J (2014). Resonadores de microranillo fotónicos de silicio para la detección de deformación y ultrasonido (Tesis doctoral). Universidad Tecnológica de Delft. doi : 10.4233/uuid:22ccedfa-545a-4a34-bd03-64a40ede90ac . ISBN 978-94-6259-079-3.
  6. ↑ SM Leinders; WJ Westerveld; J. Pozo; PLMJ van Neer; B. Snyder; P. O'Brien; HP Urbach; N. de Jong; MD Verweij (2015). "Un sensor de ultrasonido micromecanizado óptico sensible (OMUS) basado en un resonador de anillo fotónico de silicio sobre una membrana acústica" . Scientific Reports . 5 14328. Bibcode : 2015NatSR...514328L . doi : 10.1038/srep14328 . PMC 4585719. PMID 26392386 .  
  7. ↑ Vieira, Silvio L.; Andrade, Marco AB (2020). "Frecuencias de resonancia traslacional y rotacional de un disco en un levitador acústico de un solo eje". Дщд . 127 (22): 224901. Bibcode : 2020JAP...127v4901V . doi : 10.1063/5.0007149 . S2CID 225744617 . 
  8. ↑ "Sondeo por eco / Métodos de sonido primitivos" . Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) . Biblioteca Central de la NOAA. 2006. En respuesta a la necesidad de un dispositivo de registro de profundidad más preciso, el Dr. Herbert Grove Dorsey, quien posteriormente 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 de aguas poco profundas y profundas. En 1925, el C&GS obtuvo el primer sondeo, diseñado y construido por la Submarine Signal Company.
  9. ↑ SCHNEIDER, MICHEL (1999). " Características de SonoVue™". Ecocardiografía . 16 (s1). Wiley: 743– 746. doi : 10.1111/j.1540-8175.1999.tb00144.x . ISSN 0742-2822 . PMID 11175217. S2CID 73314302 .   
  10. ↑ Srivastav, A.; Bhogi, K.; Mandal, S.; Sharad, M. (agosto de 2019). "Un esquema adaptativo de detección de anomalías de baja complejidad para ultrasonido portátil". IEEE Transactions on Circuits and Systems . 66 (8): 1466– 1470. Bibcode : 2019ITCSE..66.1466S . doi : 10.1109/TCSII.2018.2881612 . S2CID 117391787 . 
  11. ↑ "Los ecógrafos portátiles están a punto de revolucionar el mercado de la atención médica para la curación y el manejo del dolor" (Comunicado de prensa). Junio ​​de 2021.

Lecturas adicionales

  • Escolà A, Planas S, Rosell JR, Pomar J, Camp F, Solanelles F, Gracia F, Llorens J, Gil E (2011). "Rendimiento de un sensor de alcance ultrasónico en copas de manzanos" . Sensores . 11 (3): 2459– 77. Código Bib : 2011Senso..11.2459E . doi : 10.3390/s110302459 . PMC 3231637 . PMID 22163749 .  {{cite journal}}: CS1 maint: nombres múltiples: lista de autores ( enlace ) .