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Biofísica (53) · Unidad 5 — Bases físicas de la visión y la audición

Efecto Doppler y ecografía

Si la fuente o quien escucha se mueven, la frecuencia que llega no es la emitida: sube al acercarse y baja al alejarse. El eco Doppler lo usa al revés: mide cuánto cambió la frecuencia del ultrasonido que rebota en los glóbulos rojos y de ahí saca la velocidad de la sangre.

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La explicación

Qué es el efecto Doppler

Una ambulancia que se acerca suena más aguda, y cuando pasa y se aleja, más grave. La sirena no cambió: cambió lo que llega a tu oído. Eso es el efecto Doppler: la frecuencia percibida depende del movimiento de la fuente y del receptor respecto del medio.

Si la fuente se mueve, cada frente de onda sale desde un punto un poco más adelantado que el anterior: adelante los frentes se amontonan (λ más corta, frecuencia mayor) y atrás se separan. Si el receptor se mueve hacia la fuente, se encuentra con las crestas más seguido de lo que llegarían si estuviera quieto. Los dos efectos se parecen pero no son idénticos, y por eso la fórmula tiene la velocidad de cada uno en un lugar distinto.

La fórmula general

f_R = f₀ · (v ± v_R) / (v ∓ v_E)
v: velocidad del sonido en el medio · v_R: del receptor · v_E: del emisor

Los signos se eligen mirando si cada uno se acerca o se aleja del otro:

receptor se acerca: + arriba · receptor se aleja: − arriba
emisor se acerca: − abajo · emisor se aleja: + abajo

Hay una regla para no memorizar la tabla: acercarse siempre sube la frecuencia. El signo que hace crecer el cociente es el de acercarse. Si alguno está quieto, su velocidad vale cero y ese término desaparece. Cuando la fuente pasa justo por al lado, en ese instante no se acerca ni se aleja, y se oye la frecuencia emitida.

Procedimiento
1. Pasá las velocidades a m/s (km/h ÷ 3,6).
2. Identificá quién emite y quién recibe. Si hay un eco, hay dos tramos: primero el objeto que refleja es receptor, y después, al devolver el sonido, es emisor.
3. Para cada uno, decidí si se acerca o se aleja y elegí los signos.
4. Control: si se acercan, f_R > f₀; si se alejan, f_R < f₀.

El eco Doppler: la velocidad de la sangre

Un transductor apoyado sobre la piel manda ultrasonido de frecuencia f₀ hacia un vaso. Los glóbulos rojos lo reciben (como receptores en movimiento) y lo rebotan (como emisores en movimiento). Lo que vuelve al transductor tiene una frecuencia f_R distinta, y de la diferencia se despeja la velocidad de los glóbulos. Para un haz casi alineado con el flujo:

v_GR = (f₀ − f_R) / (f₀ + f_R) · V_S    (V_S ≈ 1570 m/s en la sangre)
y como v_GR es mucho menor que V_S:   Δf ≈ 2 · f₀ · v_GR / V_S

Con esa fórmula, un resultado positivo es sangre que se aleja del transductor (vuelve una frecuencia menor) y uno negativo, sangre que se acerca. El 2 aparece porque el corrimiento se produce dos veces: al llegar al glóbulo y al volver. Si el haz forma un ángulo con el vaso, sólo cuenta la componente de la velocidad a lo largo del haz: con un haz perpendicular al vaso, el Doppler no mide nada.

Con f₀ de algunos MHz y sangre a decenas de cm/s, Δf da del orden de los kilohertz: cae en el rango audible. Por eso el equipo puede hacer oír el flujo, y el latido fetal se escucha como un «shh-shh» rítmico. En una estenosis la sangre acelera al pasar por la zona estrecha y el Δf sube: así se la localiza.

La ecografía: el tiempo del eco

El transductor tiene un cristal piezoeléctrico: se deforma cuando se le aplica tensión eléctrica (y emite) y genera tensión cuando lo deforma una onda (y recibe). Emite pulsos cortos de 1 a 10 MHz y escucha los ecos que devuelve cada interfaz entre tejidos distintos. Si el eco tarda t en volver, la interfaz está a

d = v · t / 2    (v ≈ 1540 m/s en tejido blando; el 2 es porque el sonido va y vuelve)

Barriendo el haz, la computadora arma la imagen con miles de esas distancias. Dos cuestiones prácticas salen de la física: entre la piel y el transductor se pone gel, porque una capa de aire reflejaría casi todo el ultrasonido; y hay un compromiso de frecuencia: más alta da λ más corta y más detalle, pero se atenúa antes y no llega tan hondo. Al no usar radiación ionizante, la ecografía es el estudio de elección en el embarazo.

Acercarse sube la frecuencia, alejarse la baja. En un eco hay dos tramos, y por eso el corrimiento es doble.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Una ambulancia avanza a 90 km/h con la sirena emitiendo a 800 Hz. Una persona está parada en la vereda. Tomá la velocidad del sonido como 340 m/s. ¿Qué frecuencia oye a) mientras la ambulancia se acerca, b) en el instante en que pasa frente a ella, c) mientras se aleja?

Primero la velocidad: 90 km/h ÷ 3,6 = 25 m/s. La persona está quieta (v_R = 0) y la ambulancia es el emisor.

a) Se acerca. Emisor que se acerca: menos abajo.

f_R = 800 · 340 / (340 − 25) = 800 · 340/315 = 863 Hz

b) Justo al pasar. En ese instante la ambulancia no se acerca ni se aleja de la persona: se oye la frecuencia emitida, 800 Hz.

c) Se aleja. Más abajo:

f_R = 800 · 340 / (340 + 25) = 800 · 340/365 = 745 Hz
Control. Acercándose sube (863 > 800) y alejándose baja (745 < 800). ✔ Fijate que la subida (63 Hz) es mayor que la bajada (55 Hz): la fórmula no es simétrica. Ese salto brusco de agudo a grave al pasar es el «iiii-ooooo» que todos conocemos.
Y uno del nivel del parcial

Un eco Doppler emite a 4 MHz hacia una vena donde la sangre se aleja del transductor a 0,5 m/s, con el haz prácticamente alineado con el flujo. La velocidad del sonido en la sangre es 1570 m/s. a) ¿Cuánto cambia la frecuencia que vuelve? b) En otro estudio, a 5 MHz, la frecuencia que vuelve es 1,6 kHz menor que la emitida: ¿a qué velocidad se mueve la sangre?

a) Dos tramos. Los glóbulos se alejan: primero reciben una frecuencia menor, y al reemitirla alejándose, la bajan otra vez. Juntando los dos tramos:

f_R = f₀ · (V_S − v) / (V_S + v) = 4×10⁶ · 1569,5 / 1570,5
Δf = f₀ − f_R ≈ 2550 Hz

Con la aproximación: Δf ≈ 2 · 4×10⁶ · 0,5 / 1570 = 2548 Hz. Coinciden. Unos 2,5 kHz: un tono audible.

b) Al revés: la velocidad. Con la fórmula de la materia, f_R = 5×10⁶ − 1600 Hz:

v = (f₀ − f_R)/(f₀ + f_R) · V_S = 1600 / (10×10⁶ − 1600) · 1570 = 0,25 m/s

Positiva: la sangre se aleja, como indicaba que la frecuencia bajara.

Dónde se pierde. Usar Δf = f₀·v/V_S sin el 2: sale v = 0,50 m/s, el doble. El corrimiento es doble porque el glóbulo primero escucha y después habla.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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