Ultrasonido

El límite superior de frecuencia en humanos (aproximadamente 20  kHz) se debe a las limitaciones del oído medio . La sensación auditiva puede producirse si se introduce ultrasonido de alta intensidad directamente en el cráneo humano y llega a la cóclea a través de la conducción ósea , sin pasar por el oído medio. ^{[ 15 ]}

Los niños pueden oír algunos sonidos agudos que los adultos mayores no pueden oír, porque en los humanos el límite superior de audición tiende a disminuir con la edad. ^{[ 16 ]} Una compañía estadounidense de telefonía móvil ha utilizado esto para crear señales de timbre que supuestamente solo son audibles para los jóvenes, ^{[ 17 ]} pero muchas personas mayores pueden oír las señales, lo que puede deberse a la considerable variación del deterioro relacionado con la edad en el umbral auditivo superior.

Los murciélagos utilizan diversas técnicas de localización ultrasónica ( ecolocalización ) para detectar a sus presas. Pueden detectar frecuencias superiores a 100  kHz, posiblemente hasta 200  kHz. ^{[ 18 ]}

Muchos insectos tienen una buena audición ultrasónica, y la mayoría de ellos son insectos nocturnos que escuchan a los murciélagos que utilizan la ecolocalización. Esto incluye muchos grupos de polillas , escarabajos , mantis religiosas y crisopas . Al oír a un murciélago, algunos insectos realizan maniobras evasivas para evitar ser capturados. ^{[ 19 ]} Las frecuencias ultrasónicas desencadenan una acción refleja en la polilla nocturna que hace que descienda ligeramente en su vuelo para evadir el ataque. ^{[ 20 ]} Las polillas tigre también emiten clics que pueden perturbar la ecolocalización de los murciélagos, ^{[ 21 ] [ 22 ]} y en otros casos pueden anunciar que son venenosas emitiendo sonidos. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

El rango auditivo de perros y gatos se extiende hasta el ultrasonido; el límite superior del rango auditivo de un perro es de aproximadamente 45  kHz, mientras que el de un gato es de 64  kHz. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Los ancestros salvajes de gatos y perros desarrollaron este rango auditivo más alto para oír sonidos de alta frecuencia producidos por sus presas preferidas, los pequeños roedores. ^{[ 25 ]} Un silbato para perros es un silbato que emite ultrasonido, utilizado para entrenar y llamar a los perros. La frecuencia de la mayoría de los silbatos para perros está dentro del rango de 23 a 54  kHz. ^{[ 27 ]}

Las ballenas dentadas , incluidos los delfines , pueden oír ultrasonidos y utilizan estos sonidos en su sistema de navegación ( biosonar ) para orientarse y capturar presas. ^{[ 28 ]} Las marsopas tienen el límite superior de audición más alto conocido, alrededor de 160  kHz. ^{[ 29 ]} Varios tipos de peces pueden detectar ultrasonidos. En el orden Clupeiformes , se ha demostrado que los miembros de la subfamilia Alosinae ( sábalos ) pueden detectar sonidos de hasta 180  kHz, mientras que las otras subfamilias (por ejemplo, los arenques ) solo pueden oír hasta 4  kHz. ^{[ 30 ]}

No se ha informado de ninguna especie de ave que sea sensible a los ultrasonidos. ^{[ 31 ]}

Se han comercializado sistemas ultrasónicos para el supuesto control electrónico de plagas en interiores y el control ultrasónico de algas en exteriores . Sin embargo, no existe evidencia científica sobre la eficacia de estos dispositivos para estos fines. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

Un sistema de nivel o detección ultrasónica no requiere contacto con el objetivo. Para muchos procesos en las industrias médica, farmacéutica, militar y general, esto representa una ventaja sobre los sensores en línea, que pueden contaminar los líquidos dentro de un recipiente o tubo, o que pueden obstruirse con el producto.

Se utilizan tanto sistemas de onda continua como pulsados. El principio de la tecnología ultrasónica pulsada consiste en que la señal de transmisión se compone de breves pulsos de energía ultrasónica. Tras cada pulso, la electrónica busca una señal de retorno dentro de un pequeño intervalo de tiempo, correspondiente al tiempo que tarda la energía en atravesar el recipiente. Solo las señales recibidas durante este intervalo podrán ser procesadas posteriormente.

Una aplicación popular de la medición ultrasónica para el consumidor fue la cámara Polaroid SX-70 , que incluía un sistema transductor ligero para enfocar automáticamente la cámara. Posteriormente, Polaroid obtuvo la licencia de esta tecnología ultrasónica, que se convirtió en la base de diversos productos ultrasónicos.

Una aplicación común de los ultrasonidos es en los abridores automáticos de puertas, donde un sensor ultrasónico detecta la presencia de una persona y abre la puerta. Los sensores ultrasónicos también se utilizan para detectar intrusos; el ultrasonido puede cubrir una amplia zona desde un solo punto. El caudal en tuberías o canales abiertos se puede medir con caudalímetros ultrasónicos, que miden la velocidad media del líquido en movimiento.

En reología , un reómetro acústico se basa en el análisis de la propagación de ultrasonidos para determinar la viscosidad de un fluido.

En mecánica de fluidos , el flujo de fluidos se puede medir utilizando un caudalímetro ultrasónico basado en el efecto Doppler .

Las pruebas ultrasónicas son un tipo de ensayo no destructivo que se utiliza habitualmente para detectar defectos en los materiales y medir el espesor de los objetos. Las frecuencias  más comunes oscilan entre 2 y 10 MHz, aunque para fines especiales se emplean otras frecuencias. La inspección puede ser manual o automatizada y es una parte esencial de los procesos de fabricación modernos. Se pueden inspeccionar la mayoría de los metales, así como los plásticos y los materiales compuestos aeroespaciales . También se pueden utilizar ultrasonidos de baja frecuencia (50-500 kHz) para inspeccionar materiales menos densos como la madera, el hormigón y el cemento . 

La inspección ultrasónica de uniones soldadas ha sido una alternativa a la radiografía para ensayos no destructivos desde la década de 1960. La inspección ultrasónica elimina el uso de radiación ionizante, con ventajas en seguridad y costes. Además, puede proporcionar información adicional, como la profundidad de los defectos en una unión soldada. La inspección ultrasónica ha evolucionado desde métodos manuales hasta sistemas informatizados que automatizan gran parte del proceso. Una prueba ultrasónica de una unión puede identificar la existencia de defectos, medir su tamaño e identificar su ubicación. No todos los materiales soldados son igualmente aptos para la inspección ultrasónica; algunos materiales tienen un tamaño de grano grande que produce un alto nivel de ruido de fondo en las mediciones. ^{[ 35 ]}

La medición ultrasónica del espesor es una técnica utilizada para controlar la calidad de las soldaduras.

Un uso común del ultrasonido es la medición de distancias bajo el agua ; este uso también se conoce como sonar . Se genera un pulso ultrasónico en una dirección específica. Si hay un objeto en la trayectoria de este pulso, parte o la totalidad del mismo se reflejará de vuelta al transmisor como un eco , el cual puede ser detectado por el receptor. Midiendo la diferencia de tiempo entre el pulso transmitido y el eco recibido, es posible determinar la distancia.

El tiempo de propagación de los pulsos de sonar en el agua depende en gran medida de la temperatura y la salinidad. La medición ultrasónica también se utiliza en el aire y para distancias cortas. Por ejemplo, los dispositivos de medición ultrasónicos portátiles permiten medir rápidamente la distribución de las habitaciones.

Si bien la medición de distancias bajo el agua se realiza tanto en frecuencias subaudibles como audibles para grandes distancias (de 1 a varios kilómetros), la medición ultrasónica se utiliza cuando las distancias son más cortas y se busca una mayor precisión. Las mediciones ultrasónicas pueden verse limitadas por capas de barrera con grandes diferencias de salinidad, temperatura o vórtices. La medición de distancias en el agua abarca desde cientos hasta miles de metros, pero puede realizarse con una precisión de centímetros a metros para mayor exactitud.

La identificación por ultrasonido (USID, por sus siglas en inglés) es una tecnología de sistema de localización en tiempo real (RTLS, por sus siglas en inglés) o sistema de posicionamiento en interiores (IPS, por sus siglas en inglés) que se utiliza para rastrear e identificar automáticamente la ubicación de objetos en tiempo real mediante nodos sencillos y económicos (insignias/etiquetas) adheridos o integrados en objetos y dispositivos, que luego transmiten una señal de ultrasonido para comunicar su ubicación a sensores de micrófono.

La microscopía acústica es la técnica que utiliza ondas sonoras para visualizar estructuras demasiado pequeñas para ser observadas a simple vista. En los microscopios acústicos se emplean frecuencias altas y ultraaltas, de hasta varios gigahercios. La reflexión y la difracción de las ondas sonoras en las estructuras microscópicas pueden proporcionar información que no se puede obtener con la luz.

La ecografía médica es una técnica de diagnóstico por imagen basada en ultrasonido que se utiliza para visualizar músculos, tendones y muchos órganos internos, capturando su tamaño, estructura y cualquier lesión patológica mediante imágenes tomográficas en tiempo real. Los radiólogos y ecografistas han utilizado la ecografía para obtener imágenes del cuerpo humano durante al menos 50 años y se ha convertido en una herramienta de diagnóstico ampliamente utilizada. ^{[ 38 ]} Esta tecnología es relativamente económica y portátil, especialmente en comparación con otras técnicas, como la resonancia magnética (RM) y la tomografía computarizada (TC).

La ecografía también se utiliza para visualizar fetos durante la atención prenatal rutinaria y de emergencia . Estas aplicaciones diagnósticas utilizadas durante el embarazo se denominan ecografía obstétrica . La ecografía también se utiliza cada vez más en casos de traumatismos y primeros auxilios, y algunos equipos de respuesta de emergencias médicas la utilizan. Además, la ecografía se utiliza en casos de diagnóstico remoto donde se requiere teleconsulta , como en experimentos científicos en el espacio o en el diagnóstico de equipos deportivos móviles, ya que el equipo es más portátil en comparación con otros métodos de imagen. ^{[ 39 ]}

Según RadiologyInfo, ^{[ 40 ]} las ecografías son útiles para la detección de anomalías pélvicas y pueden incluir técnicas conocidas como ecografía abdominal (transabdominal), ecografía vaginal (transvaginal o endovaginal) en mujeres y también ecografía rectal (transrectal) en hombres.

En la ecografía Doppler , se mide la velocidad de los objetos junto con su posición. Esto resulta especialmente útil para analizar el flujo sanguíneo en el corazón ( ecocardiografía Doppler ).

Tal como se aplica actualmente en el campo médico, la ecografía realizada correctamente no presenta riesgos conocidos para el paciente. ^{[ 41 ]} La ecografía no utiliza radiación ionizante , y los niveles de potencia utilizados para la obtención de imágenes son demasiado bajos para causar efectos adversos de calentamiento o presión en los tejidos. ^{[ 42 ] [ 43 ]} Aunque los efectos a largo plazo debidos a la exposición a ultrasonidos con intensidad diagnóstica aún se desconocen, ^{[ 44 ]} actualmente la mayoría de los médicos consideran que los beneficios para los pacientes superan los riesgos. ^{[ 45 ]} Se ha defendido el principio ALARA (tan bajo como sea razonablemente posible) para un examen ecográfico , es decir, mantener el tiempo de exploración y los ajustes de potencia lo más bajos posible, pero consistentes con la obtención de imágenes diagnósticas , y que, según ese principio, se desaconsejan activamente los usos no médicos, que por definición no son necesarios. ^{[ 46 ]}  

La ecografía diagnóstica se utiliza externamente en caballos para evaluar lesiones de tejidos blandos y tendones, e internamente, en particular, para el trabajo reproductivo : evaluación del tracto reproductivo de la yegua y detección de gestación. ^{[ 47 ]} También puede utilizarse externamente en sementales para evaluar el estado y el diámetro testicular, así como internamente para la evaluación reproductiva (conducto deferente, etc.). ^{[ 48 ]} 

Para 2005, la industria ganadera bovina comenzó a utilizar la tecnología de ultrasonido para mejorar la salud animal y el rendimiento de las explotaciones ganaderas. ^{[ 49 ]} El ultrasonido se utiliza para evaluar el espesor de la grasa, el área del ojo de bife y la grasa intramuscular en animales vivos. ^{[ 50 ]} También se utiliza para evaluar la salud y las características de los terneros nonatos.

La tecnología de ultrasonido proporciona a los productores de ganado información que puede utilizarse para mejorar la cría y el manejo del ganado. Esta tecnología puede ser costosa y requiere una inversión de tiempo considerable para la recopilación continua de datos y la capacitación del operador. ^{[ 50 ]} Sin embargo, esta tecnología ha demostrado ser útil en la gestión y el funcionamiento de una explotación ganadera. ^{[ 49 ]}

El ultrasonido ha sido utilizado desde la década de 1940 por fisioterapeutas y terapeutas ocupacionales para tratar el tejido conectivo : ligamentos , tendones y fascia (y también tejido cicatricial ). ^{[ 51 ]} Las afecciones para las que se puede utilizar el ultrasonido para el tratamiento incluyen los siguientes ejemplos: esguinces de ligamentos, distensiones musculares , tendinitis , inflamación articular, fascitis plantar , metatarsalgia , irritación facetaria, síndrome de pinzamiento , bursitis , artritis reumatoide , osteoartritis y adherencia de tejido cicatricial.

Los ultrasonidos de potencia relativamente alta pueden desintegrar depósitos pétreos o tejido, aumentar la permeabilidad de la piel , acelerar el efecto de los fármacos en un área específica, ayudar en la medición de las propiedades elásticas del tejido y pueden utilizarse para clasificar células o partículas pequeñas para la investigación. ^{[ 52 ]}

El tratamiento de impacto ultrasónico (UIT) utiliza ultrasonidos para mejorar las propiedades mecánicas y físicas de los metales. ^{[ 53 ]} Es una técnica de procesamiento metalúrgico en la que se aplica energía ultrasónica a un objeto metálico. El tratamiento ultrasónico puede generar tensiones residuales de compresión controladas, refinamiento del grano y reducción del tamaño del grano. Se mejora la resistencia a la fatiga de bajo y alto ciclo, y se ha documentado que proporciona incrementos hasta diez veces mayores que en las muestras sin UIT. Además, el UIT ha demostrado ser eficaz para abordar el agrietamiento por corrosión bajo tensión , la fatiga por corrosión y problemas relacionados.

Cuando la herramienta UIT, compuesta por el transductor ultrasónico, los pasadores y otros componentes, entra en contacto con la pieza de trabajo, se acopla acústicamente con ella, creando una resonancia armónica. ^{[ 54 ]} Esta resonancia armónica se produce a una frecuencia cuidadosamente calibrada, a la que los metales responden de forma muy favorable.

Dependiendo de los efectos deseados del tratamiento, se aplica una combinación de diferentes frecuencias y amplitud de desplazamiento. Estas frecuencias oscilan entre 25 y 55  kHz, ^{[ 55 ]} con una amplitud de desplazamiento del cuerpo resonante de entre 22 y 50  μm (0,00087 y 0,0020 in).

Los dispositivos UIT se basan en transductores magnetostrictivos .

La sonicación ofrece un gran potencial en el procesamiento de líquidos y lodos, al mejorar la mezcla y las reacciones químicas en diversas aplicaciones e industrias. La sonicación genera ondas alternas de baja y alta presión en los líquidos, lo que provoca la formación y el colapso violento de pequeñas burbujas de vacío . Este fenómeno, denominado cavitación , genera chorros de líquido a alta velocidad y fuertes fuerzas de cizallamiento hidrodinámicas. Estos efectos se utilizan para la desaglomeración y molienda de materiales de tamaño micrométrico y nanométrico, así como para la desintegración de células o la mezcla de reactivos. En este sentido, la sonicación es una alternativa a los mezcladores de alta velocidad y a los molinos de bolas agitadores. Las láminas ultrasónicas situadas bajo el alambre móvil de una máquina de papel utilizan las ondas de choque de las burbujas que implosionan para distribuir las fibras de celulosa de forma más uniforme en la napa de papel producida, lo que da como resultado un papel más resistente con superficies más uniformes. Además, las reacciones químicas se benefician de los radicales libres creados por la cavitación, así como del aporte de energía y la transferencia de material a través de las capas límite. En muchos procesos, este efecto sonoquímico (véase sonoquímica ) conlleva una reducción sustancial del tiempo de reacción, como en la transesterificación del petróleo en biodiesel .

Se requiere una intensidad ultrasónica sustancial y altas amplitudes de vibración ultrasónica para muchas aplicaciones de procesamiento, como la nanocristalización, la nanoemulsificación, ^{[ 56 ]} la desaglomeración, la extracción, la ruptura celular, entre otras. Comúnmente, un proceso se prueba primero a escala de laboratorio para demostrar su viabilidad y establecer algunos de los parámetros de exposición ultrasónica necesarios. Una vez completada esta fase, el proceso se transfiere a una escala piloto (de banco) para la optimización de la preproducción en flujo continuo y luego a una escala industrial para la producción continua. Durante estas etapas de escalado, es esencial asegurar que todas las condiciones de exposición locales (amplitud ultrasónica, intensidad de cavitación , tiempo de permanencia en la zona de cavitación activa, etc.) permanezcan constantes. Si se cumple esta condición, la calidad del producto final se mantiene en el nivel optimizado, mientras que la productividad aumenta mediante un "factor de escalado" predecible. El aumento de la productividad se debe a que los sistemas de procesamiento ultrasónico a escala de laboratorio, de banco e industrial incorporan bocinas ultrasónicas cada vez más grandes , capaces de generar zonas de cavitación de alta intensidad cada vez mayores y, por lo tanto, de procesar más material por unidad de tiempo. Esto se denomina "escalabilidad directa". Es importante señalar que aumentar la potencia del procesador ultrasónico por sí solo no resulta en una escalabilidad directa, ya que puede ir (y con frecuencia va) acompañado de una reducción en la amplitud ultrasónica y la intensidad de la cavitación. Durante el escalado directo, deben mantenerse todas las condiciones de procesamiento, mientras que la potencia nominal del equipo aumenta para permitir el funcionamiento de una bocina ultrasónica más grande. ^{[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]}

Un investigador del Instituto de Investigación de Materiales Industriales, Alessandro Malutta, ideó un experimento que demostró la acción de atrapamiento de ondas estacionarias ultrasónicas sobre fibras de pulpa de madera diluidas en agua y su orientación paralela en planos de presión equidistantes. ^{[ 60 ]} El tiempo necesario para orientar las fibras en planos equidistantes se mide con un láser y un sensor electroóptico. Esto podría proporcionar a la industria papelera un sistema rápido de medición en línea del tamaño de las fibras. En la Universidad Estatal de Pensilvania se demostró una implementación algo diferente utilizando un microchip que generaba un par de ondas acústicas superficiales estacionarias perpendiculares, lo que permitía posicionar partículas equidistantes entre sí en una cuadrícula. Este experimento, denominado pinzas acústicas , puede utilizarse en aplicaciones de ciencias de los materiales, biología, física, química y nanotecnología.

Los limpiadores ultrasónicos , a veces llamados erróneamente limpiadores supersónicos , se utilizan a frecuencias de 20 a 40 kHz para limpiar joyas, lentes y otras piezas ópticas, relojes, instrumental dental , instrumental quirúrgico , reguladores de buceo y piezas industriales. Un limpiador ultrasónico funciona principalmente mediante la energía liberada por el colapso de millones de microburbujas de cavitación cerca de la superficie sucia. El colapso de estas burbujas genera pequeñas ondas de choque que fragmentan y dispersan los contaminantes de la superficie del objeto.

De forma similar a la limpieza ultrasónica, las células biológicas, incluidas las bacterias, pueden desintegrarse. El ultrasonido de alta potencia produce cavitación , lo que facilita la desintegración de partículas o reacciones químicas. Esto tiene aplicaciones en ciencias biológicas para fines analíticos o químicos ( sonicación y sonoporación ) y para eliminar bacterias en aguas residuales. El ultrasonido de alta potencia puede desintegrar la pulpa de maíz y mejorar la licuefacción y sacarificación para obtener un mayor rendimiento de etanol en plantas de molienda de maíz seco. ^{[ 61 ] [ 62 ]}

Las ondas ultrasónicas pueden utilizarse para crear una fina niebla de aerosol mediante la vibración de una pequeña placa metálica a frecuencias ultrasónicas, lo que permite nebulizar (a veces se denomina incorrectamente "atomizar") el líquido. Dado que el agua no se calienta para su evaporación, se produce una niebla fría.

La humidificación ultrasónica se puede utilizar en incubadoras neonatales ^{[ 63 ]} , para la nebulización de medicamentos para el tratamiento respiratorio, para la humidificación de habitaciones y como nebulizadores hidropónicos ultrasónicos utilizados en aeroponía .

Las ondas de presión ultrasónicas nebulizan no solo el agua, sino también los materiales que contiene. Esto puede ser beneficioso para administrar una niebla uniforme de medicamentos a las vías respiratorias durante la nebulización. ^{[ 64 ]} Sin embargo, el calcio, otros minerales, virus, hongos, bacterias y otras impurezas ^{[ 65 ]} también pueden estar presentes en la niebla creada, particularmente en los humidificadores de ambiente. La enfermedad causada por impurezas que residen en el depósito de un humidificador se denomina "fiebre del humidificador". ^{[ 65 ]}

En la soldadura ultrasónica de plásticos, se utiliza una vibración de baja amplitud y alta frecuencia (de 15  kHz a 40  kHz) para generar calor por fricción entre los materiales a unir. La interfaz entre las dos piezas está especialmente diseñada para concentrar la energía y lograr la máxima resistencia de la soldadura.

El ultrasonido de alta potencia en el  rango de 20 a 100 kHz se utiliza en química. El ultrasonido no interactúa directamente con las moléculas para inducir el cambio químico, ya que su longitud de onda típica (en el rango de los milímetros) es demasiado larga en comparación con las moléculas. En cambio, la energía provoca cavitación , lo que genera temperaturas y presiones extremas en el líquido donde tiene lugar la reacción. El ultrasonido también disgrega sólidos y elimina capas pasivantes de material inerte para proporcionar una mayor superficie sobre la que se produce la reacción. Ambos efectos aceleran la reacción. En 2008, Atul Kumar informó sobre la síntesis de ésteres de Hantzsch y derivados de polihidroquinolina mediante un protocolo de reacción multicomponente en micelas acuosas utilizando ultrasonido. ^{[ 66 ]}

El ultrasonido se utiliza en la extracción , empleando diferentes frecuencias.

El audio se puede propagar mediante ultrasonido modulado .

Una aplicación de ultrasonido popular en el pasado fue en los controles remotos de televisión para ajustar el volumen y cambiar de canal. Introducido por Zenith a finales de la década de 1950, el sistema utilizaba un control remoto portátil con resonadores de varilla corta golpeados por pequeños martillos y un micrófono en el televisor. Filtros y detectores diferenciaban entre las distintas operaciones. Las principales ventajas eran que no se necesitaba batería en el control remoto y que, a diferencia de las ondas de radio , era improbable que el ultrasonido afectara a los televisores vecinos. El ultrasonido se mantuvo en uso hasta que fue reemplazado por sistemas infrarrojos a partir de finales de la década de 1980. ^{[ 67 ]}

En julio de 2015, The Economist informó que investigadores de la Universidad de California, Berkeley, habían realizado estudios de ultrasonido utilizando diafragmas de grafeno . La delgadez y el bajo peso del grafeno, combinados con su resistencia, lo convierten en un material eficaz para su uso en comunicaciones por ultrasonido. Una posible aplicación de esta tecnología sería la comunicación subacuática, donde las ondas de radio generalmente no se propagan bien. ^{[ 68 ]}

Las señales ultrasónicas se han utilizado en "balizas de audio" para el seguimiento de usuarios de Internet a través de diferentes dispositivos . ^{[ 69 ] [ 70 ]}