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Detección de ultrasonidos

Ya hemos visto diversos métodos que permitían generar ondas ultrasónica. Nos preguntamos ahora por la existencia de sistemas de detección y medida de ultrasonidos. Estos sistemas son importantes puesto que, en ciertas ocasiones, necesitaremos medir un campo ultrasónico para conocer sus características; otras veces, la energía recibida habrá que convertirla en otro tipo de energía; y habrá otros casos en los que el objetivo último sea simplemente la detección cualitativa de los ultrasonidos. Veamos los distintos tipos de detectores que existen.

Detectores mecánicos

La idea de estos detectores es utilizar un disco o una placa sobre la cual incidirá la onda ultrasónica en dirección normal. Cuando se produzca esta incidencia, la onda ejercerá una presión sobre el disco que lo hará girar, pudiendo medir la energía incidente.

Detectores eléctricos

La propiedad general que se utiliza aquí es la siguiente: La resistencia de un hilo fino calentado eléctricamente es proporcional a la velocidad del aire que pasa alrededor de él. Dicho esto, el funcionamiento de este tipo de detectores es inmediato: la onda ultrasónica proporcionará diferentes velocidades en el aire, que se traducirán en variaciones en la resistencia del hilo.

Detectores electrónicos

Estos métodos son de los más exactos a la hora de medir las características de un ultrasonido en un fluido. La idea es la siguiente: se utiliza una especie de columna llamada interferómetro. En un lado, se sitúa la entrada del ultrasonido y, en el otro, un reflector. La clave es crear una onda estacionaria para un mejor estudio.

Dentro de este grupo existen otros dispositivos muy útiles: los micrófonos. Estos dispositivos están basados en procesos ya vistos (piezoelectricidad, magnetoestricción, etc.). Los transductores piezoeléctricos son ampliamente utilizados aunque presentan ciertos inconvenientes, como son un estrecho margen de frecuencias a procesar y una gran sensibilidad al ruido electromagnético.

Detectores calorimétricos

El principio que utiliza este tipo de detectores es el de que cuando una onda sonora es absorbida por un determinado material, se produce un aumento de temperatura del mismo. El calor producido se puede relacionar directamente con la energía de la onda.

Detectores ópticos

Los detectores ópticos resuelven los inconvenientes de los transductores piezoeléctricos: son poco sensibles al ruido y presentan anchos de banda muy superiores. El funcionamiento no es simple; aquí vamos a exponer la idea esencial. Cuando la onda ultrasónica incide sobre una superficie, se produce un leve desplazamiento de la misma. La clave está en focalizar un rayo láser de referencia sobre la superficie del material de estudio. Los movimientos que produce el ultrasonido afectan a la fase de la luz reflejada. El desplazamiento de fase produce, a su vez, un desplazamiento de frecuencia. El conocimiento de esto permite un estudio del ultrasonido.

Cómo se obtiene esta información? Se utilizan técnicas que combinan la luz reflejada y el rayo de referencia (técnicas interferométricas). Podemos hablar de dos configuraciones:

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Interferómetro Fabry-Perot. No depende del estado de la superficie y es el más utilizado. Desventajas tiene, como un precio elevado y una escasa sensibilidad a bajas frecuencias.

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Interferómetro Mach-Zehnder heterodino. Es más sensible a bajas frecuencias. Sin embargo, es más sensible al estado de la superficie del material (si no refleja muy bien la onda, el funcionamiento no es demasiado correcto).

 

Toda medida va acompañada del denominado efecto de carga, es decir, cuando tratamos de medir un campo ultrasónico, vamos a modificarlo siempre. Si el dispositivo es grande, la onda puede quedar interrumpida y si es pequeño, podemos generar difracción. En la actualidad, se han conseguido sistemas con efectos despreciables.

En la parte de aplicaciones veremos algo más en profundidad algunos sensores.

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