¿Cómo se hace el ultrasonido?
Es imposible que hagamos el ultrasonido de la misma manera que hacemos los sonidos normales: golpeando y soplando cosas, como hacemos, por ejemplo, con los instrumentos musicales. Eso es porque no podemos golpear y soplar las cosas lo suficientemente rápido. Pero podemos hacer ultrasonidos utilizando equipos eléctricos que vibran con una frecuencia extremadamente alta. Los cristales de algunos materiales (como el cuarzo) vibran muy rápido cuando se pasa electricidad a través de ellos, un efecto llamado piezoelectricidad. Al vibrar, empujan y tiran del aire que los rodea, produciendo ondas de ultrasonido. Los dispositivos que producen ondas de ultrasonido utilizando la piezoelectricidad se conocen como transductores piezoeléctricos. Los cristales piezoeléctricos también funcionan a la inversa: si las ondas de ultrasonido que viajan por el aire chocan con un cristal piezoeléctrico, aprietan su superficie muy ligeramente, provocando una breve ráfaga de electricidad que fluye a través de él. Así, si se conecta un cristal piezoeléctrico a un medidor eléctrico, se obtiene un detector de ultrasonidos instantáneo.
Trabajo: Cómo se hace el ultrasonido para limpiar cosas. 1) Un suministro de electricidad alterna de alta frecuencia envía energía a tres transductores piezoeléctricos (2). Éstos se agitan a frecuencias ultrasónicas, enviando sus vibraciones a una fina placa de cristal de cuarzo (3), que transmite las ondas (4) a una cubeta llena de líquido (5) en la que se colocan los objetos a limpiar.
Las ondas de ultrasonido pueden producirse utilizando el magnetismo en lugar de la electricidad. Al igual que los cristales piezoeléctricos producen ondas de ultrasonido en respuesta a la electricidad, existen otros cristales que producen ultrasonidos en respuesta al magnetismo. Se llaman cristales magnetostrictivos y los transductores que los utilizan se llaman transductores magnetostrictivos. (El efecto magnético se conoce como magnetostricción.)
¿Para qué se utilizan los ultrasonidos?
El uso de los ultrasonidos con fines prácticos se denomina a veces ultrasonidos, y se utiliza para todo, desde la soldadura y la perforación industrial hasta la producción de leche homogeneizada y películas fotográficas.
Exploración médica por ultrasonidos
Foto: Esta mujer embarazada observa una ecografía del bebé que se desarrolla en su vientre. Obsérvese el escáner de ultrasonidos (abajo a la derecha) moviéndose lentamente a través de su abdomen, y el monitor (arriba) mostrando la imagen de su hijo.Foto de Rafael Martie por cortesía de la Armada de EE.UU.
Probablemente el ejemplo más conocido de los ultrasonidos son las pruebas médicas.Para evitar tener que abrir el cuerpo para detectar una enfermedad, los médicos pueden simplemente pasar un escáner de ultrasonidos sobre la piel para ver el interior. La sonda del escáner suele parecerse a un ratón de ordenador y lleva incorporado un transductor que emite ondas de ultrasonido inofensivas hacia el interior del cuerpo. A medida que las ondas recorren los diferentes huesos y tejidos, se reflejan de nuevo hacia arriba. El mismo transductor (o uno distinto al lado) recibe las ondas reflejadas y un ordenador conectado al escáner las utiliza para dibujar en una pantalla una imagen detallada de lo que ocurre en su interior.Las exploraciones de fetos (bebés no nacidos que se desarrollan en el vientre materno) se realizan de esta manera.
Foto: Un primer plano de una pequeña sonda de ultrasonido. Foto de Rafael Martie por cortesía de la Marina de los Estados Unidos.
Pruebas no destructivas
Equipos similares se utilizan para comprobar los fallos en máquinas como los motores de los aviones. Si hay una grieta en el interior de un metal, inspeccionarlo desde dentro no revelará el problema. Pero si se pasa un escáner de ultrasonidos por el exterior del metal, la grieta interior perturbará y reflejará algunas de las ondas de ultrasonidos, por lo que el defecto aparecerá en el monitor de pruebas. Esta forma de inspeccionar los materiales se conoce como ensayo no destructivo, ya que no es necesario dañar o desmontar los objetos para comprobarlos.
Foto: Examen de un motor de avión mediante ensayos no destructivos por ultrasonidos. La inspectora mueve una sonda de ultrasonidos sobre un componente del avión con su mano derecha. Al mismo tiempo, ajusta el haz de ultrasonidos con la mano izquierda.Foto de Michelle Michaud por cortesía de las Fuerzas Aéreas de EE.UU.
Ultrasonidos de alta potencia
Las ondas de ultrasonidos de fuerza relativamente baja se utilizan para exploraciones médicas y ensayos no destructivos. Las ondas de ultrasonido mucho más potentes tienen usos muy diferentes. Si tiene un cálculo renal doloroso, el disparo de potentes ondas de ultrasonido desde el exterior de su cuerpo puede hacer que el cálculo vibre y se rompa. Las ondas ultrasónicas potentes también se utilizan a veces para destruir tumores cancerosos y lesiones cerebrales (regiones dañadas del cerebro). De manera similar, las ondas de ultrasonido pueden utilizarse para limpiar joyas, relojes, dientes postizos y una amplia gama de piezas de máquinas que pueden ser difíciles (o inaccesibles) de limpiar de otras maneras.
Sonar
Otro uso popular de los ultrasonidos es en los barcos, tanto para la navegación como para la localización de objetos bajo el agua. El sonido viaja más rápido por el agua que por el aire, lo que resulta muy útil porque la luz apenas viaja por el agua. La mayoría de la gente sabe que las ballenas pueden utilizar el sonido de baja frecuencia para comunicarse a través de océanos enteros.Los submarinos utilizan un truco similar con un tipo de navegación llamado sonar (sound navigation and ranging), que es un poco como un equivalente subacuático del radar.
Foto: Se necesita habilidad y concentración para supervisar una pantalla de escaneo de sonar. Este sistema está a bordo del buque USS Gladiator y se utiliza para detectar minas. Foto de Peter D. Lawlor por cortesía de la Marina de los Estados Unidos.
¿Cómo funciona? Cuando un submarino se encuentra en las profundidades de la superficie, puede encontrar su camino enviando pitidos de sonido y escuchando los ecos, al igual que un murciélago que utiliza la ecolocalización. Al cronometrar el tiempo que tardan los ecos en volver, el navegador de un submarino puede averiguar si hay otros barcos, submarinos u otros obstáculos cerca. El sonar también se utiliza en los barcos para calcular la profundidad del mar (o dibujar un mapa del fondo marino) disparando haces de sonido hacia abajo. Esta técnica se conoce como ecosonda.
Sonar de barrido lateral
Foto: Un típico sonar de barrido lateral de pez remolque. Este utiliza ultrasonidos a una frecuencia de 600 kHz, que está muy por encima del límite del oído humano. En esta imagen, se está conectando a un equipo a bordo de un barco de investigación científica antes de ser bajado al agua para ser arrastrado. Foto de John F. Williams, cortesía de la Armada de Estados Unidos.
Los distintos sistemas de sonar utilizan una gama muy amplia de frecuencias sonoras, desde los infrasonidos muy bajos (que pueden causar problemas a las ballenas y otras criaturas marinas), pasando por los sonidos audibles (el clásico ruido de «ping» que se oye en los submarinos de guerra en las películas), hasta los ultrasonidos muy altos (utilizados normalmente en los sistemas de localización de peces que utilizan, entre otros, los arrastreros industriales). Los sonidos de alta frecuencia se utilizan en el sonar de barrido lateral, en el que una pequeña unidad de barrido similar a un torpedo, llamada pez remolcador, se arrastra detrás de un barco y envía amplios haces de sonar a ambos lados. Los haces salen del pez remolcador en ángulos y se reflejan de nuevo, produciendo un perfil de una amplia zona del mar (y del lecho marino) que se encuentra debajo.El sonar de barrido lateral se utiliza en la arqueología marina (para localizar pecios en el lecho marino), en la investigación oceánica y en la simple pesca.Los distintos peces reflejan el sonido en diferente medida y, con habilidad y experiencia, es posible averiguar a partir del haz del sonar no sólo qué peces están presentes, sino cuántos hay en una zona determinada. Por lo general, cuanto mayor sea la frecuencia de sonido utilizada, más detalles se mostrarán, pero menor será el alcance en el que sea eficaz; las frecuencias más altas son las mejores para el trabajo detallado en pequeñas áreas de aguas relativamente poco profundas, mientras que las frecuencias más bajas son necesarias para aguas más profundas o para la detección de largo alcance.
