Ondas ultrasónicas: Propiedades, usos y ejemplos ¿Qué es una onda ultrasónica?
¿Qué son las ondas ultrasónicas?
Las ondas ultrasónicas son ondas de sonido con frecuencias por encima del límite superior del rango audible de un ser humano (>20 kHz). “Sonico” significa el rango audible o el sonido que los humanos pueden escuchar. En algunas definiciones, también se refiere a la velocidad de las ondas sonoras en el aire a 340 m/s.
Los dispositivos que pueden generar o detectar ondas ultrasónicas se denominan transductores ultrasónicos, que convierten la corriente alterna en ultrasonido y viceversa. Operan a través del efecto piezoeléctrico o del efecto magnetoestrictivo. Por ejemplo, un mecanismo para generar ondas ultrasónicas involucra un generador de señales eléctricas que envía ráfagas de energía eléctrica a un cristal piezoeléctrico en el transductor. La energía eléctrica hace que el cristal vibre mecánicamente y produzca ondas sonoras. Algunos transductores pueden producir sonido ultrasónico de alta intensidad (entre 20 y 40 kHz) para limpieza y otras aplicaciones mecánicas.
¿Qué es la frecuencia ultrasónica?
Como se menciona en la definición de física ultrasónica, las ondas ultrasónicas tienen frecuencias superiores a 20 kHz. Significa que la frecuencia ultrasónica está más allá del rango audible de los humanos, que está entre 20 Hz y 20 kHz. Si bien es cierto que los bebés pueden detectar frecuencias ligeramente superiores a 20 kHz, este límite superior se reduce significativamente con la edad y suele estar más cerca de 15-17 kHz en adultos.
Algunos animales, como los murciélagos y las ballenas, son sensibles a la frecuencia ultrasónica (20-100 kHz). Los murciélagos usan ondas ultrasónicas para navegar y cazar presas. Usan clics cortos o pulsos de frecuencia constante para atrapar insectos voladores mientras evitan obstáculos en cuevas o alrededores a oscuras. Los cachalotes también usan frecuencias que van desde 0,2 Hz a 32 kHz para vocalizar y escuchar sonidos. Emiten un pulso de sonido en el agua para ayudarlos a localizar a sus presas y determinar su forma, velocidad y dirección.
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Propiedades de ondas ultrasónicas
Algunas de las propiedades y características únicas de las ondas ultrasónicas incluyen las siguientes:
- Viajan unas 100 000 veces más lento que las ondas electromagnéticas, lo que brinda la oportunidad de mostrar información a tiempo y generar demoras.
- Pueden penetrar materiales opacos y pueden usarse para inspeccionar y visualizar su estructura interna.
- Se pueden reflejar y refractar como ondas electromagnéticas.
- Pueden viajar a través de varios medios (sólido, líquido, gas) pero no en el vacío. Además, viaja más rápido en sólidos que en líquidos y gases. La velocidad del sonido en el aire es de 340 m/s, 1530 m/s en el agua y 5850 m/s en el hierro.
- Las ondas de sonido que se mueven en el aire a 20 y 30 kHz tienen longitudes de onda de 1,7 cm y 1,1 cm, respectivamente.
Usos de ondas ultrasónicas
Las ondas ultrasónicas tienen diversas aplicaciones en los campos de la investigación, la industria y la medicina.
Uso de ondas ultrasónicas en investigación
Se están realizando estudios en curso para conocer diversas aplicaciones de ondas ultrasónicas, una de las cuales es la cavitación acústica. Es el proceso de crecimiento y colapso de burbujas en un medio líquido bajo ondas ultrasónicas. La oscilación y el colapso de estas burbujas producen varios efectos físicos, como ondas de choque, microchorros y turbulencia, que son valiosos en numerosas aplicaciones (p. ej., emulsificación, extracción, limpieza, etc.). Otro tema de investigación relacionado con la cavitación es la sonoluminiscencia, que ocurre cuando una pequeña burbuja de gas colapsa y emite luz. El estudio de la cavitación también proporciona información valiosa sobre las fuerzas intermoleculares que gobiernan las moléculas en un medio líquido.
Usos químicos y eléctricos de las ondas ultrasónicas
Las ondas sonoras de alta frecuencia aceleran las reacciones químicas (p. ej., reacciones de hidrólisis y alquilación), especialmente para las sustancias difíciles de descomponer, como la cera, la grasa y el aceite. Se han utilizado en el procesamiento de plásticos o alimentos para acelerar la extracción de muestras sólidas y la preparación de componentes traza. Además, las ondas ultrasónicas también se han empleado para hidrolizar contaminantes químicos en la tecnología de tratamiento de agua.
Otra aplicación de las ondas ultrasónicas es en los circuitos electrónicos de temporización. Utiliza una línea de retardo ultrasónica compuesta por una fina capa de material piezoeléctrico o magnetoestrictivo capaz de producir un retardo breve y preciso en las señales eléctricas. Convierte la señal de entrada eléctrica en una onda ultrasónica, permite que la onda viaje al material y luego la vuelve a convertir en una señal eléctrica.
Usos médicos de las ondas ultrasónicas
Las ondas ultrasónicas se utilizan en diversas aplicaciones médicas, incluidas, entre otras, las siguientes:
- Las frecuencias de ultrasonido en la frecuencia de 1-20 MHz se utilizan en aplicaciones de imágenes médicas. Un ecocardiograma, por ejemplo, usa ultrasonido para crear una imagen en movimiento de la actividad del corazón, indicando la velocidad y dirección del flujo sanguíneo y los movimientos de las válvulas del corazón.
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- También se utiliza en ecografías o sonogramas fetales para producir imágenes de un feto mientras está en el útero.
- Las ondas ultrasónicas también se usan en la litotricia, un procedimiento no invasivo que utiliza energía ultrasónica u ondas de choque para romper los cálculos renales en pedazos más pequeños y permitir que pasen fácilmente por las vías urinarias.
- También se están realizando estudios actuales sobre la eficacia del ultrasonido enfocado de alta intensidad (HIFU) para matar las células cancerosas. Implica el uso de una sonda de ultrasonido que emite ultrasonido de alta intensidad concentrado en un solo tumor o en una sección de un tumor grande. La mayoría de los estudios se centraron en el cáncer de próstata, pero también se ha utilizado en ensayos clínicos de cáncer de recto, cáncer de cuello uterino, sarcoma de tejidos blandos y cáncer de mama.
- Por último, las ondas ultrasónicas también se han utilizado para aliviar el dolor y reducir la hinchazón debido a enfermedades degenerativas relacionadas con el sistema musculoesquelético. Estimula y penetra en los tejidos que las almohadillas térmicas no pueden alcanzar.
Ejemplos de ondas ultrasónicas
Algunos ejemplos comunes y aplicaciones de ondas ultrasónicas incluyen lo siguiente:
- Los escáneres ecográficos de diagnóstico típicos producen ultrasonidos que van de 2 a 18 MHz. Producen imágenes de diagnóstico de tendones, músculos, articulaciones, vasos y órganos internos. Los de frecuencias más altas tienen longitudes de onda más pequeñas y se pueden usar para crear imágenes más detalladas.
- Los silbatos para perros están diseñados para emitir sonidos de alta frecuencia que pueden escuchar perros, gatos y otros animales. Los silbatos para perros ideales producen sonidos en frecuencias que van desde 23 Hz a 54 kHz.
- Las frecuencias entre 400 kHz y 25 MHz se utilizan en técnicas de prueba ultrasónica no destructivas para determinar fallas o defectos dentro del material.
Resumen de la lección
Las ondas ultrasónicas son ondas sonoras con frecuencias superiores a 20 kHz. Estas ondas están por encima del límite superior del rango audible de un ser humano (20 Hz – 20 kHz). Sin embargo, algunos animales, como las ballenas y los murciélagos, son sensibles a los sonidos de alta frecuencia. Por lo general, usan estas frecuencias para cazar a sus presas y navegar por su entorno. En general, las ondas ultrasónicas son 100 000 veces más lentas que las ondas electromagnéticas. Pueden reflejarse, refractarse y viajar a través de varios medios (p. ej., sólido, líquido y gas). Estas propiedades brindan la oportunidad de mostrar información y visualizar la estructura interna de un material. Los dispositivos que generan y detectan ondas ultrasónicas se denominan transductores ultrasónicos.
Las ondas ultrasónicas tienen diversas aplicaciones en los campos de la investigación, la industria y la medicina.
- Se utiliza para investigar aplicaciones de cavitación (crecimiento y colapso de burbujas).
- Proporciona información valiosa sobre las fuerzas intermoleculares que gobiernan los medios líquidos.
- Acelera las reacciones químicas en el procesamiento de alimentos, la agricultura y el tratamiento de desechos.
- Se emplea en imágenes médicas de diagnóstico, como ecocardiogramas y sonogramas.
- Ayuda a eliminar los cálculos renales, mata las células cancerosas y alivia el dolor en las articulaciones y la inflamación.
Aunque los humanos no pueden escuchar las ondas ultrasónicas, tiene muchas aplicaciones que benefician a los humanos. La investigación en curso continúa expandiendo sus usos en los campos industrial, tecnológico y médico.
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