Cuestionario sobre Ondas, Acústica y Ultrasonidos (Bloque IV)

¿Cuál es la diferencia conceptual y de comportamiento físico entre la velocidad de vibración de la partícula y la velocidad de propagación de la perturbación en un medio elástico?. Ambas velocidades son siempre iguales en dirección y módulo para garantizar la conservación de la energía del medio elástico. La velocidad de propagación representa la velocidad con la que viaja la energía de la perturbación a través del medio, mientras que la velocidad de vibración es la velocidad oscilatoria de cada partícula individual respecto a su posición de equilibrio. La velocidad de vibración depende exclusivamente del medio de propagación, mientras que la velocidad de propagación depende únicamente del foco emisor y es independiente del medio. En las ondas electromagnéticas únicamente existe la velocidad de vibración, mientras que en las ondas mecánicas solo existe la velocidad de propagación.

¿Cómo se relaciona matemáticamente la intensidad física de una onda con los parámetros de amplitud y frecuencia angular?. La intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de la amplitud y proporcional al periodo de oscilación. La intensidad es directamente proporcional al cuadrado de la amplitud y al cuadrado de la frecuencia angular. La intensidad es proporcional a la amplitud de oscilación y varía inversamente con la velocidad de propagación. No existe ninguna relación matemática porque la intensidad física depende únicamente del índice de refracción del medio.

Al incidir una onda de ultrasonidos desde la sangre al músculo, si la impedancia de la sangre es 1.62 x 10⁶ rayls y la del músculo es 1.70 x 10⁶ rayls, ¿qué porcentaje aproximado de intensidad se transmite al músculo y qué se concluye?. Se transmite prácticamente toda la energía (≈99.9%) debido a que las impedancias están excelentemente acopladas por su similitud, minimizando la pérdida por reflexión a un insignificante ≈0.06%. Se refleja el 100% de la energía porque el músculo actúa como un reflector perfecto para proteger las fibras musculares profundas. Se transmite únicamente el 10% de la energía debido a que la sangre absorbe la mayor parte del haz ultrasónico disipándolo en forma de calor. Se refleja el 50% de la energía debido a la diferencia crítica de densidad celular entre ambos tejidos biológicos.

Al alejarnos de un foco emisor de sonido esférico y puntual en un medio no disipativo, ¿cómo disminuye la intensidad de la onda sonora en función de la distancia y cuál es la causa física?. Disminuye exponencialmente con la distancia debido a la disipación de energía por rozamiento molecular. Disminuye de manera inversamente proporcional al cuadrado de la distancia debido a la dispersión geométrica de la onda, ya que la potencia se distribuye sobre superficies de área esférica cada vez mayores. Permanece constante en cualquier punto del espacio debido a que el aire actúa como un canalizador cilíndrico perfecto de energía. Disminuye linealmente con la distancia debido a que las fuerzas elásticas atómicas reducen la velocidad de propagación de manera constante.

¿Cuál de las siguientes afirmaciones describe correctamente el nivel de sonoridad subjetiva medido en 'fonos' y su relación con el nivel de intensidad física en decibelios?. El fono es equivalente al decibelio en todas las frecuencias y rangos debido a que el sistema auditivo humano responde de manera puramente lineal. Un sonido de 80 fonos se percibe exactamente el doble de fuerte que un sonido de 40 fonos en cualquier frecuencia. A la frecuencia de referencia de 1000 Hz, el número de decibelios coincide exactamente con el número de fonos. Para otras frecuencias, los fonos se determinan utilizando las curvas isofónicas o de isosonoridad, que agrupan los sonidos que producen la misma sensación subjetiva de volumen. Los fonos miden de forma directa la agudeza subjetiva del sonido, que es proporcional a la constante giromagnética del medio coclear.

El conducto auditivo externo humano se comporta como un tubo resonante cerrado en un extremo (el tímpano). ¿Cuál es su frecuencia fundamental de resonancia y su relevancia fisiológica?. Resuena a 1000 Hz para potenciar la sensibilidad en la banda de frecuencias graves de la voz masculina. Resuena fundamentalmente a aproximadamente 3000 Hz, lo que amplifica la onda que le llega y define la zona de máxima sensibilidad o mejor audición del oído humano. Resuena a 6000 Hz, actuando como un amplificador biológico exclusivo para frecuencias agudas lesivas. Resuena en la banda de los ultrasonidos (>20000 Hz) para proteger activamente el tímpano de sonidos fuertes.

Si la onda sonora pasara directamente del aire al líquido coclear (perilinfa) sin la mediación del oído medio, ¿qué ocurriría debido a la gran diferencia de impedancia acústica y cómo lo resuelve el oído medio?. Se reflejaría únicamente el 1% del sonido. El oído medio utiliza la trompa de Eustaquio para presurizar el aire y eliminar esta pérdida. Se transmitiría toda la energía gracias a que la perilinfa tiene propiedades elásticas especiales que igualan su impedancia a la del aire de forma natural. Se reflejaría el 99.9% de la intensidad de la onda sonora. Para evitar esto, el oído medio actúa como un acoplador de impedancias o transformador de presiones, multiplicando la presión acústica unas 57 veces mediante la reducción de superficie (área del tímpano mucho mayor que la de la ventana oval) y el efecto palanca de la cadena de huesecillos. Se colapsaría la cóclea por exceso de energía. El oído medio interrumpe la conducción para actuar como un disipador adiabático de seguridad.

¿Cómo explica la teoría de Békésy la discriminación y localización de las frecuencias de sonido en la cóclea?. Postula que todas las regiones de la cóclea vibran por igual, y la localización de la frecuencia se decide por la fuerza contráctil del músculo tensor del tímpano. La onda de presión genera una deformación viajera en la partición coclear que alcanza su máximo desplazamiento en una posición específica: más cerca del extremo basal (ventana oval) para frecuencias altas y más cerca del extremo apical (helicotrema) para frecuencias bajas. Establece que el sonido estimula selectivamente las células ciliadas en función de un sistema de resonancia de cuarzo natural alojado en la endolinfa. Sostiene que los sonidos agudos se transmiten por conducción ósea y los graves por el conducto auditivo de forma independiente.

¿Cuál es el método físico de elección para la producción clínica de ultrasonidos en fisioterapia y diagnóstico, y por qué es indispensable aplicar un gel conductor sobre la piel del paciente?. Se producen por magnetostricción. El gel actúa exclusivamente como un lubricante y refrigerante. Se producen por el efecto piezoeléctrico inverso, aplicando una corriente alterna a un cristal (como el cuarzo) para generar vibraciones de alta frecuencia. El gel es indispensable para eliminar la película de aire entre la sonda y la piel, realizando un acoplo de impedancias que evita que el ultrasonido se refleje en su totalidad al encontrar la enorme diferencia de impedancia con el aire. Se producen mediante diatermia por microondas focalizadas. El gel es indispensable porque absorbe los fotones ionizantes secundarios que dañan el ADN cutáneo. Se producen por efecto fotoeléctrico directo en fotorreceptores de la retina. El gel actúa como una lente biconvexa que ayuda a enfocar el haz.

En la ecografía Doppler, ¿en qué principio físico se basa la medición y cómo se interpreta convencionalmente el código de colores en pantalla?. Se basa en la ley de Hagen-Poiseuille. El color rojo representa un flujo turbulento y el azul un flujo laminar. Se basa en el efecto Doppler, el cual provoca una variación de frecuencia de la onda reflejada al rebotar en partículas en movimiento (hematíes). Convencionalmente, el color rojo codifica el flujo que se aproxima al transductor y el azul el flujo que se aleja de él, independientemente de que la sangre sea arterial o venosa. Se basa en la atenuación de rayos X en el espectro característico. El color rojo codifica la sangre arterial oxigenada y el color azul la sangre venosa desoxigenada. Se basa en el tiempo de relajación longitudinal T1. El color rojo representa tejidos blandos sólidos y el color azul líquidos en reposo.