Análisis de Doppler fetal 2 MHz para experimentos de sonar

Desmontaje y Modificación de Doppler Fetal: De Onda Continua a Sonar por Pulsos

Un Doppler fetal es un dispositivo para escuchar el latido del corazón de un feto a una frecuencia de 2–3 MHz. La frecuencia de operación real, medida en una unidad desmontada, es de 2 MHz, a pesar de que la pantalla indica 3 MHz. El principio se basa en el efecto Doppler: el elemento piezoeléctrico transmisor genera continuamente una señal ultrasónica, y el elemento receptor capta la señal reflejada desde superficies en movimiento, como las paredes del corazón.

La señal se amplifica, se compara en fase con una referencia (usando un método de detector en cuadratura) y se convierte en una señal de audio de baja frecuencia mediante chips como el LM324. Un microcontrolador (con marcas borradas) cuenta la frecuencia de pulsos y la muestra, mientras también envía sonido a un altavoz.

El circuito del sensor incluye dos elementos piezoeléctricos: un transmisor con un generador en un resonador cerámico (chip AB42) y un receptor con un preamplificador. Un filtro paso bajo elimina el ruido.

Desmontaje y Esquema

La placa contiene un microcontrolador, un controlador de potencia, un amplificador de audio y una pantalla. El sensor alberga elementos piezoeléctricos transmisor y receptor conectados a través de la inductancia L1. El esquema de la parte transmisora:

[Generador AB42] --> [Buffer] --> L1 --> Piezo TX
Piezo RX --> Amplificador --> FPB

La frecuencia real de 2 MHz se confirmó con un osciloscopio. En modo de onda continua, la baja potencia es suficiente para la detección auditiva de pulsaciones a distancias de hasta 10–15 cm en tejido.

Modificación para Modo de Pulsos

El objetivo es convertirlo en un sonar para registrar reflexiones. Se soldó un buffer SN74AHC1G125D en la interrupción de L1 para controlar la transmisión. El control proviene de un generador de osciloscopio: ráfagas de pulsos de 5 µs de duración (10 períodos a 2 MHz), con un período de repetición de 2–3 ms.

Cálculo de distancia: un período ~0,7 mm (velocidad del sonido ~1400 m/s en tejido/agua). El circuito permanece sin optimizar: sin amortiguadores y con circuitos resonantes, lo que causa artefactos.

Conexión:

• Salida del amplificador al osciloscopio para recepción.
• Buffer controlado por una señal lógica.

Forma del pulso en TX: ráfagas rectangulares con amplitud suficiente para excitar el elemento piezoeléctrico.

Experimentos en Modo de Pulsos

Pruebas en recipientes de agua (buen conductor acústico):

• Alimentación vertical de señal en un vaso: el tiempo de reflexión desde el fondo coincide con el calculado (profundidad ~10 cm).
• Alimentación lateral a través de la pared de un recipiente con gel: reflexiones claras desde una mano en movimiento bajo el agua.
• El patrón direccional del sensor es estrecho; la señal se registra a lo largo de la trayectoria de propagación.

La aplicación en el cuerpo no produjo reflexiones: baja potencia, envolvente de pulso inadecuada, atenuación en capas de tejido y grasa. El osciloscopio no es óptimo para señales débiles.

Puntos clave:

• La frecuencia real es 2 MHz, no 3 MHz como se indica.
• El modo de onda continua solo es adecuado para el desplazamiento Doppler, no para ecolocalización.
• La modificación por pulsos da reflexiones aproximadas en agua pero es inútil para tejido sin amplificación de potencia.
• El dispositivo alimentado por batería no es adecuado para un escáner de ultrasonido completo.
• Aplicaciones potenciales: demostrador, buscador de peces en acuario, sonar de juguete.

Aplicaciones Potenciales y Limitaciones

El Doppler modificado demuestra principios básicos de sonar pero está limitado por la potencia y el diseño del circuito.

• Demostrador: para enseñar ecolocalización ultrasónica.
• Sonar de juguete: para modelos en una bañera.
• Buscador de peces en acuario: detectar objetos en pequeños volúmenes.

Un escáner de ultrasonido completo requiere una arquitectura diferente: generadores de pulsos de alta potencia, transductores amortiguados, amplificadores TGC y convertidores A/D de alta resolución.

— Editorial Team