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fecha de publicación29.02.2016
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Infrasonido y Ultrasonido
Roslay Maryeline Bautista Delgado
Sena C.E.E.T.
roslaymaryi@hotmail.com



Resumen: Un infrasonido es una onda acústica o sonora cuya frecuencia está por debajo del espectro audible del oído humano (aproximadamente 20 Hz). Un ultrasonido es una onda acústica o sonora cuya frecuencia está por encima del espectro audible del oído humano (aproximadamente 20.000 Hz).
Palabras claves: audible, acústica, frecuencia, nivel, onda, sonora.
Abstract: An infrasound is an acoustic or sound wave whose frequency is below the audible range of human hearing (approximately 20 Hz). An ultrasound is an acoustic or sound wave whose frequency is above the audible range of human hearing (approximately 20,000 Hz).
Keywords: audible noise, frequency, level, wave, sound



  1. INTRODUCCIÓN


En este documento presentara los conceptos de infrasonido y ultrasonido, enunciando sus características principales y aplicaciones


II. OBJETIVOS


  • Conocer los conceptos básicos de infrasonido y ultrasonido.

  • Saber la diferencia entre uno y otro término.

  • Aplicar estos conceptos a nuestro estudio.


III. ELEMENTOS EMPLEADOS


  • Internet

  • Libros de electrónica y telecomunicaciones.


IV. MARCO TEORICO

Infrasonido: El infrasonido es utilizado por animales grandes como el elefante para comunicarse en amplias distancias (sonidos de 100 dB SPL [Nivel de Presión de Sonido] a unos pocos kilómetros a la redonda) sin problema alguno. La clave de que estos animales puedan oír a dichas distancias es la separación de sus oídos, ya que esta es directamente proporcional a la frecuencia de onda que pueden captar (en diferencia con los animales de cabezas pequeñas). Recientemente, se ha demostrado que los elefantes registran el infrasonido no sólo con sus oídos, sino también al sentir las vibraciones producidas por ellos mismos mediante sus patas, ya que sus uñas actúan como sensores conductores de sonidos de baja frecuencia.

Los desastres naturales como erupciones volcánicas, terremotos y tornados producen sonidos de una intensidad comparable con el sonido que hace una bomba atómica en su explosión, con la diferencia de que al estar por debajo de los 20 Hz son inaudibles al oído humano; lo que ha permitido iniciar investigaciones vulcanológicas y meteorológicas, para evitar futuros desastres.

La principal aplicación de los infrasonidos es la detección de objetos. Esto se hace debido a la escasa absorción de estas ondas en el medio, a diferencia de los ultrasonidos, como veremos. Por ejemplo una onda plana de 10 Hz se absorbe cuatro veces menos que una onda de 1000 Hz en el agua. El inconveniente es que los objetos a detectar deben ser bastante grandes ya que, a tales frecuencias, la longitud de la onda es muy grande lo cual limita el mínimo diámetro del objeto. Como ejemplo diremos que un infrasonido de 10 Hz tiene una longitud de onda de 34 m en el aire, luego los objetos a detectar deben tener un tamaño del orden de 20 m en el aire y 100 m en el agua.

Por su parte depredadores como los tigres utilizarían estas frecuencias presentes en sus rugidos como un complemento de sus tácticas de caza, no para ubicar a sus posibles presas sino por el efecto paralizante que puede llegar a tener el infrasonido.

Los infrasonidos pueden alcanzar largas distancias atravesando obstáculos sólidos. Pueden ser oídos por algunos animales con el oído adaptado a percibir frecuencias distintas a las del humano. Por ejemplo, los elefantes pueden oír 15 Hz a 2 km de distancia, también tigres y ballenas usarían infrasonidos para comunicarse.

Los infrasonidos son también normalmente producidos por el cuerpo humano, por ejemplo los músculos al resbalar unos sobre otros para permitir movimientos pueden producir infrasonidos de 25 Hz, el corazón produce infrasonidos en torno a los 20 Hz, incluso las orejas provocan infrasonidos (emisión otoacústica espontánea).[]

Se considera que los infrasonidos aunque no son conscientemente perceptibles pueden provocar estados de ansiedad, tristeza, temblores en ocasiones por imperceptibles desplazamientos de aire.[] Por ejemplo, ondas de elevado volumen pero comprendidas entre los 0,5 y 10 Hz, son suficientes para hacer vibrar al vestíbulo (parte del laberinto auricular, en el oído interno).

Los infrasonidos producidos por motores como los de ciertos acondicionadores de aire o aviones de reacción pueden provocar vértigos, náuseas y cefaleas al ser afectado el laberinto auricular.


Aplicaciones de los infrasonidos


La principal aplicación de los infrasonidos es la detección de objetos. Esto se hace debido a la escasa absorción de estas ondas en el medio, a diferencia de los ultrasonidos, como veremos. Por ejemplo una onda plana de 10 Hz se absorbe cuatro veces menos que una onda de 1000 Hz en el agua. El inconveniente es que los objetos a detectar deben ser bastante grandes ya que, a tales frecuencias, la longitud de la onda es muy grande lo cual limita el mínimo diámetro del objeto. Como ejemplo diremos que un infrasonido de 10 Hz tiene una longitud de onda de 34 m en el aire, luego los objetos a detectar deben tener un tamaño del orden de 20 m en el aire y 100 m en el agua.

Los investigadores del infrasonido están interesados en sonidos de 10 Hz y más bajos (hasta 0,001 Hz). De hecho, este rango de frecuencias es el mismo que utilizan los sismógrafos para monitorear terremotos o los sensores infrasónicos para descubrir las señales acústicas provenientes de las explosiones. Debido a que tanto volcanes, tornados, turbulencias como meteoros, producen infrasonido, se podría detectar dichas ondas y prevenir algún desastre natural.

En un futuro no muy lejano se construirán estaciones de infrasonidos con el fin de resolver, por ejemplo, los problemas de falsas alarmas. Otras técnicas acústicas se pueden utilizar en el campo de la medicina, por ejemplo en relación con la enfermedad de los huesos u osteoporosis. Esto último se está desarrollando en la actualidad y todavía no presenta una interpretación clara.

[]ULTRASONIDO: Es un onda acústica que no puede ser percibida por el hombre por estar en una frecuencia más alta de lo que puede captar el oído. Este límite se encuentra aproximadamente en los 20 KHz. En cambio otros animales, como murciélagos, delfines y perros, logran oír estas frecuencias, e incluso utilizarlas como radar para orientarse y cazar.

Los ultrasonidos, son utilizados tanto en aplicaciones industriales (medición de distancias, caracterización interna de materiales, ensayos no destructivos y otros), como en medicina (ver por ejemplo ecografía, fisioterapia, ultrasonoterapia).

En el campo médico se les llama a equipos de ultrasonido a dispositivos tales como el doppler fetal, el cual utiliza ondas de ultrasonido de entre 2 a 3 MHz para detectar la frecuencia cardíaca fetal dentro del vientre materno.

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):



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:

  • Scan A: Sistema de eco pulsado compuesto por un generador, que simultáneamente estimula el transmisor y el generador de barrido, y un receptor, que recoge los ecos devueltos.



  • Scan B: Se trata simplemente de una agrupación de líneas A y se utiliza para representar una sección anatómica del paciente.



  • Modo M: Se utiliza para estudiar movimientos de órganos, especialmente del corazón (ecocardiogramas). Un registro de tiempo-posición representa cómo varía una línea de eco A en función del tiempo.



  • Técnica real time: Simplemente se trata de obtener imágenes en modo B a una tasa del orden de 40 por segundo. En ese caso, el ojo humano percibe una imagen en movimiento.

  • Técnicas Doppler: Cuando el haz sonoro rebota en una superficie inmóvil, la frecuencia del haz reflejado es la misma que la del haz transmitido, pero si la superficie se mueve, el ultrasonido reflejado tendrá diferente frecuencia que el emitido (efecto Doppler). Esto se puede analizar para estudiar dicho movimiento.

Veamos algunas ecografías a modo de ilustración:

Ecocardigrafia Doppler



Ecografia 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 los 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 aluminio 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.

V. CONCLUSIONES

  • Se comprendió el rango de frecuencias que caracterizan a los infrasonidos y a los ultrasonidos.

  • Pudimos observar las importantes aplicaciones de los ultrasonidos y nos enteramos que las frecuencias de los infrasonidos también puede tener aplicaciones pues se transmiten por largas distancias y tienen mas penetración que una onda de ultrasonido.



VI. BIBLIOGRAFIA






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