Sonido Ultrasónico

El término "ultrasonido" aplicado al sonido, se refiere a cualquiera por encima de las frecuencias del sonido audible, nominalmente incluye a los de más de 20.000 Hz. Las frecuencias utilizadas en ecografías de diagnóstico médico se extiende hasta 10 MHz y más allá.

Los sonidos en el rango de 20-100 kHz, son comúnmente utilizados en la comunicación y la navegación de los murciélagos, delfines, y algunas otras especies. Frecuencias mucho más altas, en el rango de 1-20 MHz, se utilizan en la ecografía médica. Tales sonidos son producidos por transductores ultrasónicos. Una amplia variedad de aplicaciones de diagnósticos médicos, utilizan tanto el tiempo de eco, como el desplazamiento Doppler de los sonidos reflejados, para medir la distancia a los órganos y estructuras internas, y la velocidad de movimiento de dichas estructuras. Es típico el ecocardiograma, en el cual se produce una imagen en movimiento de la acción del corazón en formato de vídeo, con colores falsos para indicar la velocidad y dirección del flujo sanguíneo, y los movimientos de las válvulas cardíacas. Las imágenes por ultrasonido cerca de la superficie del cuerpo, son capaces de resoluciones de menos de un milímetro. La resolución disminuye con la profundidad de penetración, ya que se deben usar frecuencias más bajas (la atenuación de las ondas en el tejido, aumenta con el incremento de frecuencia). El uso de longitudes de onda mayores, implica menor resolución, puesto que la resolución máxima de cualquier proceso de imágenes, es proporcional a la longitud de onda de las ondas de imágenes.

Murciélagos y Ultrasonidos

Los murciélagos utilizan los sonidos ultrasónicos para la navegación. Su habilidad para atrapar insectos voladores mientras vuelan a toda velocidad, en la oscuridad total, es asombrosa. Su sofisticada ecolocación , o ecolocalización (localización por eco), les permite distinguir entre una polilla (comida), y una hoja que cae.

Hay alrededor de 800 especies de murciélagos agrupadas en 17 familias. Las señales de ultrasonido utilizadas por estos murciélagos, se dividen en tres categorías principales. 1. Los llamados clics cortos (chasquidos), 2. Pulsos de barrido de frecuencia, y 3. Pulsos de frecuencia constante. Hay dos subórdenes, Megaquirópteros y Microquirópteros. Los megas usan clics cortos, los micros utilizan los otros dos. Los clicks con la boca, producen pares de clics separados por unos 30 ms, con 140 a 430 ms entre pares (Sales and Pye, Ultrasonic Communication by Animals), 10-60 kHz en la frecuencia de barrido de clics. Un tipo de murciélago, el verspertilionidae, tienen pulsos de barrido de frecuencia de 78 kHz a 39 kHz en 2,3 ms. Emite pulsos de 8 a 15 veces por segundo, pero puede aumentar a 150-200/s cuando tiene que realizar una maniobra difícil.

Sonidos en los Cetáceos

Las orcas producen una amplia variedad de clics, silbidos y pulsos de llamadas. Varían en frecuencias de 1 a 25 kHz. Hay manadas individuales de ballenas que tienen su propio dialecto distintivo de llamadas, similar a los pájaros cantores. Algunas de tales llamadas son conocidos por ser estable durante un período de 10 años. Las ballenas jorobadas producen una variedad de gemidos, ronquidos y gruñidos, que se repiten para formar lo que podríamos llamar canciones. La frecuencia de estas canciones varian desde aproximadamente 40 Hz a 5 kHz. Las ballenas cantoras son normalmente machos solitarios, que emiten en una zona de fondo profundo y suave, donde el sonido se propaga bién. Estos sonidos se interpretan como llamadas territoriales y de apareamiento. Las ballenas también son conocidas por producir algunos sonidos muy intensos de baja frecuencia, que pueden utilizar para aturdir o desorientar a las presas pequeñas de peces. Los delfines mulares producen sonidos en el rango de 7 a 15 kHz, que son de tonos continuamente variables. Además, producen ráfagas cortas de 20 a 170 kHz, presumiblemente para una mejor ecolocalización.

Los clics del delfín, provienen de unas pequeñas protuberancias cerca de su orificio nasal. No tienen cuerdas vocales.

Transductores Ultrasónicos

Los sonidos ultrasónicos pueden ser producidos por transductores que operan por efecto piezoeléctrico o por efecto magnetoestrictivo. Los transductores magnetoestrictivos, puede ser utilizados para producir sonido ultrasónico de alta intensidad en el rango de 20-40 kHz, para la limpieza ultrasónica y otras aplicaciones mecánicas.

El tratamiento de imágenes médicas por ultrasonidos, utiliza normalmente frecuencias de sonido mucho más altas, en el rango de 1-20 MHz. Tal ultrasonido se produce mediante la aplicación de la salida de un oscilador electrónico, a una delgada oblea de material piezoeléctrico, como el titanato zirconato de plomo. Las frecuencias más altas implican menores longitudes de onda y por lo tanto, mayores resoluciones en el proceso de creación de imágenes. La aplicación de las ideas básicas de formación de imágenes (por ejemplo, el criterio de Rayleigh), sugiere que la resolución de cualquier proceso de imágenes está limitado por difracción, a una dimensión similar a la longitud de onda de la onda utilizada en el proceso.

Titanato Zirconato de Plomo (PZT)

El material piezoeléctrico que ha sido mas ampliamente usado como transductor ultrasónico en aplicaciones de diagnóstico médico, es el titanato zirconato de plomo, llamado normalmente PZT, una forma abreviada de los símbolos del compuesto químico PbZrTi.