UNIVERSIDAD

Principales

DE

Características

Fundamentales

de los

CHILE

CONCEPCION

y

Propiedades

Ultrasonidos Dr.

Leopoldo

Muzzioli

Instituto

de Fisica.

Ingeniería

Perspectivas

ADirector Escuela

de

Química.

Biológicas Dr.

Bruno

GüntherDirector

de Fisiología.

Publicado por la Federación de Estudiantes (

1953)

Escuela

de

Instituto de

Medicina.

Concepción

Principales

Características

Fundamentales

de los

y

Propiedades

Ultrasonidos Dr. Leopoldo Muzzioli Instituto Ingeniería

de Física.

ADirector Escuelo

Química.

Publicado por la Federación de Estudiantes de Concepción (1953)

de

PRINCIPALES CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE LOS ULTRASONIDOS Dr. Leopoldo Muzzioli A., Director del Instituto de Física. Escuela de Ingeniería Química.

Antes del desarrollo de las principales características y propiedades fundamentales de los ultrasonidos, nos parece conveniente exponer en una visión panorámica algunas consideraciones sobre los sonidos en general, con el objeto de tener desde el principio una primera idea de las características de los sonidos mismos. La gama de los sonidos captados generalmente por el oído humano se extiende de 16 Hz a 16.000 Hz. Nota 1. Los sonidos de frecuencia inferior al límite inferior tienen el nombre de infrasonidos; los de frecuencia superior al límite superior, se llaman ultrasonidos. Así que en base a la frecuencia se puede hacer una primera clasificación de los sonidos que, en verdad, debe considerarse convencional y hasta cierto punto arbitraria y de carácter puramente cualitativo y de orientación, porque (como es conocido) el pasaje de la audibilidad a la no audibilidad tiene un carácter puramente subjetivo, debido a que algunos individuos oyen toda-

vía sonidos muy agudos que otros no perciben más; además la audibilidad depende también notablemente de la edad. Como se ve en la Tabla 1, los infrasonidos corresponden a vibraciones elásticas, cuya frecuencia es inferior a 16 Hz y que el oído humano es incapaz de percibir. Los infrasonidos proviene de un gran número de circunstancias de la vida cotidiana: abertura y cierre de ventanas y puertas; desplazamiento de un cuerpo pesado sobre un piso; desplazamiento rápido de un cuerpo en el aire, etc. En estos casos se provocan en los puntos del medio donde se propaga el infrasonido (por ejemplo, aire) oscilaciones (variaciones) de presión bastante débiles. Sin embargo, se producen a veces infrasonidos de desarrollo lento pero intensísimo» Puede ser interesante señalar que, por ejemplo, la erupción de ¡un volcán puede (en algunos casos) producir infrasonidos (inaudibles) que pueden dar la vuelta

T A B L A

DENOMINACION

FRECUENCIA inferior a 16 Hz de de de

1

16 Hz a 160 Hz a 1.600 Hz a

160 Hz 1.600 Hz 16.000 Hz

de 16.000 Hz a de 160.000 Hz a superior a

160.000 Hz 1.600.000 Hz 1.600.000 Hz

CARACTERISTICA

INFRASONIDOS:

NO AUDIBLES

SONIDOS: sonidos bajos sonidos medios sonidos agudos

AUDIBLES

ULTRASONIDOS: de baja frecuencia de media frecuencia de alta frecuencia

NO AUDIBLES

pondiente; además para cada frecuencia se tiene Un valor límite máximo para la intensidad, superando. el cual se tiene una sensación dolorosa. En la Fig. 1, tenemos dos curvas: la curva a representa el límite inferior de la audibilidad en .función de la frecuencia y la curva b el límite superior que produce una sensación dolorosa, también en función de la frecuencia. El área comprendida entre estas dos curvas representa, por lo tanto, la zona de audibilidad sin dolor de los sonidos de la acústica ordinaria.

al mundo en los dos sentidos, y provocar a miles de kilómetros de distancia variaciones de la presión atmosférica de algunos milímetros de mercurio. Los ultrasonidos corresponden a vibraciones elásticas inaudibles, cuya frecuencia es superior a 16 К Hz. Según la frecuencia, los ultrasonidos pueden gubdividirse, como indica la Tabla 1, en ultrasonidos de baja, de media y alta frecuencia. Los sonidos audibles corresponden a vibraciones elásticas, cuya frecuencia se considera conven-

4 ч

ю г

s

2

s

ю*

г

$

t>- Stntacióñ Dofot c>o

н/>

*

s

*

/

í*"')

FIG. 1 cionalmente, comprendida entre 16 Hz y 16 К Hz. Como se ve en la Tabla 1, los sonidos, en relación a la frecuencia pueden subdividirse en sonidos bajos, medios y agudos. Sin embargo, para que un sonido sea audible, no es suficiente que tenga una frecuencia aproximadamente comprendida entre estos límites; debe tener también una intensidad suficiente. En efecto, para cada frecuencia se tiene un valor mínimo de intensidad por debajo del cual el oído no puede captar el sonido corres-

Es interesante señalar cuan pequeño es el "dominio" de la palabra, representado por la zona achurada. Los sonidos audibles o no audibles se propagan en los gases y en los líquidos bajo forma de ondas elásticas longitudinales; en los sólidos se tienen también ondas transversales. La velocidad de propagación depende del medio donde los sonidos se popagan: a) Para los gases depende de la presión del gas, de su densidad

y de la relación entre el calor específico a presión constante y , a volumen constante. Nota 2; b) Para los líquidos depende de la densidad y de su coeficiente de compresibilidad. Nota 3; c) Para los sólidos depende del módulo de elasticidad y de la densidad. Nota 4. La velocidad de propagación depende en general, también de la temperatura y de varias otras magnitudes físicas características del medio. Como datos de orientación, creemos oportuno exponer los valores aproximados de la velocidad de propagación de los sonidos en al-

a aquella ultrasonora no se verifica evidentemente en forma neta y brusca; y la frecuencia de 16 К Hz, no representa de ninguna manera un límite neto, por cuanto se tiene en este caso algo semejante al pasaje de la luz visible a la ultravioleta. Es lógico, por lo tanto, pensar que no se tendrá una diferencia substancial de propiedades entre los sonidos y los ultrasonidos, mientras no se consideren ultrasonidos de frecuencias bastante superiores a las de la acústica ordinaria. Como en todas las categorías de fenómenos físicos del mismo tipo,

T A B L A VELOCIDAD •1 m. вед.

DE

2

PROPAGACION •1 Km. hora

MEDIO

DE

PROPAGACION

1

30S 343 338 671

4696 1235 1217 3496

GAS (209C. 7 760 mm de Hg.) hidrógeno aire nitrógeno bello

1 1 1 1

440 484 200 530

6184 Б342 3320 5508

LIQUIDO agua (109C.) agua (219C.) alcohol metílico cloruro de sodio (solución 15%)

5 5 3 2 1

000 105 480 700 300 40

18000 18378 12528 8720 4680 144

SOLIDO fierro aluminio latón plata plomo goma

gunos gases, líquidos y sólidos indicados en la Tabla 2. Después de estas premisas, referente a los sonidos en general, entremos ahora en el mundo de los ultrasonidos. Como hemos dicho, los ultrasonidos corresponden a ondas elásticas de frecuencia superior a 16 К "Hz; o mejor dicho, a frecuencia comprendidas entre 16 К Hz y 500 M Hz. Sin embargo, es necesario notar que el pasaje de la gama audible

es necesario cambiar radicalmente los órdenes de magnitud para alterar profundamente los aspectos del fenómeno. Las aplicaciones de los ultrasonidos son una consecuencia de las propiedades particulares de estas ondas. Vamos a exponer en forma sintética estas propiedades, para tener una idea del mundo ultrasonoro que corresponde a uno de los más fascinantes campos explo-

rados Npor la 'ciencia y la técnica moderna. 19—Con las altas frecuencias, es decir con las frecuencias muy elevadas con respecto a las de la acústica ordinaria, se tienen longitudes de 'onda bastante pequeñas, debido a la conocida relación según la cual la longitud de onda es igual a la velocidad de propagación partida por la frecuencia. Nota 5. Por ejemplo, un sonido audible de frecuencia de 343 Hz, tiene en el aire una longitud de onda de 1 metro; en cambio un ultrasonido de 343 M Hz tiene una longitud de onda de 1/1000 de milímetro. En el agua, con las mismas frecuencias, los valores aproximados de las longitudes de onda serían respectivamente 4 metros y 4/1000 de milímetro. Consecuencia importantísima de las pequeñas longitudes de onda es la dirigibilidad en la .propagación de los ultrasonidos, dirigibilidad que no tienen los sonidos de la acústica ordinaria, debido a su gran longitud de onda, y que para los ultrasonidos se realiza en forma tanto más notable cuanto más pequeña es la longitud de onda con respecto a las dimensiones de la fuente ultrasonora. Con los ultrasonidos se tiene, por lo tanto, la posibilidad de concentrar la energía ultrasonora en un cono de abertura muy pequeña, es decir, en un haz prácticamente cilindrico. Por otra parte, si un dispositivo receptor de los ultrasonidos, de dimensiones relativamente grandes en relación a la longitud de onda, es oblicuo con respecto a la dirección de propagación, los diferentes puntos de su ^superficie no captarán en el mismo instante vibraciones idénticas y, restándose el efecto producido en un punto con el efecto producido en otro, el receptor recibirá un efecto total hulo. Por consiguiente, debido a la dirigibilidad en la propagación de

los ultrasonidos de onda corta, será posible determinar la dirección exacta desde la cual proviene el haz ultrasonoro orientando oportunamente el receptor, ésto es, poniendo su superficie en dirección perpendicular al haz ultrasonoro. Los generadores ultrasonoros realizables, en el estado actual de la ciencia y de la técnica, pueden tener una frecuencia elevadísima y una notable potencia; es posible, por lo tanto, dirigir en una dirección determinada una enorme energía que puede provocar fenómenos y efectos que con los generadores de la acústica ordinaria ni podían preveerse. Además, se puede notar que con los ultrasonidos de alta frecuencia, debido a sus pequeñas longitudes de onda se tiene la posibilidad de experimentar en condiciones muy próximas a las de la óptica, sea geométrica o física; pudiéndose con un haz ultrasonoro obtener, por ejemplo, los fenómenos de reflexión, refracción y difracción guiados por leyes del mismo tipo de las correspondientes a la luz. A pesar de tratarse de fenómenos de naturaleza completamente diferentes, nos parece que se puede decir que para los ultrasonidos se /verifica alg*o semejante a ',1a propagación de las ondas radio cortas en comparación con las medias y largas. En efecto, se sabe muy bien que solamente con las ondas cortas es posible transmitir a grandes distancias (por ejemplo de Europa a América o vice-versa). Las antenas reflectoras de las ondas de radio a haz deben tener dimensiones de orden de magnitud de las longitudes de onda; y solamente con las ondas cortas es posible satisfacer esta condición. 20—La intensidad de la radiación, correspondiente a las altas frecuencias (a paridad de amplitud de vibración) es mucho mayor que la intensidad correspondiente a las bajas frecuencias, es decir,

a las frecuencias de los sonidos de la acústica ordinaria. E n efecto, dado que se puede demostrar que \la (intensidad de una radiación es proporcional al cuadrado de la frecuencia; se pueden obtener radiaciones de notable intensidad aun con pequeñísimas amplitudes de vibración, siempre que se aumente convenientemente la frecuencia. Nota 6. Para dar una idea de las notables energías que se pueden desarrollar con los ultrasonidos de alta frecuencia, nos parece interesante exponer los datos siguientes: en el estado actual de la ciencia y de la técnica, se pueden realizar fácilmente generadores ultrasonoros capaces de emitir potencia de 20 W/cm2; en cambio un cañón de calibre mediano emite una potencia sonora que es del orden de 1/1000 de W/cm2. En otros términos, la potencia ultrasonora por unidad de superficie, en este caso, es 20.000 veces más grande que una de las

mayores potencias sonoras conocidas. Puede ser interesante añadir que, por ejemplo, un violín tocado despacio emite una potencia total de 4/1.000.000 de W, un piano tocado muy fuerte, 4W y una orquesta de 75 ejecutores que tocan un "fortísimo" emite (como máximo) una potencia total de 70W. ¿No es asombroso que un pequeño generador de ultrasonidos a cuarzo de 10 cm2 de superficie pueda emitir en cambio una potencia total de 200 W? 39—En correspondencia a una determinada amplitud de vibración el valor máximo de la velocidad de dicha vibración aumenta muy rápidamente con la frecuencia. Nota 7. 40—Con el aumento de la frecuencia aumenta también notablemente el valor máximo de la aceleración de vibración. Nota 8. A título de información podemos notar que las partículas de un medio donde se propagan ul-

FIG 2

trasonidos adquieren, en general, aceleraciones de vibración enorme, que pueden alcanzar muy a menudo valores 100.000 veces el valor de la aceleración de gravedad. 59—Si una onda ultrosonora de alta frecuencia se propaga en un líquido, la presión en un punto del líquido puede subir notablemente, mientras que en otro punto a la distancia de algunos milésimos de milímetro del primero la presión disminuye en igual medida; y lo que es дйп más interesante señalar es que estas variaciones de presión en puntos tan cercanos se verifican en un tiempo que puede ser cientos de veces menor que un millonésimo de segundo. Las consideraciones generales sintetizadas en las cinco características anteriormente expuestas, y que a nuestro juicio pueden considerarse fundamentales para ,1a interpretación del comportamiento y de los efectos de los ultrasonidos, pueden sintetizarse en la siguiente forma: 19. Dirigibilidad de los ultrasonidos debida a su pequeña longitud de onda en relación a las dimensiones de las fuentes ultrasonoras.

29. Elevado valor de la energía emitida por una fuente ultrasonora debido a su alta frecuencia. 3