Mediciones de distancia implementando ultrasonido

Introducción

El sonido se origina por las vibraciones de un cuerpo sonoro. Está formado por ondas que se propagan a través de un medio que puede ser líquido, gaseoso o sólido, por lo que es indispensable un medio transmisor para que exista sonido. El sonido llega a nosotros gracias a que las partículas que componen el aire vibran y transmiten sus ondas.

Para entender el concepto de onda sonora, por analogía se puede comparar con una onda que se produce en una cuerda si está sometida a un movimiento ondulante. Si se toma una foto a la cuerda en un instante inicial (t1), se puede observar que un punto de la misma tendrá un valor de posición dado(d1), ahora bien, si transcurrido un instante (t2) se le toma otra foto, se observará que dicho punto estará ubicado en otra posición (d2), o sea que hubo un desplazamiento de partículas (ver fig. a) El tiempo que transcurre para que el punto desplazado regrese a su posición original es el periodo "T" de la onda y el inverso del periodo de ésta, es la frecuencia (F = 1/T)

• Fig. A Rangos de sonido:

Las personas podemos captar sonidos si estos están en un determinado rango de frecuencias, si la frecuencia del sonido producido por una fuente es inferior a 16 vibraciones por segundo (16 vib/seg), entonces ese sonido no es percibido por los seres humanos. A este tipo de sonido cuya frecuencia es menor de 16 vib/seg se llama infrasonido.

Ahora bien, existen sonidos cuya frecuencia es muy alta, es decir, aquellos que pasan de 20,000 vib/seg; estos tipos de sonido reciben el nombre de ultrasonido y no son captados por el ser humano (ver fig. b) Los ultrasonidos se producen por el efecto de una tensión eléctrica alterna aplicada sobre placas de cuarzo.

• Fig. b Principios físicos La amplitud (A), es desplazamiento máximo de una partícula desde su posición de cero.

La frecuencia (F), se define como él número de veces que ocurre un evento repetitivo (ciclo) por unidad de tiempo. Su unida Hertz.

La longitud de onda (?), es la distancia ocupada por una onda completa y es igual a la distancia a través de la cual se mueve la onda por periodo de ciclo.

La velocidad de propagación o velocidad acústica (V), es la velocidad de transmisión de la energía sonora a través de un medio.

Impedancia acústica (Z)- Es la resistencia de un material a las vibraciones de las ondas ultrasónicas. Es el producto de la velocidad máxima de vibración por la densidad del material.

Tipos de ondas • Ondas longitudinales.- Los desplazamientos de las partículas son paralelos a la dirección de propagación del ultrasonido.

• Ondas transversales.- Los desplazamientos de las partículas son en forma perpendicular a la dirección del haz ultrasónico.

• Ondas superficiales.- Son aquellas que se desplazan sobre la superficie del material y penetran a una profundidad máxima de una longitud de onda.

Los principales parámetros que deben ser controlados en un sistema ultrasónico son: Sensibilidad: Es la capacidad de un transductor para detectar discontinuidades pequeñas. Resolución: Es la capacidad para separar dos señales cercanas en tiempo o profundidad.

Frecuencia central: Los transductores deben utilizar en su rango de frecuencia especificado para obtener una aplicación optima.

Atenuación del haz: Es la perdida de energía de una onda ultrasónica al desplazarse a través de un material. Las causas principales son la dispersión y la absorción.

Reflexión • Es la cantidad de energía ultrasónica que es reflejada al incidir en una interfase acústica.

Ley de reflexión: El ángulo de onda reflejada es igual al ángulo de la onda incidente de la misma especie.

Refracción • Se lleva a cabo cuando un haz ultrasónico pasa de un medio a otro, siendo su velocidad del medio diferente entre sí y cambia la dirección en relación con la dirección de incidencia.

Ley de refracción: El cambio de dirección de la onda refractada, acercándose en la normal a su superficie de separación de ambos medios, depende de la velocidad del sonido en el segundo medio sea menor o mayor que en el primer medio.

V1 = Velocidad del medio1 a = Ángulo de incidencia V2 = Velocidad del medio2 ? = Ángulo de refracción Transductores Los transductores o sensores son el medio por el cual la energía eléctrica se convierte en energía mecánica (ondas sonoras) o viceversa. Opera debido al efecto piezoeléctrico, el cual consiste en que ciertos cristales cuando se tensionan, se polarizan eléctricamente y generan voltaje eléctrico entre las superficies opuestas. Esto es reversible en el sentido de que al aplicar un voltaje a través las caras de un cristal, se produce una deformación del mismo. Este efecto microscópico se origina por las propiedades de simetría de algunos cristales.