Propagación de Ondas Sonoras: Conceptos Clave y Aplicaciones en Ultrasonido

Conceptos Fundamentales de las Ondas Sonoras

Una onda es la propagación de una perturbación de alguna propiedad del espacio, la cual transporta energía, pero no materia. El sonido es un tipo de onda mecánica, lo que significa que requiere un medio material (sólido, líquido o gaseoso) para propagar su energía. Dado que las compresiones y rarefacciones del medio ocurren en la misma dirección que la propagación del sonido, este se clasifica como una onda longitudinal.

Parámetros Clave de las Ondas Sonoras

• Longitud de onda (λ): Distancia entre dos puntos consecutivos con la misma amplitud y fase. Se mide en metros [m].
• Periodo (T): Tiempo que tarda la onda en completar un ciclo. Se mide en segundos [s].
• Amplitud de oscilación: Máxima distancia que alcanza una partícula en su vibración, respecto a su posición de equilibrio.
• Frecuencia (f): Número de vibraciones o ciclos por unidad de tiempo. Se expresa en hercios (Hz). En el contexto del diagnóstico por ecografía, la frecuencia influye en la profundidad y la resolución de la imagen.

Velocidad de Propagación

La velocidad de propagación es la distancia que recorre la onda por unidad de tiempo [m/s]. Depende de la elasticidad y densidad del medio. Mientras que la frecuencia, el periodo y la amplitud dependen de la fuente emisora del sonido, la velocidad de propagación está determinada por las características del medio. La longitud de onda, por su parte, depende tanto de la fuente como del medio.

Los parámetros del medio que influyen en la velocidad de propagación son:

• Densidad: La velocidad es *inversamente* proporcional a la densidad del medio.
• Elasticidad: Capacidad del medio para recuperar su forma original después de ser sometido a una fuerza.
• Compresibilidad: Variación del volumen de un objeto al aplicarle presión. A mayor compresibilidad, menor velocidad de propagación del sonido.

Intensidad del Sonido

La intensidad del sonido se define como la potencia acústica transferida por una onda sonora por unidad de área perpendicular a la dirección de propagación. Representa la energía que atraviesa un área determinada. El oído humano puede percibir sonidos a partir de una intensidad de 10^-12 W/m², valor conocido como el umbral de audición. La intensidad se mide en decibelios (dB).

Atenuación

La atenuación es la pérdida de energía o intensidad que experimenta el sonido al propagarse a través de un medio. Este fenómeno se acentúa en medios heterogéneos y al aumentar la profundidad y la frecuencia de la onda. En el caso del ultrasonido, la atenuación es proporcional a la frecuencia.

Rangos Sonoros

Los sonidos con frecuencias superiores a 20 kHz se denominan ultrasonidos.

Efecto Piezoeléctrico

El efecto piezoeléctrico es la capacidad de ciertos materiales para generar electricidad cuando se someten a presión (efecto piezoeléctrico directo) o, inversamente, para deformarse y generar ultrasonidos cuando se les aplica una corriente eléctrica (efecto piezoeléctrico inverso).

Interacciones de los Ultrasonidos con la Materia

Las principales interacciones de los ultrasonidos con la materia son: reflexiones, atenuaciones e interferencias. La reflexión es el cambio de dirección del ultrasonido al incidir sobre una superficie que separa dos medios, sin atravesarla.