DEA

Libro: Ultrasonido para Ingenieros y Estudiantes de Ingeniería

Título:  Ultrasonido para Ingenieros y Estudiantes de Ingeniería.

Año: 2016

Autor/es: Angel C. Veca – Ernesto Accolti.

ISBN: 978-987-42-0588-9

Contenido:

Prólogo del Editor

Capítulo I Introducción 1

1.1. ¿Qué se entiende por Ultrasonido? 2

1.2. Breve Introducción Histórica 2

1.3. El ultrasonido en la naturaleza 7

1.4. Síntesis del contenido de la obra 8

1.4.1. Mecanismo de detección del murciélago o ecolocalización 14

1.4.1.1. Efecto Doppler 15

1.4.2. ¿Qué es lo que el murciélago no puede hacer? 17

1.4.3. Aplicaciones del ultrasonido en el aire 18

1.4.4. Campos actuales del ultrasonido orientados a la defectología, instrumentación industrial y diagnóstico médico 22

1.4.4.1. Métodos para la determinación de defectos en materiales y anomalías en el área de la medicina 22

1.4.4.2. Métodos de END 23

1.4.4.3. Métodos usados en Medicina 24

1.4.4.4. Instrumentación industrial y bio instrumentación 25

1.4.4.5. Aplicaciones del Ultrasonidos de Potencia 28

1.5. Problemas propuestos 31

1.6. Referencias 32

Capítulo II Principios Físicos, Ondas y Medios 39

2.1. Introducción 40

2.2. Naturaleza de las ondas ultrasónicas 40

2.2.1. Tipos de Ondas Ultrasónicas 41

2.2.2. Parámetros de Interés 43

2.3. Incidencia oblicua a la interfaz. Parte I: Generalidades 46

2.4. Coeficientes de Reflexión y Transmisión I 49

2.5. Incidencia oblicua a la interfaz. Parte II: Coeficientes de Reflexión y Transmisión II 51

2.6. Incidencia Normal a la Interfaz 52

2.7. Incidencia Oblicua a la Interfaz. Parte III: Fluido a Fluido 58

2.8. Incidencia Oblicua a la Interfaz. Parte IV: Fluido a sólido y Sólido a Fluido 60

2.9. Incidencia Oblicua a la Interfaz. Parte V: Sólido a Sólido 64

2.10. Atenuación de las Ondas Ultrasónicas 67

2.11. Interfaces en medios Biológicos 68 2.11.1. Introducción 68

2.11.2. Breve descripción del Medio Biológico 69

2.11.3. Resumen de los parámetros acústicos de algunos tejidos humanos 74

2.12. Efecto Doppler 78

2.12.1. Introducción 78

2.12.2. Conceptos Básicos 79

2.12.2.1. Emisor y receptor en movimiento en la misma dirección y sentido 79

2.12.2.2. Emisor y receptor en movimiento en la misma dirección pero sentido contrario 80

2.12.2.3. Emisor en reposo y receptor en movimiento 81

2.12.3. Efecto Doppler en el Diagnóstico Médico 81

2.12.4. El Efecto Doppler en la Instrumentación e Industria 83

2.13. Resumen del capítulo 83

2.14. Problemas propuestos 84

2.15. Referencias 85

 

Capítulo III Transductores y lentes acústicas 87

3.1. Introducción 87

3.2. Definición 87

3.3. Modelo elemental de un Transductor para Ultrasonido 89

3.4. Tipos de Transductores y sus Características Relevantes 91

3.4.1. Electrostáticos 92

3.4.2. Electromagnéticos 93

3.4.3. Piezoeléctricos 93

3.5. Definiciones y Propiedades de las Cerámicas Piezoeléctricas 94

3.5.1. Modelo Eléctrico, Factor de Mérito y Acoplamiento de un Transductor Piezoeléctrico 97

3.6. El Campo de un Oscilador Ultrasónico 101

3.6.1. Simulación del campo de presión de un transductor tipo pistón circular plano 106

3.6.2. Radiación de un Transductor tipo Pistón 108

3.7. Excitación Pulsada y Resolución Axial 101

3.8. Parámetros de Calidad de las Imágenes Acústicas 115

3.9. Introducción a Lentes y Arreglos Acústicos 116

3.9.1. Lentes Acústicas 116

3.9.2. Determinación del punto de enfoque 119

3.9.3.1. Profundidad del Foco 120

3.9.3.2. Modificación del lóbulo de directividad 121

3.9.4. Arreglos acústicos 122

3.10. Características constructivas y variantes de transductores piezoeléctricos 124 1-Transductores para aire y medios gaseosos 124 2–Transductores de uso en END y Medicina 127

3.10.1. Características temporales y frecuenciales 128

3.10.2. Sonogramas 130

3.11. Otros tipos de Transductores Piezoeléctricos 130

3.11.1 Membranas PVDF 130

3.12. Resumen del capítulo 133

3.13. Problemas propuestos 135

3.14. Referencias 137

Capítulo IV Métodos de Emisión y Recepción 141

4.1. Introducción 142

4.2. Clasificación 142

4.2.1. Método de resonancia 143

4.2.2. Método de medida de la intensidad acústica 145

4.2.3. Método de Pulso-Eco 146

4.3. Medición de tiempo de transito 148

4.3.1. Introducción 148

4.3.2. Existencia de la Zona Ciega o Zona Muerta del Transductor Receptor 150

4.3.3. Existencia de Ruido 152

4.4. Métodos para la determinación del tiempo de tránsito 153

4.4.1. Detección de tt por Umbral 153

4.4.2. Inconvenientes 153

4.4.3. Medición de tt con Decodificador de Tono 160

4.4.4. Otras formas analógicas para medición de distancias 163

4.5. Resumen del capítulo 164

4.6. Preguntas y problemas propuestos 165

4.7. Referencias 168

Capítulo V La señal de Eco 171

5.1. Introducción 172

5.2. Modelos de la envolvente del eco 172

5.2.1. Modelo Polinomico 172

5.2.1.1. Simulación de una señal de eco descripta por el modelo polinomico 175

5.2.1.2. Constante de amortiguamiento y ancho de banda del transductor 181

5.2.2. Modelo de la envolvente con funciones exponenciales 183

5.2.3. Modelo de envolvente con funciones estadísticas 185

5.2.3.1. Modelo de envolvente Gaussiana 185

5.2.3.2. Modelo de envolvente con distribución Gamma 189

5.2.3.3. Modelo de envolvente con distribución Weibull 190

5.3. Alternativas para la determinación del tiempo de transito 192

5.3.1. Introducción 192

5.3.2. Funciones de Correlación 192

5.3.3. Deconvolución 195

5.3.3.1. Filtro de Wiener 197

5.3.3.2. Filtro de conformación 197

5.3.3.3. Deconvolución homomórfica 200

5.3.4. Procesamiento Adaptivo 200

5.3.4.1. Variantes del Algoritmo LMS203

5.3.5. Cepstrum204

5.4. Operadores asociados a la reducción de datos206

5.4.1 Introducción206

5.4.2. Detector de máximos206

5.4.3. Detector de múltiples picos208

5.4.4. Diezmado, interpolación y compresión209

5.5. Resumen del capítulo212

5.6. Problemas propuestos213

5.7. Referencias214

Capítulo VI Métodos de Registro y Técnicas Operatorias I 219

6.1. Introducción 220

6.2. Génesis de la señal ultrasónica con la técnica emisión pulsada220 Transparencia 221 Pulso-eco 221 Señal de medio sin defecto 222 Señal de medio con defecto 222 Señal de un conjunto de medios 222

6.3. Sistemas de Representación224

6.3.1. Representación tipo: A-scan224

6.4. Base de Tiempo y Sincronismo225

6.5. Interpretación de Registros Típicos226 Caso I: Medio sin impurezas ni defectos 226 Caso II: Medio conteniendo una impureza 227 Caso III: Medio conteniendo una impureza y una fisura 229 Caso IV: Medio conteniendo una impureza o una fisura inclinada respecto al haz 229 Caso V: Medio con falta de paralelismo de las caras 229 Caso VI: Medio que contiene microporosidades 230 Caso VII: Medio con superficies paralelas de reducido espesor 231

6.6. Lupa de Profundidad231

6.7. Sincronización por Eco de Interfaz231

6.8. Errores de Registros por mala elección de la frecuencia de barrido 233

6.9. Representación de la Amplitud234

6.10 Control Atenuación Distancia CAD234

6.11. Esquemas de Sistemas para Registros tipo A-scan234

6.11.1. Arquitectura del Sistema SENDAS237

6.11.2. ULTRASCOPE: Un sistema para END por ultrasonidos de altas prestaciones 240

6.12. Resumen del capítulo251

6.13. Preguntas y problemas propuestos252

6.14. Referencias254

Capítulo VII Métodos de Registro y Técnicas Operatorias II 257

7.1. Introducción258

7.2. Diferencias entre Modos, Pantallas o Scan según la Naturaleza de la Aplicación 258

7.3. Esquemas de Representación en Ecografía Médica y en END: A-scan, B-scan (Modo A, modo B) 259

7.4. Formación de Imágenes en Ecografía Médica, Modo M260

7.4.1. Métodos empleados en Diagnóstico Médico261 Estático 261 Oscilante 262 Rotatorios 263

7.4.2. Sistema para Ecografía Medicina263 Pulser 263 Receptor 264 Control de Profundidad 264 Conversor A/D 264 Buffer Temporal 264 Convertidor Digital de Barrido 264 Memoria de Pantalla 264 Post-Procesamiento de Imagen 264 Pantalla para la Presentación de la Imagen y Datos 266 Unidad Central de Procesamiento 266 Palpador o Array 266

7.4.2.1. Operatoria266

7.5. Presentación de los resultados del ensayo en END266

7.5.1. Análisis de un caso de B-scan267

7.5.2. C-scan y D-scan270

7.6. Métodos de Exploración Electrónica272

7.6.1. Sistemas Lineales272

7.6.2. Sistemas Sectoriales274

7.7. Otros Métodos usados en END275 Cálculo del tamaño y profundidad del defecto 277

7.8. Resumen del capítulo279

7.9. Preguntas y problemas propuestos280

7.10 Referencias281

Capítulo VIII Estimación de la Excitación y de la Ganancia para una Aplicación Específica 285

8.1. Introducción286

8.2. Ultrasonido en el aire286

8.2.1. Definiciones y unidades286

8.2.2. Atenuación287

8.2.3. Consideraciones generales acerca de los transductores piezoeléctricos para aire 288

8.2.4. Determinación de las características del sistema de ultrasonido 290

8.2.4.1. Determinación de la sensibilidad del receptor 290

8.2.4.2. Caso pulso-eco 291

8.3. Aplicación en END y Medicina 294

8.3.1 Atenuación por cambio de medio 294

8.3.2. Otros Parámetros del Campo de Sonido 295

8.3.2.1. Diámetro del Haz 295

8.3.2.2. Zona Focal 296

8.3.2.3. Variaciones con la distancia focal debido a la velocidad acústica y geometría del ensayo 296

8.3.2.4. Ganancia de Enfoque 297

8.3.3. Excitación de los transductores 298

8.4. Resumen del capítulo 300

8.5. Preguntas y Problemas propuestos 300

8.6. Referencias Bibliográficas 301

Capítulo IX Introducción a los Arrays y a la Focalización Electrónica 303

9.1. Introducción 304

9.2. Concepto de Array 305

9.2.1. Interferencia de ondas 306

9.3 Arrays lineales de N fuentes equiespaciadas 308

9.3.1. Lóbulos de rejilla 310

9.4. Sistemas de imagen ultrasónica 312

9.4.1. Sistemas de barrido lineal 313

9.4.2. Sistemas de barrido sectorial (Phased Arrays) 315

9.5. Focalización y deflexión del haz 317

9.5.1. Focalización en el eje principal 317

9.5.2. Focalización y deflexión del haz en un punto arbitrario 318

9.5.3 Generación de los Retardos 320

9.5.4. Focalización en recepción 322

9.5.4.1. Técnicas Confocales 324

9.6. Técnicas electrónicas de focalización dinámica en recepción 326

9.6.1. Técnicas digitales convencionales 326

9.6.2. Técnicas mixtas 327

9.6.3. Técnicas de Apertura Sintética (SAFT) 328

9.6.4. Focalización por software 328

9.6.4.1. Problemas 329

9.6.5. Focalización con interpolación 331

9.6.5.1. Radiofrecuencia 335

9.6.5.2. Banda base 336

9.6.5.3. Generación dinámica de retardos 338

9.6.5.4. Técnicas de Muestreo Selectivo (TMS) 339

9.7. Elementos de simulación 341

9.7.1. Monopolo 341

9.7.2. Dos fuentes monopolares 343

9.7.3. Array 345

9.8. Ejemplo de array en una aplicación específica 347

9.8.1. END 347

9.8.2. Medicina 350

9.9. Resumen del capítulo 350

9.10. Preguntas y Problemas propuestos 351

9.11. Referencias 355

Capítulo X Efecto Doppler en Medicina 357

10.1. Introducción 358

10.2. Clasificación 359

10.2. Sistemas Doppler de Onda Continua 362

10.3.1. Sistemas Doppler de Onda Continua no Direccionales 362

10.3.2. Sistemas Doppler de Onda Continua Direccionales 363

10.3.3. Demodulación 363

10.3.3.1. Filtrado de Banda lateral o Detector de Envolvente 360

10.3.3.2. Demodulación Heterodina 364

10.3.3.3. Demodulación por Cuadratura de Fase 366

10.3.4. Estimación de la velocidad y ángulo de incidencia 367

10.4. Sistemas Doppler Pulsado 369

10.4.1. Limitaciones del Doppler Pulsado 372

10.4.1.1. Ambigüedad en la velocidad y en el rango 373

10.4.2. Doppler Pulsado Direccional 375

10.4.2.1. Determinación de la dirección del flujo 376

10.4.2.2. Técnica del filtro de fase 376

10.4.2.3. Técnica Digital 377

10.4.2.4. Transformada compleja de Fourier 378

10.5. Resumen de las diferencias entre Doppler Continuo y Pulsado 379

10.6. Combinación Doppler Imagen 381

10.7. Variantes del Doppler Pulsado 381

10.7.1. Doppler Color 381

10.7.2. Doppler de Energía (Power Mode) 383

10.7.3. Doppler Pared 384

10.8. Resumen del capítulo 384

10.9. Problemas propuestos 386

10.10. Referencias 387

Capítulo XI Generación de Ultrasonido de Potencia 389

11.1. Introducción 390

11.2. Materiales para transductores de ultrasonido de potencia 391

11.2.1. Cerámicas piezoeléctricas 391

11.2.1.1. Limitaciones de potencia de las cerámicas piezoeléctricas 392

11.2.2. Materiales piezomagnéticos 392

11.2.3. Diferencia ente materiales piezoeléctricos y piezomagnéticos 393

11.2.4. Componentes metálicos 394

11.3. Transductor Langevin 394

11.3.1. Transductores Langevin para aplicaciones en sólidos 397

11.3.2. Transductores Langevin para aplicaciones en fluidos 398

11.4. Análisis detallado de un transductor tipo Langevin 399

11.4.1. Mejora de la intensidad de radiación y ancho de banda por medio de secciones extremas diferentes 406

11.4.2. Rendimiento 410

11.5 Modelos de un transductor tipo Langevin 412

11.5.1. Modelos del transductor completo 415 11.5.1.1.Modelo Mason 415

11.5.1.2. Modelo Redwood 416

11.5.1.3. Modelo KLM 416

11.5.2. Modelo completo del transductor 417

11.5.3. Simplificación del modelo 419

11.5.4. Sintonía del transductor 421

11.6. Detalles constructivos de transductores de alta intensidad 424

11.7. Sonar 426

11.7.1. Frecuencia de operación, ancho de banda y directividad 427

11.7.2. Transductores de ultrasonido en sistemas de sonar 428

11.7.3. Acoplamiento Eléctrico 428

11.7.4. Parámetros de un transductor para sonar típico 429

11.8. Resumen del capítulo 430

11.9. Preguntas y problemas propuestos 431

11.10. Referencias 433

Apéndice A Ondas Longitudinales y Transversales 437 A1. Coeficientes de Young, Poisson y de compresibilidad 437 A2. Velocidad de propagación 438 A2.1. Ondas longitudinales en medios materiales 438 A2.1.1. Ondas longitudinales en medios gaseosos 440 A2.2. Ondas transversales en medios materiales 441 A3. Ecuaciones finales y relación entre los diferentes tipos de ondas 442 A4. Referencias 443

Apéndice B 445 Elementos de Electroacústica. Analogías electro-mecano-acústicas 445 B1. Sistemas mecánicos 445 B1.1. Masa mecánica 446 B1.2. Resorte 446 B1.3. Fricción 447 B1.4. Impedancia mecánica 448 B2. Circuitos acústicos 449 B2.1. Masa acústica (inertancia) 449 B2.2. Compliancia acústica 450 B2.3. Resistencia acústica 452 B2.4. Impedancia acústica 453 B3. Referencias 454

Anexo A Propiedades Acústicas de Medios Materiales Metálicos, no Metálicos y Líquidos 457 TABLA A1. Densidades, Velocidades e Impedancias Acústicas de Materiales Metálicos 457 TABLA A2. Densidades, Velocidades e Impedancias Acústicas de Materiales no Metálicos 458 TABLA A3. Densidades, Velocidades e Impedancias Acústicas en Líquidos 459

Apéndice C Medición de tt con circuitos electrónicos especializados 461 C1. Introducción 461 C2. Determinación de tt por conversión de tiempo a distancia 461 C3. Medición de tt con Circuitos Integrados dedicados 461 C3.1. Sistema de sonar basado en el LM1812 461 C3.1.1. Ventajas y desventajas 464 C3.2. Módulos Massa 465 C3.2.1. Análisis de la serie E-201B 465 C3.2.2. Análisis de la serie E-220B 466 C3.2.3. Ventajas y desventajas 467 C3.3. Circuitos para sonar Texas 468 C3.4. Sistemas para sonar Polariod 469 C4. Referencias 470

Indice alfabético 471