En primer lugar mi saludo respetuoso para toda la comunidad académica y científica de Hive.blog, seguimos con el vínculo entre la acústica y la geometría, es decir, la acústica geométrica.

Introducción

Cuando nos referimos a la comprensión de cualquier fenómeno desarrollado en nuestra naturaleza debemos resaltar la inmensa labor de la majestuosa ciencia física, con ella como herramienta científica hemos podido comprender nuestro complejo pero maravilloso universo, cualquier tipo de conocimiento obtenido a través de esta espléndida ciencia lo hemos podido aplicar en esenciales áreas como la medicina, y la misma dedicada al estudio y cuidado de nuestra entidad física.

Con el presente artículo Seguiremos comprobando que el fenómeno del sonido se encuentra de manera intrínseca en nuestro universo y con ello en nuestra vidas, esto lo podemos expresar debido a que el mismo se origina a través de la vibración de las partículas componentes de la materia que conforman tanto nuestra propia entidad física como todo objeto de nuestro entorno, bien sea de origen natural o artificial.

Este esplendido fenómeno se encuentra activado de manera constante en la naturaleza y en todas aquellas actividades realizadas por el hombre, bien sea en el rango audible para nuestros sistemas auditivos naturales (oídos) o en aquellas fracciones espectrales fuera de nuestro alcance auditivo, por lo menos de manera consciente, como lo pudimos ver con los infrasonidos.

Siempre es necesario recordar que hasta ahora hemos analizado importantes aspectos del sonido tales como, su generación, y esta acción, dependerá de la vibración de las partículas componentes de determinados cuerpos u objetos, luego nos relacionamos con su propagación a través de ondas sonoras longitudinales de presión y este hecho nos llevó a vincularnos con los fenómenos de la reflexión, absorción, transmisión, difracción y refracción, los mismos considerados aspectos geométricos del sonido, todos ellos de gran importancia para el entendimiento del sonido y sus diversas aplicaciones.

En el anterior artículo nos relacionamos con el infrasonido cuya frecuencia es menor que la del sonido percibido por nuestros oídos, y por lo tanto, con mayor longitudes de ondas, de esta manera logramos ampliar el importante espectro acústico o sonora, en donde, ya tenemos al sonido y su respectivo rango o fracción espectral audible para los seres humanos, y el cual como ya se ha expresado se encuentra entre los 20 Hz a 20.000 Hz (hercio o Hertz), y al infrasonido con valores por debajo de los 20 Hz.

En esta oportunidad saltaremos al otro extremo del espectro acústico o sonoro, por lo tanto, nos relacionaremos con el ultrasonido y cuya frecuencia es mayor que la del sonido que escuchamos, y por lo tanto, sus longitudes de ondas son menores, esta característica permite la alta frecuencia que los mismos poseen superando de esta manera la barrera de los 20.000 Hz, conocemos como frecuencia al número de ondas que logran cruzar por un punto fijo en un segundo, mientras esta longitud de onda sea más reducida tendrá la oportunidad de pasar con mayor frecuencia por dicho punto fijo, de allí la importante relación entre longitud de ondas y frecuencia en el desarrollo de un determinado sonido.

Por lo tanto, nos relacionaremos de manera general con aquellas ondas mecánicas que transportan al ultrasonido, resaltando que el ultrasonido tiene un amplio campo de aplicaciones en áreas o actividades relacionadas con el desarrollo de la humanidad, en donde, se encuentra la medicina, la navegación, la industria, entre tanta otras áreas más, resaltaremos además el favorable impacto del fenómeno de la reflexión (como los ecos) desarrollado por este tipo de sonido, conoceremos también algunas especies del reino animal que utilizan este tipo de sonido para comunicarse entre ellos, guiarse u orientarse.

Cualquiera de nosotros a lo mejor hemos utilizado este tipo de sonido con la finalidad de chequear el funcionamiento de algún órgano de nuestro cuerpo, ya que es costumbre para los médicos implementar el ultrasonido para poder observar imágenes del interior de nuestro cuerpo, por ejemplo, estas máquinas artificiales de generación de ultrasonido bridan la posibilidad de poder evaluar el estado de un bebe durante su gestación, entre otras aplicaciones como aquella relacionada con la evaluación de nuestras frecuencias cardiacas y los ecocardiogramas.

El Ultrasonido

Es importante expresar que este tipo de sonido (ultrasonido) es un importante suceso físico de origen natural, y que el hombre a través de la ciencia física ha logrado producirlo o generarlo de manera artificial, diseñando maravillosas máquinas generadoras de ultrasonidos artificiales y los cuales han resultados de gran utilidad en nuestras vidas, sobre todo en el caso de la medicina la cual como sabemos se dedica al entendimiento y cuidado de nuestra entidad física.

Partiendo de nuestra referencia espectral sonora, es decir, la fracción o rango audible para nuestros oídos, hemos podido clasificar a las distintas frecuencias según sus longitudes de ondas y con ello sonidos por debajo de nuestra capacidad de audición (menor a 20 Hz) como son los infrasonidos y los mismos como pudimos notar pueden ser de origen natural como artificial.

En esta oportunidad nos relacionaremos con aquellas longitudes de ondas sonoras que generan una mayor frecuencia que las perteneciente a nuestra referencia acústica o sonora antes descritas (nuestro rango audible), por lo tanto, analizaremos a los ultrasonidos y los mismos son originados por ondas sonoras de alta frecuencia superando el umbral de los 20.000 Hz y con ello son inaudible para nuestros oídos.

Existen animales como los murciélagos que pueden orientarse o cazar a sus presas en plena oscuridad mediante el fenómeno denominado ecolocalización, por lo tanto, logran explorar su entorno mediante la emisión de ondas sonoras ultrasónicas las cuales rebotan en cualquier cuerpo u objeto a su alrededor y regresan a ellos en forma de imágenes, los delfines también utilizan este tipo de sonido para los mismos fines, otra especie del reino animal que implementan estas ondas sonoras de alta frecuencias son las jirafas las cuales se comunican con ultrasonidos como podemos observar en la siguiente figura 1.

Es importante resaltar que para el entendimiento o aplicación de este tipo de sonido se deben tomar en cuenta magnitudes físicas como su frecuencia y con ello longitud de onda, durabilidad de su propagación, velocidad en determinado medio material o elástico, como se refleja, se dispersa, difracta o refracta, en el medio a transitar, de acuerdo a lo anterior descrito procedamos a observar el espectro acústico o sonoro, en esta oportunidad incluyendo al ultrasonido como se visualiza a continuación en la figura 2.

Muchas son las aplicaciones del ultrasonido en diferentes actividades del hombre, por lo que es importante conocer algunas características o magnitudes físicas del ultrasonido las cuales son esenciales en cualquier área de aplicación.

Como hemos podido observar la frecuencia es lo que define a los tipos de sonido en nuestro espectro acústico y con ello su longitud de ondas, la velocidad del ultrasonido al propagarse en cualquier tipo de medio siempre dependerá tanto de la densidad como de la elasticidad del respectivo medio material por el cual transita, es importante resaltar que esta magnitud física es fundamental en cualquier aplicación de ultrasonido ya que de ello dependerá la generación de la reflexión y en consecuencia del eco, y además determinar la impedancia acústica, siendo esta última una característica esencial del medio material por el cual se propaga el ultrasonido ya que con ello nos permite tener una idea de la facilidad o dificultad que dicho medio material brinda a las ondas ultrasonoras mediante su paso por este.

El fenómeno de la reflexión de ultrasonido se origina cuando dichas ondas sonoras ultrasónicas intentan pasar de un determinado medio material a otro con características diferentes de impedancia acústica, por lo que si existen medios materiales con pronunciada diferencia de impedancia acústica las ondas sonoras ultrasónicas se reflejaran casi en su totalidad, otro aspecto a considerar es la atenuación ya que como el sonido audible para nuestros oídos, a medida que el ultrasonido va propagándose por determinados medios el mismo irá perdiendo intensidad, en la atenuación del ultrasonido también se consideran otros factores tales como la absorción del medio por el cual se propaga, las diferentes reflexiones vinculadas a la no homogeneidad de dicho medio material, entre otras característica relacionada como la refracción de dichos rayos sonoros ultrasónicos.

En anteriores publicaciones analizamos el fenómeno de la reflexión del sonido y con ello la generación de eco, dicho fenómeno muy importante para las diversas aplicaciones de ultrasonidos en diversas actividades de nuestra cotidianidad ya que estas importantes ondas ultrasonoras pueden reflejarse y originar eco, a continuación nos relacionaremos con una de las aplicaciones de ultrasonido en el área de la navegación como lo es el SONAR o ecosonda.

Este tipo de aplicación de ultrasonido fue implementado en el campo de la navegación por el físico Paul Langevin a principio del siglo XX, desarrollando así el primer transductor (hidrófono) de cristal piezoeléctrico como el cuarzo, para ese entonces con la finalidad de detectar submarinos, sin embargo, ha sido de gran utilidad para poder detectar objetos en el fondo marino, bancos de peces o las características del relieve del fondo del mar en un área determinada, esto mediante la emisión de ondas ultrasónicas y que luego son captadas en forma de ecos, como podemos observar a continuación en la siguiente figura 3.

Otras de las más importantes aplicaciones se encuentran relacionadas con la medicina, en donde, el ultrasonido se ha convertido en una eficaz herramienta generadora de imágenes de muy alta calidad, además de ser también una herramienta o medio terapéutico, por lo tanto, es importante expresar que uno de los ejemplos más resaltante acerca de la aplicación de las ondas ultrasónicas se encuentra en el ultrasonido obstétrico.

De manera muy general (ya que solo queremos resaltar la importancia del ultrasonido) podemos decir que una máquina de ultrasonido implementa un cristal piezoeléctrico (como el cuarzo) el cual vibra para general ondas sonoras ultrasónicas intermitentes las cuales se transmiten o propagan a través del interior de nuestro cuerpo, en donde, partes de dichas ondas se reflejaran al encontrar un obstáculo como algunos de nuestros órganos, este tipo de ondas ultrasónicas logran propagarse en estructuras que poseen medios materiales o elásticos como el agua, de allí que esta técnica no se implemente en el estudio de estructuras óseas (huesos) u órganos con importantes cavidades de aire.

Las ondas ultrasonoras de baja intensidad, al reflejarse u originar ecos generan imágenes que conocemos como ecografías o ecogramas como podemos observar a continuación en las siguientes figuras 4 y 5.

Podemos decir que todos nosotros nos identificamos con las anteriores imágenes y más aún si somos padres, de allí que podamos decir que este tipo de aplicación de ultrasonido es espléndido ya que nos permite entrar en contacto con nuestros bebes en pleno desarrollo dentro del vientre de sus madres, una tecnología valoradas por todos nosotros.

También de manera general podemos decir que nos encontramos con otras aplicaciones de ultrasonido de uso terapéutico, como la aplicación de ultrasonido para disminución del tamaño de cálculos renales, y para el tratamiento de la tendinitis por medio de la vibración de nuestros tejidos como podemos observar en la siguiente figura 6.

Muchas son aplicaciones que podríamos encontrar en relación al ultrasonido como las señaladas en el presente artículo, en donde, es importante señalar la importancia que ha tenido la ciencia física en la interpretación de estas poderosas radiaciones sonoras ultrasónicas, y con ello nos ha permitido además de aprender de nuestro entorno natural, poder cuidar nuestra propia entidad física como lo es nuestro cuerpo, brindándole a fundamentales áreas como la medicina esenciales herramientas como el ultrasonido.

Conclusión

Las ondas sonoras ultrasónicas gracias a la evolución tecnológica se han convertido a través del tiempo en una herramienta muy fácil de usar y además muy poderosa, ya que a pesar de ser ondas mecánicas (sonoras) nos ha permitido poder observar lugares que a simple vista no es posible visualizar, y sobre todo sin el riesgo de causar cambios en la estructuras atómica de los organismos vivos, como si lo puede llegar a causar radiaciones electromagnéticas como los rayos X y gamma los cuales si son ionizantes, a contrario del ultrasonido que es no ionizante.

En esta oportunidad pudimos ampliar de forma general el conocimiento relacionado a nuestro espectro acústico o sonoro, en donde, analizamos inicialmente nuestra referencia espectral audible para los seres humanos cuyo rango se encuentra entre los 20 Hz a 20.000 Hz, de allí pasamos al infrasonido cuya longitud de ondas es mayor que la que posee nuestra fracción referencia y con ello menor frecuencia, para luego saltar al otro lado de nuestro espectro y analizar a los súper prácticos y poderosos ultrasonidos.

De manera natural el ultrasonido puede ser emitido por algunas especies del reino animal como son los murciélagos, delfines, jirafas entre otros, y los mismos los implementa bien sea para comunicarse como para orientarse, esta característica o particularidad la podemos encontrar en aplicaciones como la del sonar, técnica que le ha permitido al mundo náutico poder explorar el espacio debajo de sus embarcaciones y de esta manera poder navegar con mayor confiabilidad.

Tanto como en la medicina como en otras áreas existen muchas aplicaciones relacionadas con el ultrasonido, pero todas dependientes del mismo principio de reflexión y generación de ecos para poder recibir o captar la información deseada dependiendo del área a aplicar tal y como lo pudimos observar y expresar en los ecogramas o ecografías señalados en las figuras 4 y 5, igualmente considerando a otros fenómenos de aspectos geométricos como el de la absorción, difracción y refracción del medio por donde se propaga el ultrasonido.

En cuanto a la medicina podríamos expresar que este fenómeno ha logrado una importante transformación en dicha área y con ello generando grandes aportes para el cuidado de nuestra salud, destacando nuevamente desde el punto de vista de la acústica geométrica el desarrollo de fenómenos como el de la reflexión (eco), absorción, difracción y refracción en el proceso de propagación del ultrasonido en cada una de estas aplicaciones.

Hasta otra entrega mis apreciados lectores de Hive.blog, en especial a los miembros de las comunidades de #STEM-Espanol, los cuales reciben el apoyo de la comunidad de #stemsocial, por lo cual recomiendo ampliamente formar parte de este maravilloso proyecto, ya que nos permiten resaltar la gran tarea de la academia y el gran esfuerzo que realiza constantemente el campo de la ciencia.

Nota: Las imágenes son de mi autoría y fueron elaboradas usando Power Point y el gif animado fue elaborado con la aplicación de PhotoScape, las imágenes 4 y 5 son ecografías reales de una bebé, y dichas imágenes son propiedad del autor entregadas por el médico tratante en digital.

Referencias Bibliográficas

[1]Charles H. Lehmann. Geometría analítica

[2]Juan José Sendra Salas. Acústica gráfica. 1992.

[3]Ricardo Estellés Díaz. Acústica Física. 2007.

[4]Felipe Osorio Espinoza, Juan Guillermo Rodríguez, Daniela Cisternas, Leonardo Zuñiga. Principio Físico del ultrasonido. Universidad de Chile.

[5]EL ULTRASONIDO Y SU APLICACIÓN.