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ULTRASONIDO
Componentes de electrónica analógica I
Ing. Enrique M. Avila Perona
Ing. Enrique M. Avila Perona
Ultrasonido: Principios físicos
Ing. Enrique M. Avila Perona
Ultrasonido: Principios físicos
Ing. Enrique M. Avila Perona
Ultrasonido: Principios físicos
Material
Velocidad ( m/s)
Aire
330
Agua
1497
Metal
3000 - 6000
Grasa
1440
Sangre
1570
Tejidos blandos
1540
Ing. Enrique M. Avila Perona
Doppler: Principios físicos
El efecto Doppler, llamado así por el físico austríaco Christian
Andreas Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una
onda producido por el movimiento relativo de la fuente
respecto a su observador
confirmó que el tono de un sonido emitido por una fuente que
se aproxima al observador es más agudo que si la fuente se
aleja
Ing. Enrique M. Avila Perona
Definición
• Son ondas sonoras (mecánicas) que
superan el umbral humano.(>20 KHz)
Ing. Enrique M. Avila Perona
La generación de US se realiza por medio de un oscilador
electrónico que entrega su energía alterna a un material
piezoeléctrico, tiene la propiedad de deformarse al aplicarle
una tensión y viceversa.
El material piezoeléctrico se talla de manera tal que su
frecuencia natural coincida con la frecuencia del oscilador
eléctronico.
Características
Ing. Enrique M. Avila Perona
Física de US
• Intensidad Acústica
Potencia sonora que fluye por unidad de
superficie
• Terapéutica
– 5 Watt/cm2
• Diagnóstico
– 0.5 Watt/cm2
Ing. Enrique M. Avila Perona
Velocidades
• La velocidad es distinta y depende del tejido.
• Aire 3.48 m/seg
• Acero 3.324 m/seg
• Sangre 1,57 m/seg
• Higado 1.54 m/seg
• Hueso 3.3 m/seg
• Agua a 25º C 1.497 m/seg
Ing. Enrique M. Avila Perona
Impedancia acústica
Z = Velocidad x densidad Z = v
La velocidad del sonido en un medio multiplicada por las
densidad del mismo, da una magnitud que se llama
Impedancia Acústica característica, Z = v
En materiales de baja impedancia las ondas pierden
potencia rápidamente y alta imp. La inversa.
Las ondas transcurren con facilidad por un medio que tenga
una elevada Z.
Atraviesan con facilidad el acero, menos fácilmente el agua
y difícilmente el aire.
Ing. Enrique M. Avila Perona
Un transductor
1. Produce un sonido
2. Modifica un sonido
3. Almacena un sonido
4. Convierte energía de un tipo en energía de otro
tipo
Los transductores directos cumplen la ley de
reciprocidad
Características
1. Rango de operación
2. Sensibilidad
3. Compatibilidad
4. Robustez
5. Características de la señal de salida
Transductores
Ing. Enrique M. Avila Perona
Generación de Ultrasonidos
Oscilador electrónico que entrega c.a. a un material de Piezoeléctrico
Cuarzo (SiO2);
– Cerámicos
• Óxidos metálicos Ba Pb con TI y Zr
• Sulfato de Litio – Trabajan a 10 MHZ
• Ventajas: • Estabilidad Temp
• Envejecimiento
Ing. Enrique M. Avila Perona
Tipos de transductores
• Electroacústico
• Electromagnético
• Electromecánico
• Electroquímico
• Electroestático
• Fotoeléctrico
• Magnetoestrictivo
• Piezoeléctrico: Convierten un cambio en la magnitud que se va
a medir en un cambio en la carga electrostática o tensión
generada a ciertos materiales cuando se encuentran sometidos
a un esfuerzo mecánico.
• Radiacústico
Ing. Enrique M. Avila Perona
Los ahuyentadores se basan en la transformación de una señal
electrónica de alta frecuencia en ondas ultrasónicas por medio de
dispositivos llamados transductores piezoeléctricos de última generación.
Principios de funcionamiento
Ing. Enrique M. Avila Perona
Los transductores usados en el diagnóstico por ultrasonido están basados
en el principio del efecto piezoeléctrico. Este principio indica que ciertos
materiales tienen la capacidad de cambiar sus dimensiones cuando están
colocados en un campo eléctrico e inversamente generan un campo
eléctrico cuando están sujetos a una deformación mecánica.
Los iones positivos y negativos en la estructura cristalizada del material
piezoeléctrico están unidos en forma tal, que existe una correlación
inmediata entre la forma del cristal y la diferencia de potencial entre la
superficie del mismo.
Principios de funcionamiento
Ing. Enrique M. Avila Perona
A su paso a través de los tejidos, y según las leyes ópticas, este haz de ultrasonido
puede ser: reflejado, refractado, difractado, dispersado y absorbido. La absorción
produce una pérdida de intensidad en los tejidos blandos, lo que causa que los
ultrasonidos de frecuencia alta tengan menor poder de penetración. En los huesos,
la absorción aumenta al cuadrado. Los fenómenos de reflexión y dispersión son
imprescindibles en ecografía diagnóstica. Sin embargo, la difracción y refracción
puede influir en forma negativa (artefactos). Los ultrasonidos reflejados y parte de
los dispersados se denominan “ECOS″.
Ing. Enrique M. Avila Perona
Métodos para la emisión y recepción
Clasificación
• Resonancia Frecuencia de resonancia
• Transparencia o de sombra Intensidad Acústica
• Pulso Eco Tiempo tránsito
• Resonancia
• Se basa en medición de la frecuencia de resonancia por reflexión (Ondas Estacionarias)
• Se usa para la medida de espesores de materiales de caras paralelas l = C/2 fn
• Transparencia o sombra
• Isonifica con una onda senoidal en dos porciones
• No proporciona información de posición del defecto
• Pulso o Eco
• Se basa en la transmisión y medición del eco por la recepción. D = C. t/2
Ing. Enrique M. Avila Perona
Medición de distancia por
método de pulso Eco
Emisor de US
Contador
d
Ing. Enrique M. Avila Perona
Aplicaciones Medicina
• Terapéutica 20 KHz hast 3 MHz • Diatermia
• Liptotricia
• Tartrectomía UltraSonica
• Diagnóstico 1 MHZ a 10 MHZ o más • Ecografía
• Monitor preparto
• Detectores fetales
Ing. Enrique M. Avila Perona
Fenómenos de transmisión
•Absorción de ondas sonoras
La IA es degrada a medida que el haz sonoro atraviesa el medio; la energía sonora
perdida se transforma en calor.
El grado de absorción en los líquidos y tejidos blandos, en dB por centímetros de
profundidad (dB/cm) aumenta en forma aproximadamente lineal a medida que aumenta la
frecuencia de la onda. En el hueso aumenta al cuadrado de la misma.
Para una frecuencia de 1 MHz por ejemplo, la disminución del nivel de IA, por cada cm de
recorrido es:
piel y músculo : 1,2 dB/cm
hueso: 15 dB/cm
sangre : 0,17 dB/cm
cerebro : 0,9 dB/cm
líquido cefalorraquídeo: 0,01 dB/cm
Ing. Enrique M. Avila Perona
Los materiales piezoeléctricos más usados
son:
•Cuarzo (SiO2)
•Cerámicas piezoeléctricas
(cristales artificiales producidos a base de
óxidos metálicos), el sulfato de litio, etc.
Materiales
Ing. Enrique M. Avila Perona
Diagrama de equipo de US
Control de
Potencia
Oscilador Amplificador
Salida
Sintonizada Transductor
Indicador
Ing. Enrique M. Avila Perona
Transdcutor Piezoléctrico
Ing. Enrique M. Avila Perona
Aplicaciones
• DIATERMIA
• Radiaciones electromagnéticas en las bandas de microondas y ondas cortas
• Ultrasonido
• ONDAS CORTAS long de onda de 11 metros con límites 27 a 27.240 MHz
• Cable
• Condensador
• Monopolar
• MICROONDAS
• Precauciones
Ing. Enrique M. Avila Perona
Liptotricia
Ing. Enrique M. Avila Perona
Equipos combinados
• APLICACIONES
• Atrofias, contracturas, celulitis,
• degeneración de tejidos y lesiones profundas.
• Efectos de tonificación y modelación.
Características 2 exclusivos cabezales de ultrasonido
dual (9 cm2 y 1,5 cm2) de 1MHz o 3 MHz.
- 4 canales de estimulación corporal.
- 1 canal facial.
- 1 canal combinado.
Ing. Enrique M. Avila Perona
Ultrasonido
• Ventajas :
• Barato e inocuo
• Tiempo real
• Portátil (quirófano,UCI)
• No radiación ionizante
• Sin medio de contraste
• Imágenes multiplanares
• Procedimiento
intervencionistas
• Independiente de la función
renal o hepática
Ing. Enrique M. Avila Perona
Ultrasonido
• Desventajas :
• No demuestra función ,
solo anatomía
• Dificultad con pacientes obesos
• Dificultad para ver estructuras profundas
• No puede ver a través del hueso y aire
Ing. Enrique M. Avila Perona
Ultrasonido Doppler
• Técnica especial de ultrasonido que evalúa tanto la
sangre como los vasos (arterias y venas)
• Tipos de Ultrasonido Doppler :
• Doppler Color ; Mide la dirección y velocidad de las
células sanguíneas en un vaso.
• Doppler Poder : Técnica para medir el flujo sanguíneo
en las arterias dentro de los órganos
• Doppler Espectral : Muestra las mediciones del flujo en
forma gráfica, en función de la distancia recorrida por
unidad de tiempo
Ing. Enrique M. Avila Perona
Ultrasonido
Indicaciones
• Patología vascular cerebral (carótidas)
• Patología abdominal
• Patología arterial de las extremidades
• Patología venosa (trombosis venosa
profunda)
• Patología inflamatoria
Ing. Enrique M. Avila Perona
Sonografía diagnóstica
Ultrasonido obstétrico • Edad gestacional
• Viabilidad fetal
• Localización del feto
• Situación de la placenta
• Número de fetos
• Alteraciones físicas
• Crecimiento fetal
• Movimientos y latidos cardiacos
• Sexo del feto
Ing. Enrique M. Avila Perona
Aplicaciones del ultrasonido Sonografía diagnóstica
• Corazón, abdomen, pelvis, cuello, tórax,
cerebro neonatal
• Más útil en obstetricia por su mayor seguridad
para obtener imágenes del feto
Ing. Enrique M. Avila Perona
Ing. Enrique M. Avila Perona
Aplicaciones Medicina • Las imágenes por ultrasonido, también
denominadas exploración por ultrasonido o ecografía, involucran la exposición del cuerpo a ondas acústicas de alta frecuencia para producir imágenes del interior del organismo.
• Las examinaciones por ultrasonido no utilizan radiación ionizante (como se usa en los rayos X).
• Debido a que las imágenes por ultrasonido se capturan en tiempo real, pueden mostrar la estructura y el movimiento de los órganos internos del cuerpo, como así también la sangre que fluye por los vasos sanguíneos.(Imagen Vesícula biliar)
Ing. Enrique M. Avila Perona
Ultrasonido Doppler
• Efecto Doppler desde 1954
• Valora flujo sanguíneo mostrado en color
• Detección de vasos pequeños y
evaluación del flujo
Ing. Enrique M. Avila Perona
Aplicaciones terapéuticas
• Técnicas: Abdominal, vaginal y rectal
• Tratamiento de tumores malignos y benignos
• Ultrasonido terapéutico
• Limpieza dental
• Tratamiento de cataratas
• Crecimiento de hueso, interrupción de la
barrera hematoencefálica
• Escleroterapia guiada por ultrasonido y
tratamiento con láser de venas varicosas
Continúa……
Ing. Enrique M. Avila Perona
Aplicaciones terapéuticas Continuación……
• Lipectomía y liposucción asistidas por
ultrasonido
• Trombólisis sistémica promovida por
ultrasonido en enfermedad vascular cerebral
• Regeneración terapéutica de dientes y hueso
• Elastografía
• Acción sinérgica con antibióticos en la
destrucción de bacterias
• Separación, concentración y manipulación de
micropartículas y de células biológicas
Ing. Enrique M. Avila Perona
Ultrasonido industrial
• Pruebas ultrasónicas para buscar defectos en
materiales y para medir el grosor de los
objetos
• Inspección en procesos modernos de
manufactura
• Inspección de metales, plásticos y
compuestos aeroespaciales
• Inspección de madera, concreto y cemento
• Transferencia de calor en líquidos
• Aumento de la producción de etanol en
molinos de maíz
Ing. Enrique M. Avila Perona
Limpieza ultrasónica
Humidificador ultrasónico
Identificación por ultrasonido
Ultrasonido y animales
Sonoquímica
Desintegración ultrasónica
Localización ultrasónica
Otros usos
Ing. Enrique M. Avila Perona
Equipo de inspección
ultrasónica • Equipo de inspección
Ultrasónica Equipo básico pulso-eco La selección deberá ser de acuerdo a las necesidades de inspección y al sistema de transmisión apropiado.
• Sin embargo, el sistema de transmisión pulso-eco es el más utilizado en la actualidad
Ing. Enrique M. Avila Perona
Partes del Equipo Transductor
• Transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente de salida.
• Los transductores pueden ser clasificados en los siguientes grupos de acuerdo a:
• a) Forma de propagar el haz ultrasónico: Haz recto y haz angular.
• b) Técnica de inspección: De contacto y de inmersión.
• c) Número de cristales: Un cristal, dos cristales o dual y de cristales múltiples.
• d) Grado de amortiguamiento: De banda ancha, banda angosta y de amortiguamiento interno.
• e) Aplicaciones especiales: Transductores libres, súper amortiguados, puntuales, periscópicos y con línea de retardo.
Ing. Enrique M. Avila Perona
Partes del Equipo Acoplantes • Los acoplantes normalmente usados
para la inspección por contacto son agua, aceites, glicerina, grasas de petróleo, grasa de silicón, pasta de tapiz y varias sustancias comerciales tipo pasta.
• La técnica ultrasónica necesita de un acoplante adecuado para transmitir el ultrasonido entre el transductor y la pieza de prueba.
• El acoplante puede ser líquido, semilíquido o pastoso.
Ing. Enrique M. Avila Perona
Bloques de calibración
• Los bloques patrones son usados para estandarizar la calibración del equipo y evaluar en forma comparativa las indicaciones obtenidas de la pieza de ensayo.
• Los patrones de referencia están hechos de materiales debidamente seleccionados para garantizar su sanidad interna y que satisfagan los requisitos de atenuación, tamaño de grano y tratamiento térmico
Ing. Enrique M. Avila Perona
Técnicas de Ultrasonido Técnica Pulso - Eco
• Se utiliza un solo
transductor que envía y
recibe el pulso (transmisor
– receptor) por lo que
requiere acceso a una sola
superficie.
Ing. Enrique M. Avila Perona
Técnica de transmisión a través
• Técnicas de Ultrasonido
se utiliza un transmisory
un receptor, solo que en
este caso se encuentran
localizados en
superficies opuestas.
Ing. Enrique M. Avila Perona
Aplicaciones Ingeniería
Mecánica • Detectar etapa incipiente de falla en
rodamientos, impedir el exceso o falta de lubricación, Cavitación en bombas, motores, cajas de engranajes, ventiladores, compresores, desgastes en los materiales, corrosión de materiales, verificación del estado de pinturas, forjas, fundiciones y laminas.
• También para detectar algunas falencias en los materiales y equipos tales como fallas, grietas, estructura granular, soldaduras y fracturas. En general la industria de automóviles, trenes, barcos y aviones.
Ing. Enrique M. Avila Perona
Aplicaciones Sector Civil
• El ultrasonido es útil para detectar el espesor de materiales como el concreto, ayuda a detectar fallas en materiales como corrosión o desgaste en tuberías, y ayuda a detectar la cantidad de flujo que pasa através de un ducto, ejemplo delos acueductos.
Ing. Enrique M. Avila Perona
Aplicaciones de corrosión
Ing. Enrique M. Avila Perona
Ventajas del Ultrasonido
• Es una técnica muy sensible y que puede cubrir áreas muy grandes en una sola prueba, en comparación con otra técnica de ensayo no destructivo.
• Mayor poder de penetración que otras técnicas de ensayo no destructivo.
• Fácil acceso a la superficie de los materiales.
• No representa ningún peligro para el operario
• Es portátil, por lo tanto es de gran ayuda para inspecciones de tuberías a largas distancias de la refinería o del pozo.
• Gran velocidad de prueba; debido a que la operación es electrónica, proporciona indicaciones prácticamente instantáneas de la presencia de discontinuidades.
• Mayor exactitud: En comparación con los demás métodos no destructivos, en la determinación de la posición de discontinuidades internas, estimando sus tamaños, orientaciones, forma y profundidad.
Ing. Enrique M. Avila Perona
Ventajas del Ultrasonido
• Alto poder de penetración: Lo que permite localizar discontinuidades a una gran profundidad (varios metros).
• Buena resolución: Siendo esta característica la que determina que puedan diferenciarse los ecos procedentes de discontinuidades próximas en profundidad.
• Permite la interpretación inmediata, la automatización y el control del proceso de fabricación.
• No utiliza radiaciones perjudiciales para el organismo humano y no tiene efectos sobre el material inspeccionado.
• Accesibilidad: Solo requiere acceso por un lado del material.
• Seguridad: No requiere condiciones especiales de seguridad.
• Alta sensibilidad: Permitiendo la detección de discontinuidades extremadamente pequeñas.
Ing. Enrique M. Avila Perona
Desventajas del Ultrasonido
• Está limitado por la geometría, estructura interna, espesor y acabado superficial de los materiales sujetos a inspección.
• Localiza mejor aquellas discontinuidades que son perpendiculares al haz de sonido.
• Las partes pequeñas o delgadas son difíciles de inspeccionar por este método.
• El equipo puede tener un costo elevado, que depende del nivel de sensibilidad y de sofisticación requerido.
• El personal debe estar calificado y generalmente requiere de mucho mayor entrenamiento y experiencia para este método que para cualquier otro de los métodos de inspección.
• La interpretación de las indicaciones requiere de mucho entrenamiento y experiencia de parte del operador.
Ing. Enrique M. Avila Perona
Equipos Comerciales • Las aplicaciones típicas son la inspección
de soldaduras, pruebas de corrosión,
piezas pequeñas/forjados y la
comprobación de laminación
• Los equipos y sistemas industriales de
limpieza por ultrasonidos están orientados
a lograr una limpieza acorde con los
estrictos requisitos de los diferentes
sectores industriales y sus procesos de
producción. Las técnicas de lavado por
inmersión en cubas de ultrasonido
permiten reducir costes y mejorar la
competitividad consiguiendo acabados de
alta calidad en el tratamiento de piezas y
superficies: desengrase, decapado,
descarbonización...
Ing. Enrique M. Avila Perona
Bibliografía
• FUENTES, Miguel Angel; LÓPEZ MEDINA, Fredy; RAMIREZ, Juan Pablo; Ultrasonido Industrial (técnicas de inspección), algunas imágenes y texto de la presentación fueron basadas en esta exposición.
• Revista de la Facultad de Ingeniería Industrial, Vol. (8) 1: pp. 25-28(2005) UNMSM ISSN: 1560-9146 (impreso) / ISSN: 1810-9993(electrónico), El ultrasonido y su aplicación., febrero de 2005.
• Ensayos no destructivos - calificación de personal criterios para la evaluación práctica en el método de ultrasonidos - nivel 1, (utilizando piezas de examen mecanizadas). Norma IRAM-ISO 9712.
• http://www.acquip.com; Ultrasonido: Otra Herramienta de Mantenimiento Predictivo, Septiembre 8 de 2010, Empresa de servicios, aplicación industrial.
Ing. Enrique M. Avila Perona