Aplicaciones de los ultrasonidos

Procedemos ahora a estudiar la que quizás es la parte más interesante de los ultrasonidos: sus aplicaciones. Numerosos son los factores que intervienen en los ultrasonidos y son claves para el estudio de sus aplicaciones: frecuencia, potencia radiada, duración de las radiaciones, pérdidas en el medio, etc. También hay que considerar los efectos sobre el medio: desplazamiento de las partículas, presión acústica, etc. Veamos las principales aplicaciones de los ultrasonidos.

Guiado y sondeo

Una de las principales aplicaciones de los ultrasonidos es la que tiene que ver con los sensores para guiado y sondeo. Aquí es donde entra en juego el tema de acústica submarina, aplicado en el sondeo del fondo del mar, navegación de submarinos, detección de bancos de pescado, etc.

Este uso de los ultrasonidos a modo de radar es utilizado por animales, concretamente por los murciélagos, cuyo sentido del oído está muy desarrollado, llegando incluso a escuchar frecuencias cercanas a los 100 KHz. La idea es que estos animales emiten pulsos ultrasónicos que rebotan en los objetos de alrededor. Los ecos son procesados y el murciélago puede llegar a tener una verdadera visión tridimensional del ambiente.

Cuando pensamos en este tipo de aplicaciones quizá nos viene a la mente la idea de la acústica submarina. Sin embargo, se dan muchas aplicaciones en el guiado de robots con navegación autónoma. El funcionamiento genérico es bastante simple: se trata de emitir pulsos ultrasónicos y contar el tiempo que tardan en regresar. De este modo, conociendo la velocidad de propagación, se puede estimar la distancia recorrida por la onda (ida y vuelta al obstáculo). Veamos un ejemplo genérico:

Y el funcionamiento de un sensor determinado (modelo comercial SRF04):

¿Cuál es el problema de este tipo de detectores simples? Pues que al fijar un nivel de detección adecuado para distancias pequeñas, no se distinguen los ecos de las señales grandes. Si fijamos el umbral para detectar distancias grandes, el ruido existente puede dar lugar a altas probabilidades de error. Una forma de solucionar esto es introducir complejidad en los circuitos variando la ganancia o el umbral de detección según las distancias sean superiores o inferiores. Otra solución es utilizar el llamado sistema alternativo combinado, consistente en un análisis conjunto de frecuencia y amplitud:

Veamos un ejemplo de este método:

               Señales obtenidas con el detector de tonos                         Señales obtenidas con el detector de nivel

No nos podemos olvidar, desde luego, del famoso sónar. Este aparato se basa en el principio del radar para poder estudiar el espacio marino y detectar obstáculos en la trayectoria de submarinos, bancos pesqueros, icebergs, etc. La utilización de ultrasonidos es fundamental puesto que las ondas electromagnéticas (características del radar convencional) no admiten propagación por el agua.

Medicina y biología

Ya hemos hablado en el apartado de efectos acerca de las posibilidades de los ultrasonidos para curar ciertas dolencias. Aquí nos centraremos más en la diagnosis. La técnica más conocida, sin ninguna duda, es la ecografía. La idea, una vez más, es inyectar ultrasonidos a través de la piel en el organismo del paciente (baja intensidad, en torno a unos pocos miliwatios). Estos se reflejan a medida que vayan pasando de unos medios a otros y los ecos son procesados para mostrarlos finalmente por pantalla. Todos hemos visto cómo los médicos aplican un gel sobre la piel antes de producir los ultrasonidos, pues bien, este gel no es más que un material que sirve a modo de acoplo de impedancias para evitar la reflexión excesiva del ultrasonido en la propia superficie de la piel. Dado que lo que se está emitiendo son pulsos ultrasónicos, en la práctica se habla de métodos diagnósticos del eco pulsado, los cuales pueden ser de cinco tipos:

Veamos algunas ecografías a modo de ilustración:

                             Ecografía renal                                                   Ecografía vesical

                        Ecocardiografía Doppler                                           Ecografía de ovarios

Lo más novedoso en esta materia es la creación de ecografías tridimensionales, que se caracterizan por ser imágenes con una calidad realmente impresionante y en color. En la figura se puede ver un ejemplo. Este tipo de ecografías ayudan a la detección precoz de malformaciones y defectos genéticos.

Como ya hemos dicho, los ultrasonidos también poseen propiedades terapéuticas. Científicos de universidades británicas sugieren que la energía de estas ondas se pueda usar para que aumente la cantidad de medicamento que puede entrar en las células. La base está en que los ultrasonidos crean poros en las membranas celulares que regulan de algún modo la entrada de fármacos en la célula. Otras investigaciones se centran en el control del flujo sanguíneo cerebral, lo cual sería de gran ayuda a los médicos para prevenir crisis en este órgano.

Tratamiento de productos alimenticios

Desde hace unos años, se han venido desarrollando numerosas técnicas para el tratamiento de los alimentos. Frente a los métodos tradicionales, como la refrigeración, el ahumado, la pasteurización,... se están imponiendo otros nuevos como las altas presiones o los ultrasonidos.

Lo primero que diremos es que estas técnicas están en investigación. La aplicación de ultrasonidos se llama de procesado mínimo puesto que la idea es destruir los microorganismos que dañan los alimentos pero sin cambiar la apariencia externa de los mismos. Lo que hacen las ondas ultrasónicas es destruir la membrana celular de estos organismos, provocándoles la muerte como es lógico. De todas formas, esta técnica no es válida para cualquier producto puesto que algunos conducen muy bien los ultrasonidos y otros no.

Últimamente se está investigando también en la aplicación de ultrasonidos a la purificación del agua, concretamente para la limpieza de filtros. La clave está en el fenómeno de la cavitación: si logramos que se produzcan burbujas y que estas colisionen limpiando la suciedad de los filtros tendremos un excelente método para depurar el agua.

Las técnicas ultrasónicas también tienen su aplicación en el cálculo del porcentaje de grasa de un alimento. Esto se debe a que hueso, músculo y grasa poseen impedancias acústicas distintas, luego se puede medir el grosor del tejido graso y hacer una estimación del total de grasa contenido en el cuerpo.

Aplicaciones físicas

Las aplicaciones físicas de los ultrasonidos se centran, esencialmente en la medida de las propiedades elásticas y las condiciones de propagación en los sólidos. La idea aquí es, simplemente, el estudio de la propagación de un ultrasonido en el material. Otras aplicaciones se centran en el estudio de explosiones, determinación de las propiedades físicas de líquidos y gases, localización de baches de aire (fundamental para la navegación aérea), etc.

Aplicaciones químicas

Los ultrasonidos también tienen aplicaciones en el campo de la Química. Su principal función aquí es la de activar ciertos compuestos con el fin de acelerar las reacciones químicas en los procesos de fabricación de materiales organometálicos. En los últimos años, se ha creado una nueva rama de la Química: la Sonoquímica, con un futuro interesante.

Aplicaciones técnicas

La utilización de los ultrasonidos en la industria es variada. Podemos encontrar detectores de defectos en piezas metálicas, medición de espesor de las mismas, apertura automática de puertas, etc.

Quizá una de las aplicaciones más importantes en este sentido sea la soldadura de plásticos por ultrasonidos. Ventajas hay muchas: no es necesario un precalentamiento, es muy rápido, no genera contaminantes, la unión es en general mejor que con otros métodos, etc. Normalmente es necesaria una presión de lo materiales a unir pero, en las soldadoras más modernas, no es fundamental. La pieza clave, como se puede ver a la izquierda, es el sonotrodo, aparato hecho de alumino y titanio normalmente (materiales con buenas propiedades acústicas) que convierte los ultrasonidos en energía calorífica, la cual funde el plástico y lo une. Dicha energía es proporcional a la amplitud de la onda ultrasónica, como podemos imaginar. Las frecuencias de trabajo se sitúan entre los 20 y 40 KHz y la potencia es del orden de algunos miles de watios.

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