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Impedancia acústica en la reflexión ultrasónica

1920
Científico realizando pruebas ultrasónicas para medir la impedancia acústica en un laboratorio.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Acústico La impedancia ([latex]Z[/latex]) es la resistencia intrínseca de un material al flujo acústico, definida como su densidad ([latex]\rho[/latex]) multiplicada por su velocidad acústica ([latex]c[/latex]), por lo que [latex]Z = \rho c[/latex]. El porcentaje de ultrasónico La energía reflejada en el límite entre dos materiales se rige por la diferencia, o desajuste, de sus impedancias acústicas respectivas. Este principio es el que hace posible la detección de defectos.

The concept of acoustic impedance is analogous to electrical impedance in circuits and is fundamental to understanding how ultrasónico waves interact with materials. When a wave traveling through a material (Material 1) encounters an interface with a second material (Material 2), part of the wave is reflected and part is transmitted. The amount of reflection is quantified by the reflection coefficient ([latex]R[/latex]), which depends on the acoustic impedances of the two materials, [latex]Z_1[/latex] and [latex]Z_2[/latex].

Para una onda con incidencia normal, el coeficiente de reflexión de la presión viene dado por [latex]R = (Z_2 - Z_1) / (Z_2 + Z_1)[/latex]. La intensidad de la onda reflejada, que es lo que se suele medir, es proporcional al cuadrado de este valor. Un gran desajuste en la impedancia, como entre el acero ([latex]Z aproximadamente 45 veces 10^6[/latex] Pa-s/m) y el aire ([latex]Z aproximadamente 415[/latex] Pa-s/m), da lugar a un coeficiente de reflexión muy elevado (casi 100%). Esta es la razón por la que las grietas y huecos internos, que están llenos de aire o gas, son tan fácilmente detectables con ultrasonidos; actúan como reflectores casi perfectos.

Por el contrario, si dos materiales tienen impedancias acústicas muy similares, la mayor parte de la energía sonora pasará a través de la interfaz con una reflexión mínima. Este principio se aprovecha en el diseño de acoplantes ultrasónicos (geles o líquidos utilizados entre el transductor y la pieza de prueba) y capas de adaptación del transductor, diseñadas para tener una impedancia intermedia entre el elemento transductor y el material de prueba para maximizar la transmisión de energía y mejorar la calidad de la señal.

UNESCO Nomenclature: 3301
- Acústica

Tipo

Principio físico

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • La obra fundacional de Lord Rayleigh sobre la teoría de las ondas y la acústica ('The Theory of Sound')
  • Estudios de la propagación del sonido en sólidos y fluidos realizados por físicos del siglo XIX
  • desarrollo de la mecánica de medios continuos para describir las propiedades de los materiales
  • Las primeras investigaciones sobre sonares requerían comprender la reflexión acústica de los objetos.

Aplicaciones

  • Pruebas no destructivas para la detección de grietas (interfaz metal-aire)
  • imágenes médicas for distinguishing between different tissues and organs
  • Diseño de capas de adaptación acústica para transductores para mejorar la transmisión de energía
  • Prospección geofísica mediante reflexión sísmica para mapear la geología del subsuelo
  • diseño de sistemas de limpieza ultrasónica

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • development of ‘acoustically invisible’ coatings for stealth applications
  • Materiales de impedancia de gradiente para una absorción acústica perfecta en cámaras anecoicas
  • Sensores de calidad alimentaria no invasivos que miden la madurez mediante cambios de impedancia.
  • metamateriales acústicos para crear lentes ultrasónicas y dispositivos de camuflaje
  • Geles de adaptación de impedancia biocompatibles para mejorar la obtención de imágenes por ultrasonido médico.
  • Materiales inteligentes con impedancia acústica ajustable para insonorización adaptativa
  • Sensores ultrasónicos para detectar adulteraciones en líquidos midiendo cambios de impedancia.
  • Sistemas de levitación acústica de alta fidelidad que utilizan campos de impedancia controlados con precisión
  • Herramientas de estudio geológico que caracterizan mejor la porosidad de la roca mediante el análisis de impedancia
  • Dispositivos de consumo para probar la autenticidad de metales preciosos en función de su impedancia única.
Relacionado con: impedancia acústica, coeficiente de reflexión, ensayos ultrasónicos, END, propiedad del material, densidad, velocidad acústica, interfaz, desajuste, física de ondas.

Contexto histórico

Impedancia acústica en la reflexión ultrasónica

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1925-01-01

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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