TESIS_MASTER_ALBA_MARTIN_GINEL

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID 
 
Máster Universitario en Ingeniería Acústica 
 
 
 
 
TRABAJO FIN DE MÁSTER 
“DESARROLLO DE UN SISTEMA ULTRASÓNICO MEDIANTE 
ACOPLAMIENTO POR AIRE PARA CONTROL DE CALIDAD EN LA 
INDUSTRIA ALIMENTARIA EN LÍNEA DE PRODUCCIÓN Y EN 
TIEMPO REAL” 
AUTORA: Alba Martín Ginel 
DIRECTOR EXTERNO: Tomás Gómez Álvarez-Arenas 
TUTOR ACADÉMICO: Rubén Fraile Muñoz 
Septiembre / 2021 
 
 
II 
 
 
III 
 
 
Máster Universitario en 
Ingeniería Acústica 
 
 
 
 
 
 
 
 
Secretario 
 
Trabajo Fin de Máster 
 
Título 
Desarrollo de un sistema ultrasónico mediante acoplamiento por aire para control 
de calidad en la industria alimentaria en línea de producción en tiempo real. 
Autor 
Alba Martín Ginel Firma 
 
Tutor / Co-Tutor 
Rubén Fraile Muñoz Firma 
Director Externo 
Tomás Gómez Álvarez-Arenas Firma 
Tribunal Examinador 
Presidente/ 
Secretario/ 
Vocal 
 
 
Fecha 
 
Calificación 
 
 
IV 
Índice 
Índice IV 
Índice de figuras VI 
Índice de tablas VIII 
Índice de ecuaciones IX 
Resumen XI 
Abstract XII 
1. Introducción 1 
1.1. ULTRASONIDOS. ASPECTOS GENERALES 2 
1.1.1 ULTRASONIDOS DE SEÑAL O BAJA POTENCIA 3 
MODO PULSO-ECO 5 
MODO EMISIÓN-RECEPCIÓN 5 
1.1.2 ULTRASONIDOS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA 6 
2. Elementos del sistema propuesto 9 
2.1 TORTITA DE MAÍZ COMO CASO DE ESTUDIO 10 
PRODUCTOS EXTRUIDOS 11 
TORTITAS DE MAÍZ 12 
2.2 TRANSDUCTORES 14 
2.3 ELECTRÓNICA DE EXCITACIÓN Y RECEPCIÓN 21 
2.3.1 EQUIPO DE LABORATORIO 21 
2.3.2 EQUIPO INDUSTRIAL 22 
2.4 ADQUISICIÓN DE LA MEDIDAS 23 
2.4.1 EQUIPO DE LABORATORIO 23 
 
V 
2.4.2 EQUIPO INDUSTRIAL 24 
2.5 PROCESADO DE LAS MEDIDAS 24 
3. Hipótesis y Objetivos 27 
4. Resultados y discusión 29 
4.1 SISTEMA ULTRASÓNICO DE MEDIDA EN LABORATORIO, 
DESCRIPCIÓN Y RESULTADOS OBTENIDOS CON TORTITAS 30 
4.2 SISTEMA ULTRASÓNICO PARA MEDIDA EN FÁBRICA 35 
4.3 COMPARACIÓN DE MEDIDA ULTRASÓNICA CON TEXTURA 
INSTRUMENTAL 37 
5. Conclusiones 41 
6. Apéndice 43 
6.1 SISTEMA DE MEDIDA DE TEXTURA INSTRUMENTAL: 
DESCRIPCIÓN Y RESULTADOS 44 
6.2 COMPARACIÓN DE TEXTURA ULTRASÓNICA E INSTRUMENTAL CON 
PANEL DE CATA 45 
7. Difusión de resultados 49 
8. Bibliografía 53 
 
 
 
VI 
Índice de figuras 
Figura 1. Rangos de frecuencia del sonido. 2 
Figura 2. Esquema para la realización de una medida ultrasónica en configuración ulso-
eco con un solo transductor (Tx). 5 
Figura 3. Esquema para la realización de una medida ultrasóica en configuración 
emisión-recepción. 6 
Figura 4. Componentes de una extrusora por calor. 10 
Figura 5. Partes de un grano de maíz. 11 
Figura 6. Apariencia de las tortitas de maíz del caso de estudio. 12 
Figura 7. Imágenes de los cortes de tortita con microtmo. 12 
Figura 8. Componentes principales de un transductor por acoplamiento por aire no 
focalizado y piezoeléctrico. 16 
Figura 9. Impedancia eléctrica de las cerámicas piezoeléctricas a 300 kHz acopladas al 
casquillo y antes de añadir capas de adaptación. 17 
Figura 10. Esquema de la configuración llevada a cabo para la caracterización de los 
transductores. 17 
Figura 11. Respuesta en dominiofrecuencial y del tiempo de los transductores de 
frecuencia central 300 kHz. 18 
Figura 12. Respuesta en dominiofrecuencial y del tiempo de los transductores de 
frecuencia central 500 kHz. 19 
Figura 13. Esquema de la configuración final para realizar una medida ultrasónica 
en la tortita de maíz. 21 
Figura 14. Configuración del equipo de medida para entorno industrial. 22 
Figura 15. Curva tensión-deformación de sólidos elásticos. 28 
Figura 16. Curva tensión-deformación de sólidos viscoelásticos. 28 
 
VII 
Figura 17. Señales medidas en una tortita de maíz y en una galleta laminada. Se 
muestran dos medidas aleatorias y el promedio de 7 medidas. 30 
Figura 18. Señales adquiridas aleatoriamente en una tortita (colores) y media de todas 
las señales (negro). 31 
Figura 19. Módulos de los coeficientes de transmisión de baterías de medidas sin 
promediar correspondientes al mismo paquete de tortitas. 32 
Figura 20. Módulos de los coeficientes de transmisión de baterías de medidas sin 
procesadas correspondientes al mismo paquete de tortitas. 32 
Figura 21. Montaje de los equipos y transductores para las pruebas en entorno industrial 
en la fábrica de CEREALTO SIRO FOODS en Jaén. 33 
Figura 22. Módulo del coeficiente de transmisión para 5 medidas en una tortita realizadas 
con los transductores de frecuencia central 300 kHz. 34 
Figura 23. Módulo del coeficiente de transmisión para el promediado total de medidas 
en dos tortitas realizadas con los transductores de frecuencia central 300 kHz 34 
Figura 24. Curva promedio para test instrumental de flexión-compresión para un lote de 
tortitas comerciales. 35 
Figura 25. Modelo predictivo de la dureza corregida de las tortitas de maíz y su relación 
con el coeficiente de transmisión ultrasónico. 37 
Figura 26. Analizador de textura con sonda esférica para ensayo de compresión-flexión
 41 
Figura 27. Resultados experimentales de la prueba instrumental para ensayos de 
compresión-flexión para un lote de tortitas de maíz. 42 
Figura 28. Escala de puntuación de propiedas sensoriales de las tortitas de maíz. 43 
 
 
 
 
 
VIII 
 Índice de tablas 
Tabla 1. Propiedades de los transductores de frecuencia centrales 300 kHz y 
500 kHz. 19 
Tabla 2. Configuración de la electrónica de excitación-recepción del transductor emisor 
en el montaje de laboratorio para adquirir una medida 20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
IX 
Índice de ecuaciones 
(1) Velocidad general. 3 
(2) Velocidad para configuración en pulso-eco. 4 
(3) Velocidad para configuración en transmisión. 4 
(4) Coeficiente de atenuación. 4 
(5) Impedancia acústica. 5 
(6) Sensibilidad. 14 
(7) Ley de Hooke. 28 
(8) Módulo de Young. 14 
(9) Tangente del Módulo de Young. 28 
(10) Modelo matemático dureza I. 35 
(11) Modelo matemático dureza I. 35 
(12) Dureza corregida 37 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
X 
 
 
XI 
Resumen 
La utilización de los ultrasonidos dentro de la industria alimentaria lleva ya unos años 
desarrollándose. El uso de tecnologías no destructivas y no invasivas resulta de vital importancia 
dentro del sector de los alimentos, evitando así el desperdicio de estos, además de preservar la 
calidad de los productos. Hasta el momento, se han venido utilizando ultrasonidos por contacto 
que resultan inocuos para los alimentos pero que presentan muchas dificultades para su uso en 
un sistema en línea. 
Es por ello que, el desarrollo de transductores ultrasónicos que utilicen el aire como medio 
de acople resulta muy atractivo y útil dentro de la industria ya que permitiría instaurar sistemas 
ultrasónicos capaces de realizar medidas de control in situ con capacidad de análisis en tiempo 
real. 
En este trabajo se presenta un sistema ultrasónico desarrollado para trabajar en la industria 
del “snack” y orientado a determinar textura del producto, utilizando transductores optimizados 
por acoplamiento por aire, donde se mejoran características como el ancho de banda y la 
sensibilidad para ser capaces de realizar medidas en el entorno industrial y con un sistema de 
análisis de medidas instantáneo que sirva como un parámetro de medida de calidad dentro de 
la industria. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
XII 
Abstract 
The use of ultrasounds in the food industry has been developed for several years. Non-
destructive and non-invasive techniques play a key role in this industry, avoiding food waste and 
preserving the quality of the food products as well. 
 
So far, contact ultrasounds that are innocuous for food have beenused, though introducing 
them in an inline system remains a challenge. Therefore, developing air-coupled transducers 
arise as an attractive technology for the food industry. This technology would allow to set up 
ultrasounds systems capable of carrying out in-situ control measurements as well as real time 
analysis. 
 
In this work, an ultrasound system for determining the texture of food products in the snack 
industry is presented. The system uses air-coupled optimized transducers, showing a wideband 
and high-sensitivity performance. These characteristics enable real-time analysis of the 
measurements, thus providing a quality parameter within the food industry. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. Introducción 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. INTRODUCCIÓN 
 
2 
1.1. ULTRASONIDOS. ASPECTOS GENERALES 
Los ultrasonidos son ondas acústicas que se encuentran por encima del espectro 
audible (>20 kHz, figura 1). Curiosamente, el primer instrumento ultrasónico fabricado fue 
un silbador para perros, desarrollado en 1880 [1]. 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. Rangos de frecuencia del sonido. Extraído de [2]. 
El amplio rango de frecuencias que abarcan los ultrasonidos ofrece un extenso campo 
de aplicaciones. Entre ellas, se pueden encontrar aplicaciones en el sector marítimo, con 
la introducción del sonar, para el mapeo del suelo marino que facilitaba las travesías de 
las embarcaciones, haciéndolas más seguras. También se pueden utilizar ultrasonidos en 
el sector aeronáutico, para detección de fallas en la fabricación de piezas [3], [4]. 
Dentro del sector médico, se pueden diferenciar ultrasonidos para el tratamiento de 
enfermedades o dolencias, como en el campo de la fisioterapia o para diagnosis, como el 
caso de detección de problemas como neumotórax o seguimiento de embarazos por 
ecografía [5], [6]. En los últimos años también se han desarrollado los ultrasonidos en el 
campo de la estética y cuidado personal, para la medida del cambio de espesor y 
elasticidad de la piel tras estimulación de ésta mediante ultrasonidos [7]. 
Cabe destacar el desarrollo y aplicación de los ultrasonidos en la industria alimentaria, 
para diversas aplicaciones, como se detallará más en profundidad en los sucesivos 
apartados [8]. 
Los ultrasonidos se pueden clasificar en función de sus rangos de intensidad y 
frecuencia, agrupándose en ultrasonidos de potencia o alta intensidad. En este segundo 
caso, las frecuencias empleadas suelen encontrarse dentro del rango de entre 20 kHz y 
1. INTRODUCCIÓN 
 
 
3 
100 kHz y las intensidades suelen situarse por encima de 1 W·cm-2 [9]. El objetivo de este 
tipo de ultrasonidos es interaccionar con el medio en el que se propagan y producir 
cambios en ellos, ya sean permanentes o transitorios. Ya en 1927 se recogía en artículos 
científicos varias aplicaciones para este tipo de ultrasonidos, como en emulsiones o 
limpieza de superficies [10]. En la industria alimentaria se han utilizado ultrasonidos de 
potencia para numerosas aplicaciones, como por ejemplo, inactivación microbiana, 
procesos de secado de productos cárnicos y vegetales, monitorización de procesos de 
salado y salmueras o estabilización de emulsiones entre otras [2], [11]–[15]. 
Por otro lado, se encuentran los ultrasonidos de señal o de baja intensidad, que 
abarcan, en la mayoría de las aplicaciones, frecuencias superiores a los 100 kHz e 
intensidades inferiores a 1 W·cm-2. Al contrario que los ultrasonidos de potencia, los 
ultrasonidos de señal evitan modificar las propiedades del medio en el que se propagan, 
y son empleados en la mayoría de los casos, para obtener información del mismo, ya sea 
de sus propiedades o de la variación espacial de las mismas dentro de dicho medio. El 
ejemplo más conocido de este tipo de aplicaciones es la ecografía, ya sea para usos 
industriales o médicos. En el apartado 1.1.1 se detalla cómo funcionan los ultrasonidos 
de señal. 
1.1.1 ULTRASONIDOS DE SEÑAL O BAJA POTENCIA 
Las magnitudes que se pueden obtener del estudio de la propagación del ultrasonido 
en un medio que interesa ser analizado son: la impedancia acústica, la velocidad del 
ultrasonido, el coeficiente de atenuación y la variación de ambos con la frecuencia, lo que 
se conoce como dispersión [16]. En función de estas propiedades podrán establecerse 
relaciones con las propiedades físico-químicas del medio y del producto [17]. 
La velocidad (v) del ultrasonido se relaciona con la densidad (ρ) y el módulo elástico 
(Γ) de la siguiente manera (ecuación 1): 
 𝑣 = √
Γ
𝜌
 ( 1) 
Donde Γ depende del modo de propagación en cuestión. Por ejemplo, para ondas de 
cizalla Γ es el módulo de cizalla (G), para ondas longitudinales, Γ = K + 4/3G donde K es 
el módulo de compresibilidad y para ondas longitudinales confinadas en una barra 
delgada, Γ = E, donde E es el módulo de Young. 
1. INTRODUCCIÓN 
 
4 
La velocidad del ultrasonido en un material también se calcula a partir del tiempo que 
tarda la onda en atravesar una distancia conocida de dicho material. En una configuración 
típica de pulso eco la velocidad viene dada por (ecuación 2): 
 𝑣 =
2𝑑
𝑡
 ( 2) 
Donde d es el grosor de la pieza y t el tiempo que tarda el eco en volver al transductor, 
donde t = 0 se sitúa en el momento en el que se emite la onda. 
En una configuración de transmisión en inmersión en un fluido en la que la muestra a 
medir se interpone entre un transductor emisor y un receptor que están siempre situados 
a una misma distancia, la velocidad se obtiene a partir de (ecuación 3): 
 𝑣 = 
𝑑
∆𝑇 + 
𝑑
𝑣𝑚
 
( 3) 
Donde d es el grosor de la lámina de material, ∆𝑡 es la diferencia de tiempo de vuelo 
de la señal comparando la señal recibida cuando no hay muestra entre los transductores 
y cuando la muestra está interpuesta y vm es la velocidad del ultrasonido en el fluido. 
Claramente, cuando ∆𝑡 = 0, la velocidad en la muestra de material estudiada es la misma 
que la del medio fluido. 
El coeficiente de atenuación (α) del ultrasonido en un material expresa la pérdida de 
energía de la onda al viajar por el material debido a que el material la absorbe. Esta 
pérdida de energía puede deberse a la transformación de la energía ultrasónica en calor 
o en otra forma de energía (eléctrica, magnética). También se incluyen las pérdidas por 
scattering (ya sea por la presencia de defectos, dislocaciones, fronteras de grano, etc.) 
[16], [18]. El coeficiente de atenuación es un parámetro específico de cada material. 
Además, la onda ultrasónica puede presentar otras pérdidas al viajar por un material, 
como las debidas a la difracción del haz que dependen de la geometría del haz, del tipo 
de onda y del medio. Las pérdidas totales pueden medirse mediante (ecuación 4): 
 𝛼 = 
1
𝑑
 𝑙𝑛 (
𝐴1
𝐴2
) ( 4) 
Donde A es la amplitud de la onda y los subíndices 1 y 2 se refieren a dos puntos en 
el material separados una distancia d, medida a lo largo de la dirección de propagación 
de la onda. 
1. INTRODUCCIÓN 
 
 
5 
Se define a la impedancia acústica (Z) según la ecuación 5, siendo ρ la densidad del 
medio de propagación y v la velocidad del ultrasonido en el mismo. 
𝑍 = 𝜌𝑣 ( 5) 
En ocasiones, para poder analizar cómo se comporta la onda en un medio, es 
conveniente trabajar en el dominio frecuencial, ya que se puede extraer mejor la 
información que en el dominio temporal, en particular, los fenómenos de dispersión 
(variación del vector de onda con la frecuencia), [19]. 
Una medida ultrasónica puede llevarse a cabo empleando diversas configuraciones de 
transductores, en particular, cabe destacar los modos de emisión-recepción y pulso-eco 
[9], [17]. 
MODO PULSO-ECO 
Se pueden utilizar dos transductores, o un transductor bicristal, uno actuando como 
emisor de la señal ultrasónica y el otro como reflector, aunque lo normal es utilizar un solo 
transductor que actuará tanto deemisor como de receptor de la señal [20] como se 
muestra en la figura 2. 
 
 
 
 
 
 
Figura 2. Esquema para la realización de una medida ultrasónica en 
configuración pulso-eco con un solo transductor (Tx). 
MODO EMISIÓN-RECEPCIÓN 
En este caso se emplean dos transductores, uno como emisor y otro como receptor y 
el diseño experimental implica una única dirección de propagación. Un ejemplo de este 
tipo de configuración se muestra en la figura 3. 
PULSER/RECEIVER 
 
 
 OSCILOSCOPIO 
Transductor emisor/receptor 
Muestra 
1. INTRODUCCIÓN 
 
6 
Los transductores son colocados enfrentados con sus caras radiantes colocadas en 
paralelo. El medio o muestra a medir se coloca entre ambos. El transductor emisor es 
excitado con una señal eléctrica que es convertida en una vibración que genera una onda 
ultrasónica que viaja por el medio, atraviesa el material a estudiar y finalmente llega al 
transductor receptor [21]. El medio entre los transductores y la muestra debe facilitar el 
paso de los ultrasonidos para que, ni la atenuación en el mismo, ni la reflexión de la 
energía en las superficies transductor/medio y medio/muestra supongan una pérdida de 
energía que comprometa la toma de la medida. 
 
 
 
 
 
 
Figura 3. Esquema para la realización de una medida ultrasónica en 
configuración transmisión-recepción. 
La realización de este trabajo se llevó a cabo empleando transductores acoplados al 
aire que, como se detallará más adelante, suponen un reto debido a la elevada diferencia 
de impedancias entre los materiales piezoeléctricos empleados en la fabricación de los 
transductores y el aire, y entre el aire y los materiales objeto de este estudio. 
 
1.1.2 ULTRASONIDOS EN LA INDUSTRIA 
ALIMENTARIA 
La primera vez que se utilizaron ultrasonidos de señal para caracterizar alimentos fue 
en la década de 1930, pero no fue hasta la década de finales de los 80 cuando se tomó 
conciencia de la utilidad de los ultrasonidos en la industria alimentaria [17]. Gracias a la 
rapidez en la adquisición de las medidas ultrasónicas, estos sistemas permiten operar en 
tiempo real. Además, su carácter no destructivo y no invasivo añaden ventajas de gran 
 PULSER/RECEIVER 
 
 OSCILOSCOPIO 
 Transductor emisor (Tx) 
Muestra 
Transductor receptor (Rx) 
1. INTRODUCCIÓN 
 
 
7 
importancia para esta industria. Todo esto permite una evaluación pormenorizada que 
ayuda en la formulación y en los análisis de evaluación de la calidad del producto. 
Se han utilizado ultrasonidos de señal y de potencia en la tecnología de alimentos. 
Como ejemplo de la utilización de ultrasonidos de potencia, se han estudiado y utilizado 
en la industria cárnica para la monitorización y control de procesos de congelación y 
descongelado y para asistir en salado por salmuera y del marinado de carne, revelando 
que, con la aplicación de ultrasonidos,éste es más eficaz [19], [22]. En industria láctea se 
han utilizado en pruebas piloto para retirar espumas en los fermentadores [23]. Los 
ultrasonidos también se han utilizado en la industria láctea para mejora del flujo y limpieza 
de membranas para separar la suciedad grosera de la leche, donde se observó que el 
tratamiento de membranas con ultrasonidos era más efectivo que mediante sonicación a 
20 kHz [24]. También se ha estudiado el uso de ultrasonidos de potencia en la limpieza 
de frutas y verduras que no pueden sumergirse en soluciones líquidas [25]. Se han 
utilizado este tipo de ultrasonidos en batata para extracción de antocianinas resultando 
esta técnica más efectiva que la técnica tradicional [26]. Cárcel et al. [27], diseñaron un 
secadero convectivo para aplicar ultrasonidos, donde la cámara de secado convencional 
se reemplazó por un cilindro vibratorio de aluminio accionado por un transductor 
piezoeléctrico que genera un campo ultrasónico de alta intensidad dentro del cilindro. 
Por otra parte, también se han utilizado ultrasonidos de baja potencia para el estudio del 
grado de maduración y la ternura de la carne [28]. También se ha utilizado en la industria 
quesera para determinación de textura, madurez, calidad, determinación de propiedades 
reológicas y tiempos de corte durante la elaboración de quesos [29]. Se han observado 
las diferencias en las señales acústicas transmitidas en ciruelas con distintos estados de 
madurez, revelando que podría ser una técnica de monitorización de la firmeza en 
productos almacenados [30]. 
 
1. INTRODUCCIÓN 
 
8 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. Elementos del 
sistema propuesto 
 
 
 
 
 
 
 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
10 
2.1 TORTITA DE MAÍZ COMO CASO DE ESTUDIO 
La matriz alimentaria de la que se compone un producto es muy importante para saber 
las ventajas y problemas que presentará a la hora de adquirir medidas ultrasónicas y 
procesar los datos posteriormente. El estado de la materia prima será determinante a la 
hora de poder adquirir una medida y cómo hacerlo, según sea sólida, líquida o gaseosa, 
como también lo es la forma en cómo se presenta (si es un polvo, un granulado, un 
material en forma de lámina, una suspensión, un sólido amorfo, etc.). Por ejemplo, en el 
caso de materiales laminados, la rugosidad de la superficie es también importante ya que 
puede dificultar la toma de medidas, especialmente si es muy irregular. A la hora de 
correlacionar las propiedades de una cierta matriz alimentaria que sea de interés para la 
industria con la información de la misma que se puede obtener empleando ultrasonidos, 
se debe prestar atención principalmente a los parámetros que se pueden obtener por 
ultrasonidos; la velocidad, la atenuación (y la variación de ambos con la frecuencia) y la 
impedancia acústica y a la potencial relación que puede existir entre estos parámetros y 
las propiedades de dicha matriz alimentaria en particular, que resultan de interés para la 
industria. La posibilidad de establecer dicho vínculo entre ambos tipos de propiedades, la 
robustez del mismo y la complejidad en el proceso de extracción de correlaciones, 
determinarán, en gran medida, las posibilidades del uso de técnicas ultrasónicas para una 
determinada aplicación y un determinado producto. 
Para el análisis de matrices alimentarias, la velocidad ultrasónica resulta un parámetro 
de interés, ya que, si la densidad es conocida, es posible determinar el módulo elástico. 
El módulo elástico de una matriz alimentaria dependerá del módulo de los componentes, 
su concentración volumétrica y su distribución espacial, así como el módulo de cada 
componente dependerá de su composición y de interacciones a nivel intermolecular, 
haciendo que las medidas de velocidad sean apropiadas para ayudar a determinar 
composición, estructura y estado físico de los productos, además de algunos procesos 
moleculares. 
La atenuación es la pérdida de energía debido a las compresiones y descompresiones 
de las ondas ultrasónicas por las contribuciones de absorción y scattering. La atenuación 
debida a la absorción se asocia a materiales homogéneos, mientras que la atenuación 
debida al scattering, se asocia a materiales heterogéneos [20]. La atenuación puede 
aportar información sobre propiedades fisicoquímicas de las matrices alimentarias como 
la organización molecular,, la microestructura, la viscosidad o la reología [17], [31]–[33]. 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
 
11 
PRODUCTOS EXTRUIDOS 
La primera máquina extrusora patentada data de 1797 destinada a la fabricación de 
tuberías de plomo. Durante los siguientes 200 años se ha ido incorporando esta 
tecnología a otros procesos de fabricación como el de piezas plásticas, el moldeado de 
piezas metálicas y materiales sintéticos. El uso de máquinas extrusoras en la industria 
alimentaria comienza en la década de los años 30, ya en el siglo XX, con productos 
extruidos de maíz. Pero no es hasta los años 70, cuando se empiezana incorporar de 
manera más habitual en ciertos sectores de la industria alimentaria, impulsadas porque 
permiten ofrecer una gran variedad de productos para una misma materia prima, gracias 
a su capacidad para mezclar ingredientes y crear nuevas texturas, [34], [35]. 
Una extrusión es un proceso donde la materia prima es mezclada y forzada a través 
de un troquel, cortada en piezas individuales y moldeada según la forma deseada. Se 
puede realizar a baja temperatura (< 70º) o alta temperatura (> 70º). Dentro de la industria 
alimentaria, la técnica a alta temperatura es utilizada a menudo, combinada con altas 
presiones [34], [36]. La figura 4 muestra un diagrama básico del proceso de extrusión de 
un producto. 
Figura 4. Componentes de una extrusora por calor. Extraído de [37]. 
Esta tecnología ha adquirido mucha popularidad en la industria del snack, debido a la 
elevada variedad de productos que se pueden obtener empleando materias primas muy 
sencillas, como los cereales, aunque en la actualidad se han incorporado otros 
ingredientes que resultan muy versátiles a la hora de producir nuevos productos [38]. 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
12 
TORTITAS DE MAÍZ 
Los cereales son considerados buenos ingredientes a la hora de elaborar productos 
mediante extrusión. Esto se debe a que el principal ingrediente de que se componen es 
el almidón. Este compuesto es el responsable de la textura final en los productos 
extruidos, entendiendo como textura el atributo de una sustancia resultante de una 
combinación de propiedades físicas y percibidas por el sentido del tacto. Incluyendo la 
sensación en boca, la vista y el oído. Las propiedades físicas pueden incluir tamaño, 
forma, número, naturaleza y conformación de los elementos estructurales constituyentes 
[39]. El éxito o fracaso de un producto extruido se relaciona directamente con las 
propiedades sensoriales de éste, donde la textura juega el papel más importante [35], 
[36], [40]. 
El maíz es el cereal que más se utiliza en 
productos extruidos. Este cereal tiene un coste 
menor en relación con otros cereales y además 
su expansión es muy buena, incluso en los 
extrusores más básicos [35]. El maíz se 
compone de tres partes (figura 5) [41]; el 
pericarpio, que es la capa más externa y cumple 
con una función protectora, suponiendo el 5 % 
del volumen del grano. El endosperma, que es 
la parte más voluminosa e importante del grano 
y supone un 83 % aproximadamente del 
volumen del grano. Finalmente, el germen, que 
se encuentra en el extremo del grano y representa un 12 % del volumen de éste. La 
composición variará en función de la porción de grano con la que se trabaje. Para el 
estudio realizado en esta memoria se utilizó grano sin el pericarpio, ya que la extrusión se 
ve beneficiada sin esta parte del grano [35]. La composición es almidón (amilosa (25-30 
%) y amilopectina (70-75 %)) que constituye un 72-73 % del peso del grano. Se compone 
también de otros azúcares sencillos en forma de glucosa, sacarosa y fructosa, en 
cantidades variables entre el 1 % y el 3% del grano por cada azúcar. El resto son 
compuestos minoritarios como grasa o cenizas [42]. A partir de la porción de grano 
mencionada, un poco de grasa para mejorar la untuosidad en la extrusión y un poco de 
sal, se fabrican tortitas de maíz (figura 6) como snacks. Se envasan sin atmósfera 
Figura 5. Partes de un grano de 
maíz. Extraído de [41]. 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
 
13 
modificada dado que su contenido en agua es mínimo y su composición no se ve 
comprometida por microorganismos u hongos. 
 
 
 
 
 
Figura 6. Apariencia de las tortitas de maíz caso de estudio. 
Como resultado de la extrusión a elevada temperatura y presión, el grano explota de 
forma descontrolada en el molde, ocasionando burbujas de aire en algunas zonas y 
apelmazamiento en otras. Esta configuración espontánea dota de una textura crujiente a 
este snack, pero también acarrea problemas difíciles de resolver a la hora de trabajar con 
la técnica de ultrasonidos, ya que la irregular superficie dificulta mucho la adquisición de 
medidas y el alto contenido de aire supone un elevado scattering. Para poder conocer 
mejor el comportamiento y la microestructura de la tortita, y partiendo de la hipótesis de 
que la microestructura podría influir en las propiedades texturales y ultrasónicas, se 
realizaron cortes con un microtomo y se observaron con un microscopio de transmisión 
Leica DM750 (Leica Mycrosystems, Wetzlar, Germany) equipado con una cámara Leica 
ICC50 HP como se muestra en la figura 7. 
Figura 7. Imágenes de los cortes de tortita con microtomo, donde se 
observa una mayor aglutinación del maíz (izquierda) y zonas donde hay 
burbujas de aire (derecha). 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
14 
Debido a su estructura interna, se puede afirmar que la tortita de maíz es un sólido 
celular, donde existen 2 tres tipos de configuración de las celdillas, siendo cerradas o, 
abiertas [43]. En la imagen izquierda de la figura 7 se observa que la zona más oscura es 
una aglutinación de maíz. Pese a esto, se pueden observar las aristas y celdillas 
conectadas entre sí. La forma de las de las aristas es redondeada y de tamaño 
semirregular. Sin embargo, en la imagen derecha de la figura 7, se puede observar que 
existe un menor aglutinamiento del maíz, se observan celdillas cerradas, ya que se 
pueden diferenciar bien todas las aristas. Se aprecian roturas, que probablemente se 
deben al corte con el microtomo. Se trata de una geometría medianamente regular que 
hace que la energía se minimice. 
La tortita de maíz supone un reto en la evaluación de propiedades ultrasónicas, y que 
pueden ayudar en la evaluación de la textura, para así poder instaurarse un sistema de 
evaluación de calidad textural en las industrias. 
2.2 TRANSDUCTORES 
A la hora de diseñar un transductor, es importante prestar atención a la aplicación a 
la que irá destinado, en particular, al medio de acople que se vaya a utilizar. Bajo esta 
premisa, cabe esperar diferentes especificaciones en términos de sensibilidad (SNS), 
pérdidas por inserción, frecuencia central, ancho de banda (BW) o distribución espacial 
del campo de radiación [44]. El medio de acople juega un papel importante en la 
realización de ensayos. En este caso se suprime esta etapa, de modo que el medio de 
acople será el aire, lo que supone una simplificación de esta tecnología muy notable en 
el campo de los ensayos no destructivos [45]. Dentro de la industria alimentaria es 
importante poder utilizar dispositivos que perturben lo mínimo posible al alimento y, sobre 
todo, que no supongan una fuente de contaminación o que puedan comprometer su 
idoneidad para el consumo o reducir el tiempo de consumo aconsejado. Por este motivo, 
la idea de fabricar transductores con acoplamiento por aire resulta muy práctica y 
atractiva. Esta alternativa conlleva limitaciones que se explican brevemente a 
continuación: 
• Desadaptación de impedancias. Se define a la impedancia acústica según la 
Ecuación 5. De este modo, la cantidad de energía que atraviesa de un medio a 
otro vendrá determinada por la diferencia de impedancias entre los medios [46]. 
En el caso de la impedancia de las cerámicas piezoeléctricas como las que se van 
a utilizar en la fabricación de estos transductores y la impedancia del aire (Z≈40 
MRayl y Z≈440 Rayl respectivamente), se requerirá de la adición de capas de 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
 
15 
adaptación que permitan reducir el efecto de esta gran disparidad de impedancias 
y reduzcan así las pérdidas. 
• Atenuación por absorción. Pese a que la mayor dificultad de los transductores por 
acoplamiento por aire reside en el desacople de impedancias, la absorción de 
sonido en el aire también implica un problema, sobre todo a frecuencias superiores 
a 1 MHz [18]. 
• Condiciones de medida. Las condicionesde temperatura y humedad podrían 
interferir en la calidad de la señal. 
Los transductores con acoplamiento por aire empleados en este trabajo se diseñaron 
para optimizar la banda y la sensibilidad, que debe ser lo más alta posible para poder 
operar bajo condiciones de elevadas pérdidas asociadas a esta técnica [47]. Estas 
pérdidas se producen por interfaces aire/sólido, la actividad de los transductores y la 
atenuación en el aire y el material objeto de estudio [44]. De este modo se podría extraer 
información de interés sobre cualquier material que se desee analizar (como la velocidad 
de la propagación ultrasónica, el coeficiente de atenuación y su variación con la 
frecuencia). Los criterios utilizados para fabricar transductores con acoplamiento por aire 
son lo que se siguen en [44]: 
1. Sensibilidad (SNS). Para definir la sensibilidad (SNS) utilizamos la Ecuación 6, donde 
se calcula la transformada rápida de Fourier (FFT) de la señal eléctrica captada por el 
transductor receptor (Rx), tras aplicar un voltaje eléctrico por un transductor emisor 
(Tx). Los transductores se colocarán enfrentados y separados por un pequeño espacio 
de entre 10-20 mm. 
 𝑆𝑁𝑆 (𝑑𝐵) = 20𝑙𝑜𝑔10 (
|𝐹𝐹𝑇(𝑅𝑥)|
|𝐹𝐹𝑇(𝑇𝑥)|
) ( 6) 
2. Frecuencia central. Para determinar cuál será la mejor frecuencia central del 
transductor, lo mejor es disponer de una estimación de la variación del coeficiente de 
transmisión con la frecuencia. Para materiales laminados con una impedancia acústica 
alta y baja atenuación, la mejor alternativa será sintonizar la frecuencia central del 
transductor a una de las resonancias del laminado. 
3. Ancho de banda. Se debe lograr el mayor posible. Si a la hora de la fabricación se 
observa al menos una resonancia del piezoeléctrico que actúa como elemento activo 
en el transductor, se apreciará notablemente en el coeficiente de transmisión de dicha 
resonancia, ya que se verá incrementado. 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
16 
4. Figura de mérito (FOM). La adoptada en este trabajo se define como el pico de 
sensibilidad multiplicado por el ancho de banda relativo a -20 dB desde el pico máximo. 
Para definir la sensibilidad (SNS) se utiliza la Ecuación 6. Los transductores se 
colocarán enfrentados y separados por un pequeño espacio de entre 10-20 mm. 
Una vez decidido el diseño del transductor con las premisas anteriores y los 
parámetros a analizar, se calculó la FOM usando un modelo 1D de transductor donde las 
ecuaciones de campo se resuelven usando condiciones de continuidad (deformación y 
tensión) en cada límite de la estructura de las capas de adaptación. 
Los materiales escogidos para diseñar el transductor son: el material que actuará como 
elemento activo en el transductor, que será un composite piezoeléctrico de geometría 1-
3 (pilares cerámicos embebidos en una matriz plástica) [45] operando en su modo 
espesor, una capa de adaptación de impedancias y un backing de baja impedancia. La 
capa de adaptación de impedancias externa es una capa que se sintoniza con el elemento 
piezoeléctrico a la frecuencia de resonancia y que tiene una impedancia acústica y una 
pérdidas lo más bajas posible (<0.05 MRayl y <1000 Np a la frecuencia central del 
transductor respectivamente) para poder mitigar la gran disparidad entre las impedancias 
del piezoeléctrico y el aire [48],[49]. 
Para poder averiguar el número de capas de adaptación óptimo se utilizó un algoritmo 
de recocido (SA) [50], [51], que es esencialmente un método metaheurístico basado en el 
método Monte Carlo donde el espacio de búsqueda es muestreado utilizando cadenas 
de Markov y la probabilidad de aceptación viene dada por un algoritmo de Metropolis. El 
criterio de aceptación del algoritmo de Metropolis se hace más restrictivo cuanto más 
avanza la búsqueda, simulando la temperatura de enfriamiento en un sistema de recocido. 
Las impedancias de las capas de adaptación intermedias oscilaron entre 0.4 MRayl y 4 
MRayl y para fabricarlas se utilizaron resinas epoxi con distinta carga. Se determinó la 
configuración final del transductor, formado por 4 capas de adaptación que servirán para 
optimizar la figura de mérito del transductor. Se muestra un esquema tipo de la 
configuración de un transductor con acoplamiento por aire como el que se ha fabricado y 
utilizado en este trabajo en la figura 8, donde se observan las capas de adaptación 
(matching layers), el piezoeléctrico, el backing, la electrónica de conexionado interior 
(Electrical matching Bulit-in electronics), el casquillo (housing) y la cubierta externa 
conectora (Back cover connector). 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
 
17 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 8. Componentes principales de un transductor por acoplamiento por 
aire no focalizado y piezoeléctrico. Capas de adaptación, piezoeléctrico, 
backing, emparejado eléctrico, casquillo, tapa externa conectora. Extraído de 
[44]. 
Se utilizaron dos tipos de discos de composite 1-3 piezoeléctricos (fabricados por 
Smart Materials) para el diseño, optimización y posterior fabricación de los transductores. 
En un caso se empleó PZT5A y en el otro PZT5H como parte activa de los composites, 
en ambos casos con resina epoxi y una fracción volumétrica del 65% de cerámica. En 
todos los casos el diámetro era de 25 mm, y se emplearon discos de dos grosores 
diferentes correspondientes a frecuencias de resonancia de 300 kHz y 500 kHz. 
Debido a los requerimientos de la industria alimentaria donde no todos los materiales 
están permitidos para la fabricación de maquinaria y dispositivos, los casquillos de los 
transductores que habitualmente son de aluminio se realizaron de acero inoxidable, para 
garantizar el aislamiento y protección frente al posible ruido generado en la industria y 
para protegerlos cuando se vaya a proceder a su limpieza. 
Se midió la impedancia eléctrica de los composites piezoeléctricos empleados para 
fabricar los transductores como forma de verificación inicial de que la respuesta 
piezoeléctrica de los mismos es la esperada. Se empleó un analizador de impedancias 
BODE 100 y se midió la respuesta en el entorno de la primera resonancia del modo 
espesor. En la figura 9 se muestra como ejemplo la respuesta de los discos de 300 kHz 
donde se ve claramente la resonancia piezoeléctrica y la ausencia casi total de modos 
radiales. 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
18 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 
9. Impedancia eléctrica de las cerámicas piezoeléctricas a 300kHz acopladas 
al casquillo y antes de añadir capas de adaptación. 
Una vez completada la fabricación de los transductores se procede a caracterizar su 
respuesta siguiendo un esquema como el de la figura 10. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 10. Esquema de la configuración llevada a cabo para la caracterización 
de los transductores. 
Se colocan los transductores enfrentados a una distancia de entre 10 mm y 20 mm. 
Los transductores se conectan a un Pulser/Receiver Olympus Modelo 5077PR, donde el 
transductor emisor (Tx) es excitado mediante un semiciclo de onda cuadrada, sintonizado 
a la frecuencia central de los transductores de amplitud entre 100 V y 200 V. La señal 
 
 
 
Transductor emisor (Tx) 
Transductor receptor (Rx) 
 PC OSCILOSCOPIO DPO 7054 
CH 1 AUX IN 
RF OUTPUT SYNC OUT 
PULSER/RECEIVER 
MODEL 5077PR 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
 
19 
generada por el transductor receptor (Rx) se envía al Pulser/Receiver, donde no se aplica 
ganancia, y desde éste se conecta a un Osciloscopio Tektronix DPO7054. Finalmente se 
transfiere a un PC donde se realizará el procesado de datos. 
Con la configuración descrita anteriormente se obtienen los resultados de las 
respuestas de los pares de transductores de 300 kHz (siendo un par, Tx: PZT5A y Rx: 
PZT5H y otro par, Tx y Rx: PZT5A) medidos con el Pulser/Receiver y el osciloscopio 
anteriormente mencionados, con una amplitudde pulso de 200 V para los transductores 
de 300 kHz y de 100 V para los de 500 kHz y con ganancia 0 dB en ambos casos. Las 
figuras 11 y 12 muestran los resultados de las respuestas obtenidas. 
Figura 11. Respuesta en el dominio frecuencial y del tiempo de los 
transductores de frecuencia central 300 kHz. Línea continua correspondiente 
a Tx: PZT5A, Rx: PZT5H. Línea discontinua correspondiente a Tx y Rx: 
PZT5A. 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
20 
Figura 12. Respuesta en el dominio frecuencial y del tiempo de los 
transductores de frecuencia central 500 kHz. 
Se puede observar que las diferencias entre las medidas realizadas con las distintas 
combinaciones de cerámicas piezoeléctricas en los composites empleados en la 
fabricación de los transductores son muy pequeñas, por lo que no se esperan diferencias 
en el rendimiento final de la técnica en función del tipo de componente cerámico empleado 
en los composites piezoeléctricos usados para la fabricación de los transductores. Para 
poder resumir mejor las características de los transductores caracterizados, se muestran 
los resultados en la tabla 1. 
Tabla 1. Propiedades principales de los transductores de frecuencias centrales 300 
kHz y 500 kHz. 
 
La tabla 1 detalla las propiedades principales de los transductores y, como se puede 
observar, la sensibilidad obtenida es muy elevada (-21 dB y -25 dB para los transductores 
Frec. nominal 
(MHz) 
Frec. pico 
sensibilidad (MHz) 
Frec. central 
(Banda -20 dB) 
Banda relativa a -20 dB 
(%) 
Pico SNS 
(dB) 
0.30 0.26 0.27 59 -21 
0.50 0.57 0.50 73 -25 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
 
21 
de 300 kHz y 500 kHz, respectivamente), manteniendo un ancho de banda medido a -20 
dB bastante amplio (59 % y 73 % para 300 kHz y 500 kHz, respectivamente). 
2.3 ELECTRÓNICA DE EXCITACIÓN Y 
RECEPCIÓN 
2.3.1 EQUIPO DE LABORATORIO 
Las pruebas realizadas para comprobar la configuración más adecuada para realizar la 
medida ultrasónica, tanto en adquisición como en procesado se realizaron en laboratorio 
y después en entorno industrial perteneciente a la industria alimentaria. Para ello, se contó 
con distintos equipos que pudieran suplir las necesidades específicas de cada entorno. 
Además de los transductores descritos anteriormente, que se utilizaron para realizar las 
medidas ultrasónicas, se detalla a continuación la electrónica de excitación y recepción. 
Para excitar el transductor emisor se utilizó un Pulser/Receiver Olympus Modelo 
5058PR, en el que el tipo de señal utilizada es tipo spike. Los límites de amplitud se 
definen entre 100V y 900V. Otro de los parámetros que se puede fijar en el 
Pulser/Receiver es el Damping, que se corresponde con el amortiguamiento eléctrico que 
se da a la señal emitida, definido entre 50Ω y 500 Ω. Por último, se puede fijar también la 
tasa de repetición de pulsos (PRF) con valores determinados entre 20 Hz y 2 kHz. 
También se permite fijar la atenuación de la señal emitida. En la tabla 2 se resume la 
configuración de medida de la electrónica de excitación. 
Tabla 2. Configuración de la electrónica de excitación-recepción del transductor 
emisor en el montaje de laboratorio para adquirir una medida. 
CONFIGURACIÓN PULSER 
REP RATE (Hz) 200 
DAMPING (Ω) 500 
PULSE HEIGHT (V) 900 
CONFIGURACION RECEIVER 
ATTENUATOR (dB) 0-40 
GAIN 0-40 
FILTER (MHz) 
HP 0.1 
LP 3 
 
Este modelo de Pulser/Receiver también permite trabajar en modo pulso-eco y también 
invertir la fase de la onda si se precisase. Finalmente, los transductores se conectan al 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
22 
equipo mediante cableado coaxial con conector BNC, al igual que la conexión entre el 
Pulser/Receiver y el Osciloscopio Tektronix modelo DPO7054 que se utilizará para la 
adquisición y visionado de la señal, también conectado a un PC. Cuando se proceda a la 
calibración, se realizará bajo las mismas condiciones, pero con ganancia 0 dB. El montaje 
final para la realización de la medida se muestra en la figura 13. 
 
Figura 13. Esquema de la configuración final para realizar una medida 
ultrasónica en la tortita de maíz. 
2.3.2 EQUIPO INDUSTRIAL 
Para la realización de medidas en el entorno industrial, se ha utilizado un equipo de la 
spin-off DASEL, en concreto se ha utilizado un AirScope TT [52]. Este equipo es capaz 
de eliminar el ruido impulsivo en tiempo real y además capaz de mantener un rango 
dinámico elevado en entornos ruidosos, simplificando así la adquisición de la medida en 
el entorno industrial y haciéndola más fiable. Además, lleva incorporado un 
Pulser/Receiver con características remarcables como el rango del ancho de pulso desde 
200 ns a 25 µs y con resolución de 5 ns, con un Receiver que posee un ancho de banda 
desde los 20 kHz hasta os 2.5 MHz y, con una frecuencia de muestreo programable desde 
los 24.4 kHz hasta los 25 MHz capaz de programar la ganancia hasta los 100 dB. 
Solamente se requeriría de un PC con el software de adquisición de medida. De este 
modo se simplifica la forma de realizar la medida. En la figura 14 se muestra la 
configuración del equipo, donde los transductores emisor (T) y receptor (R) se conectan 
al AirScope TT y éste al PC, desde donde se realizará la adquisición de medidas. Se 
obtendrán archivos con extensión “.BIN” que se convertirán a archivos con extensión 
“.MAT” para poder procesarlas. 
Soporte 
hueco 
Tortita 
 
 
Transductor emisor (Tx) 
Transductor receptor (Rx) 
 PC OSCILOSCOPIO DPO 7054 
CH 1 AUX IN 
RF OUTPUT SYNC OUT 
PULSER/RECEIVER MODEL 5077PR 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
 
23 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 14. Configuración del equipo de medida para entorno industrial. 
Los transductores se situarán en espacios que haya entre las cintas transportadoras y 
enfrentados entre sí, a una distancia entre ellos que permita el paso de las tortitas y la 
adquisición óptima de las medidas. Para la realización de pruebas industriales se debe 
tener en cuenta que existen restricciones de los materiales a utilizar dentro de la industria 
alimentaria, como es el caso de los transductores y, como ya se mencionó con 
anterioridad, para las pruebas industriales éstos tienen un casquillo de acero inoxidable 
que recubre el casquillo de aluminio donde se inserta el piezoeléctrico y las capas de 
adaptación. 
2.4 ADQUISICIÓN DE LA MEDIDAS 
Una vez se dispone la configuración de adquisición de medidas, con todos los equipos 
conectados, se procede a fijar los ajustes para la adquisición de medidas. Como los 
equipos utilizados para la adquisición son distintos, el modo de adquirir también lo será. 
2.4.1 EQUIPO DE LABORATORIO 
La adquisición de las medidas se realiza con Matlab, con un código desarrollado por el 
grupo de investigación del centro. Se colocan los transductores enfrentados y con las 
caras radiantes paralelas entre sí, a una distancia de 5 cm aproximadamente. Se adquiere 
la señal temporal, el módulo y la fase. Previo a la medida en la tortita de maíz, se adquiere 
una señal de referencia con 0 dB de ganancia y se adquiere una señal de referencia en 
cada cambio de tortita. Para cada medida en la tortita, se coloca ésta sobre un soporte 
hueco, se mueve de forma aleatoria y se aumenta la ganancia en 40 dB y también se 
 AIRSCOPE TT 
Transductor emisor (Tx) 
Transductor receptor (Rx) 
PC 
Cinta transportadora Tortita
 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
24 
realiza un promediado. Se adquieren 7 medidas por tortita. Cada paquete contiene 4 
tortitas de maíz, por lo que se garantiza así un elevado número de medidas para poder 
procesarlas después y que los resultados y el análisis estadístico posterior sea preciso y 
potente. Cada medida adquirida se nombra como “med_X_Y_F”, siendo X el número de 
tortita, Y el número de la medida y F, la frecuencia central de los transductores empleados 
(en este caso F puede tomar dos valores: 300 y 500). La señalde referencia se denomina 
“cal”. 
2.4.2 EQUIPO INDUSTRIAL 
El equipo industrial se maneja mediante el software ScanView, perteneciente a DASEL 
SL. Funciona de manera distinta al método de adquisición con MATLAB ya que con este 
método se pueden realizar medidas en línea ya que el equipo adquiere de manera 
continua. Previo a la utilización en el entorno industrial, se realizan pruebas con el equipo 
en el laboratorio. Al igual que se hizo con el equipo de laboratorio, se realizan 
adquisiciones como medida de referencia. Tras fijar las condiciones de adquisición de 
medida en las tortitas y como prueba de que el equipo puede adquirir en continuo, se 
hacen pasar entre los transductores y con cierta velocidad varias tortitas de maíz. Se 
generará un archivo con extensión “.BIN” que se convertirá a un archivo con extensión 
“.MAT” para su posterior procesado. 
2.5 PROCESADO DE LAS MEDIDAS 
El procesado de la señal está dirigido a extraer propiedades del material objeto de 
estudio. Dichas propiedades pueden ser la velocidad del ultrasonido, la impedancia 
acústica o la atenuación del ultrasonido en el material, propiedades que se espera, 
puedan proporcionar información útil para el control de calidad del producto, que en este 
caso se trata de asegurar ciertos niveles de textura. El estudio de materiales como el de 
una tortita, cuya matriz es poco uniforme y tanto la superficie como el grosor es muy 
irregular, es muy complejo, ya que las señales adquiridas son muy irregulares, debido a 
la irregularidad de espesor y superficie, y presentan una larga reverberación 
completamente aleatoria debida a los rebotes de la onda dentro de la tortita que están 
fuertemente afectados por la irregularidad de la superficie. De esta forma, la medida de 
cualquiera de las magnitudes comentadas anteriormente resulta compleja y los errores 
asociados pueden ser muy elevados. Por lo tanto, en este caso, el objetivo del procesado 
es identificar las medidas que menos se ven afectadas por los problemas antes 
mencionados en estas muestras (tortitas) y minimizar la variabilidad de éstas. El objetivo 
es maximizar las posibilidades de la técnica para el control de calidad. El software para 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
 
25 
procesado de las medidas se realiza en Python (versiones 2 y 3). Este lenguaje es un 
software libre y orientado a objetos y se puede trabajar con él mediante entornos. En el 
caso que nos ocupa se ha trabajado en el entorno Anaconda (versión 3). 
El código utilizado se desarrolló en el Instituto de Tecnologías Físicas y de la 
Información (ITEFI), en el Grupo de Sistemas y Tecnologías Ultrasónicas perteneciente 
al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Los métodos de 
postprocesado de las medidas incluyen, entre otros: 
- Cálculo de parámetros estadísticos como el promedio de las medidas adquiridas 
en la tortita. 
- Ajuste por regresión lineal del espectro, con reducción de puntos al inicio y al final 
en caso de requerirse para mejorar el coeficiente de determinación de la recta (R2). 
- Correlación cruzada entre la señal de referencia y la señal adquirida. 
- Enventanado de la señal, que en este caso de estudio será una ventana de 
Hamming de 20 ciclos. 
- Transformada Rápida de Fourier. 
- Tiempo de vuelo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. ELEMENTOS DEL SISTEMA PROPUESTO 
 
26 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3. Hipótesis y 
Objetivos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3. HIPÓTESIS Y OBJETIVOS 
 
28 
El punto de partida de este trabajo es el postulado que hace la industria alimentaria: 
“El principal parámetro de calidad de las tortitas de maíz es su textura, y éste solo puede 
estimarse de forma destructiva y off-line, bien sea mediante un panel de cata o mediante 
una medida instrumental” 
A partir de aquí, las hipótesis de partida de este trabajo son dos: 
- Hipótesis 1. Es posible medir algunas propiedades de las tortitas de maíz 
empleando ultrasonidos acoplados por aire. 
- Hipótesis 2. Es posible correlacionar la textura de las tortitas con los parámetros 
ultrasónicos medidos mediante acoplamiento por aire. 
Dado que la alternativa para la determinación de la textura (sea por métodos 
instrumentales o por paneles de cata) es siempre un proceso lento y destructivo, la 
propuesta presentada sería la única capaz de medir de forma no destructiva el 100% de 
la producción, en línea y en tiempo real. 
Los objetivos que persigue la realización de este trabajo son: 
- Demostrar la posibilidad de transmitir señales ultrasónicas en tortitas de maíz 
empleando ultrasonidos acoplados por aire. 
- Demostrar la posibilidad de extraer algunos parámetros del material (velocidad, 
coeficiente de atenuación, variación con la frecuencia e impedancia) a partir de 
dichas medidas. 
- Demostrar que existe una correlación entre los parámetros ultrasónicos 
medidos y la textura de las tortitas, bien sea por medida instrumental o por 
categorización hecha por un panel de cata. 
Demostrar la viabilidad industrial de la técnica ultrasónica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4. Resultados y 
discusión 
 
 
 
 
 
 
 
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
30 
4.1 SISTEMA ULTRASÓNICO DE MEDIDA EN 
LABORATORIO, DESCRIPCIÓN Y RESULTADOS 
OBTENIDOS CON TORTITAS 
Para realizar los análisis de las medidas de ultrasonidos se escogió trabajar en el 
dominio de la frecuencia y se analizó la pendiente de la magnitud del coeficiente de 
transmisión en un ancho de banda desde 170 kHz hasta 430 kHz, correspondiente al 
ancho de banda de los transductores anteriormente mencionados de frecuencia central 
de 300 kHz. El motivo por el que se trabaja con el espectro es porque se puede establecer 
una relación entre la atenuación del ultrasonido con la textura de un alimento. Este hecho 
se puede explicar a partir de la Ley de Hooke (ecuación 7), donde el alargamiento que 
experimenta un cuerpo elástico (x) es directamente proporcional a la fuerza (F) que se 
aplica sobre éste, siendo k, una constante. 
𝐹 = 𝑘 · 𝑥 ( 7) 
La ley de Hooke se puede asimilar a la ley de los sólidos elásticos, donde el módulo 
de Young viene representado por la tangente a la curva en cada punto (figura 15), cuando 
existe una tensión-deformación. 
 
Figura 15. Curva tensión-deformación de sólidos elásticos. 
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
 
31 
De este modo, para materiales elásticos lineales y cuando la tensión (σ) es uniforme, 
se puede definir la ecuación 8, donde E es el módulo de Young y ℇ es la deformación, 
entendida como el cambio de longitud respecto de la longitud inicial que experimenta el 
sólido elástico. Además, E también se puede obtener como la tangente de α (ecuación 9). 
σ = 𝐸 · ℇ ( 8) 
𝑡𝑔 α = 
σ
 ℇ 
= 𝐸 ( 9) 
De esta forma, si se aplica una fuerza sobre un sólido elástico, éste se deformará 
mientras se esté ejerciendo dicha fuerza y recuperará su estado inicial cuando cese. Por 
otro lado, cuando se aplica una fuerza sobre un sólido viscoso, éste se deformará, pero 
cuando cese la fuerza aplicada, dicho sólido no recuperará su estado inicial. Por su parte, 
existen los sólidos viscoelásticos, con un comportamiento intermedio, donde el cuerpo en 
el que se aplica la fuerza recuperará parte de la deformación aplicada (figura 16). En 
términos de la industria alimentaria, la mayoría de los alimentos se comportan como 
sólidos viscoelásticos. 
 
Figura 16. Curva tensión-deformación de sólidos viscoelásticos. 
Dada la heterogeneidad de la tortita en geometría y espesor, es muy complicado poder 
estimar el tiempo de vuelo (TOF, time of flight) en cada medida, que habitualmente es un 
parámetro de interés ya que proporciona información sobre el material objeto de análisis 
al poderse estimar la velocidad del material a través de él. A continuación, se muestran 
algunas medidas realizadas en las tortitas de maíz y a nivel comparativo, una medida en 
4. RESULTADOSY DISCUSIÓN 
 
32 
galleta laminada (figuras 17A y 17B), donde se puede observar que, debido a la 
heterogeneidad de la tortita en geometría y espesor, las medidas adquiridas en ésta 
necesitan un tratamiento de datos más exhaustivo, lo que incluye descartar parámetros 
habitualmente calculados, como el tiempo de vuelo (TOF, time of flight). 
 
Figura 17. Señales medidas en tortita de maíz y en galleta laminada. Se 
muestran dos medidas aleatorias y el promedio de 7 medidas. 
Por este mismo hecho y con el fin de mejorar el procesado posterior, es necesario 
promediar las medidas realizadas en cada tortita, para mitigar el efecto de los rebotes que 
ocurren en el interior de la tortita y que complican el procesado. Para poder establecer el 
ajuste a realizar y su posterior escalado en la industria, se comenzó midiendo y realizando 
cada ajuste en relación con el número de tortitas que contiene cada paquete, que en el 
caso de estudio se corresponde con 4 tortitas. Se adquirieron, por tanto, 7 medidas 
distribuidas aleatoriamente por la tortita y se tomó antes y después la señal de referencia, 
por lo que se harán una media de 28 adquisiciones por paquete. En la figura 18 se 
muestran varias medidas tomadas aleatoriamente en una misma tortita y también se 
señala el promedio de todas las medidas. 
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
 
33 
Figura 18. Señales adquiridas aleatoriamente en una tortita (colores) y 
media (negro) de todas las señales. 
Como se observa en la figura 18, las medidas son muy irregulares y se observan 
señales muy largas. La superficie y estructura de la tortita es muy irregular debido a la 
extrusión, de modo que en algunas zonas se forman aglomeraciones y en otras, burbujas 
de aire. Esta compleja conformación puede dar lugar a rebotes de la onda ultrasónica en 
el interior de la tortita que explican que las señales adquiridas sean tan alargadas. Para 
poder subsanar el efecto de estos rebotes indeseados se enventana la señal y después 
se promedia. Se incorporaron al procedimiento de medida, adquisiciones con 
transductores de 400 kHz pertenecientes al Grupo de Investigación donde se desarrolló 
este trabajo, para poder cubrir un ancho de banda mayor. En la figura 19 se muestran 
medidas adquiridas con transductores de frecuencia central 300 kHz, 400 kHz y 500 kHz 
respectivamente, previo al promediado, donde se observa gran heterogeneidad en todas 
las frecuencias de estudio. Esto confirma que se requiere un postprocesado de las 
medidas donde poder extraer información de interés. 
 
 
 
 
 
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
34 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 19. Módulos de los coeficientes de transmisión de baterías de 
medidas sin promediar correspondientes al mismo paquete de tortitas. 
En la figura 20 se muestran las medias totales correspondientes a las 28 medidas 
adquiridas y una vez procesadas tras realizarles un promediado, enventanado y una 
regresión lineal y haberlas adquirido con transductores de 300 kHz, 400 kHz y 500 kHz 
respectivamente. Los puntos que se encuentran al principio y al final de cada banda 
(señalados en rojo en la figura) deben ser descartados por estar cerca del borde de la 
banda de los transductores y presentar una peor relación señal ruido. El nivel de ruido 
parece encontrarse en -90 dB a -95 dB, por lo que no es posible medir por debajo de este 
umbral. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 20. Módulos de los coeficientes de transmisión de baterías de medidas 
procesadas correspondientes al mismo paquete de tortitas. 
Bordes de la banda 
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
 
35 
4.2 SISTEMA ULTRASÓNICO PARA MEDIDA EN 
FÁBRICA 
Se realizaron unas pruebas preliminares en la planta de CEREALTO-SIRO FOODS, 
en Jaén. Se realizaron pruebas con los transductores de frecuencia central de 300 kHz y 
también con los de 500 kHz respectivamente, funcionando ambos en el entorno industrial, 
aunque se escogieron finalmente para los ensayos los transductores de 300 kHz dado 
que la relación señal-ruido fue mejor. Se realizaron las medidas en una zona de 
separación entre las cintas transportadoras como se muestra en la figura 21. 
Figura 21. Montaje de los equipos y transductores para pruebas en entorno 
industrial en la fábrica de CEREALTO-SIRO FOODS en Jaén. 
Para que la colocación y las medidas fueran óptimas, se separaron las cintas unos 
milímetros más respecto de la posición inicial. Además de utilizar la disposición de los 
transductores en transmisión, se recurrió a un reflector a 90° para evitar la deposición de 
partículas en el transductor situado en la parte inferior de la cinta, pero se rechazó debido 
a que se formaba campo estacionario. La figura 22 muestra un ejemplo del módulo del 
coeficiente de transmisión a 300 kHz de 5 medidas realizadas a una tortita en las 
instalaciones de la fábrica a su paso por la línea de producción, a una velocidad de cinta 
de 1.5 m/s, lo que conlleva un paso de aproximadamente 600 tortitas por minuto. Se 
observa que existe dispersión previo al procesado de las medidas que se podrá corregir 
con el promediado de todas las medidas realizadas en una misma tortita. 
 
 
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
36 
Figura 22. Módulo del coeficiente de transmisión para 5 medidas en una 
tortita realizadas con los transductores de frecuencia central 300 kHz. 
Se observa en la figura 23 el cálculo y ajuste del coeficiente de transmisión de todas 
las medidas realizadas en dos tortitas diferentes a su paso por la línea de producción con 
transductores de frecuencia central 300 kHz como ejemplo. El procesado implica la media 
de todas las medias del lote (batch) cargado, una regresión lineal en escala logarítmica y 
una reducción de los valores por delante y por detrás de 5 puntos por reducción, hasta 
alcanzar el valor óptimo de la regresión. Este procesado se puede realizar debido al 
elevado número de medidas por tortita realizadas, que asciende a unas 50 medidas por 
tortita. 
 
 
 
 
 
 
Figura 23. Módulo del coeficiente de transmisión para el promediado total de 
medidas en dos tortitas realizadas con los transductores de frecuencia central 
300 kHz. 
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
 
37 
4.3 COMPARACIÓN DE MEDIDA ULTRASÓNICA 
CON TEXTURA INSTRUMENTAL 
Para realizar el análisis de textura instrumental (Apéndice 1) se escogió como 
parámetro textural a analizar la fuerza máxima del ensayo de compresión-flexión. Este 
ensayo es un conjunto de dos técnicas diferentes ya que hallar la fuerza máxima es muy 
complicado debido a la variabilidad de la superficie de la tortita. Por ello se utiliza el 
esfuerzo (Stress), definido como 𝜎 = 𝐹 𝐴⁄ , donde F es la fuerza aplicada y A es el área de 
contacto de la sonda con la tortita. El ensayo se ha corregido por la velocidad de reducción 
del módulo de deformación (n), como consecuencia de las microrroturas producidas 
cuando se comprime la tortita. Al igual que se realiza un procesado de las señales 
ultrasónicas, en el caso del análisis de textura instrumental también se realiza un 
procesado de los datos obtenidos de las curvas fuerza-deformación, promediándose y 
aplicando un modelo matemático (ecuaciones 10 y 11 para los tramos A y B 
respectivamente) que divide la curva de deformación en tramos, como se muestra en la 
figura 24. 
𝜎 = 𝐸 · ℇ 𝑠𝑖 ℇ ≤ ℇc ( 10) 
𝜎 = 𝐸 · ℇ − 𝐸 · 𝑛(ℇ − ℇc)2 𝑠𝑖 ℇ ≥ ℇc ( 11) 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 24. Curva promedio para test instrumental de flexión-compresión para 
un lote de tortitas comerciales. 
A 
B 
J 
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
38 
Se puede observar en la figura superior un primer tramo (A), donde el esfuerzo (stress) 
se incrementa de forma lineal con la deformación (ℇ) que sufre un material y cuya 
pendiente correspondería con el módulo elástico (E). En tanto que la tortita se sigue 
deformando, se irán produciendo microrroturas, lo que se traduce en un decrecimiento 
del módulo elásticoy que se aprecia en la curva como un descenso (tramo B). Se puede 
observar un punto de transición entre los tramos A y B, definido como deformación crítica 
(punto J, ℇcrit). Este parámetro textural de esfuerzo corregido cuantifica tanto la 
deformación como la fragilidad de las tortitas de forma que, para valores altos del 
parámetro textural se asocian tortitas duras, con valores de n elevados, significando este 
hecho, roturas contundentes durante la compresión. Para valores intermedios, la dureza 
de la tortita es media, al igual que la crocancia, relacionándose directamente con los 
valores sensoriales identificados (apartado 2 del Apéndice 1). En la figura 25 se muestra 
la relación que existe entre la pendiente del módulo del coeficiente de transmisión 
ultrasónico y el parámetro de dureza elegido para describir la textura de los distintos lotes 
medidos a lo largo de la ejecución del proyecto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 25. Modelo predictivo de la dureza corregida de las tortitas de maíz y 
su relación con el coeficiente de transmisión ultrasónico (CTUS)/MHz. 
Como se puede observar en la figura superior, se representa la dureza corregida 
(ecuación 12), donde, 𝐹𝑚𝑎𝑥 es la fuerza máxima aplicada, A es una constante de ajuste 
y L es el espesor de cada tortita. 
y = -405.9 x - 2.1
r = 0.9296
-90
-85
-80
-75
-70
-65
-60
-55
-50
0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22
C
T
U
S
(d
B
/M
H
z)
Dureza corregida (N0.5/mm)
Desarrollo
Validación
Lineal (Desarrollo)
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
 
39 
DC = 
𝐹𝑚𝑎𝑥
𝐴𝐿
 ( 12) 
La correlación entre la textura y el coeficiente de transmisión ultrasónico es elevada, lo 
que sugiera que se puede utilizar este parámetro ultrasónico para caracterización de 
propiedades texturales como la dureza o la crocancia de tortitas de maíz. Los valores del 
eje Y, correspondientes a la pendiente del módulo del coeficiente de transmisión 
ultrasónico (CTUS)/MHz, se corresponden con tortitas duras y secas cuando los valores 
se encuentran en intervalos mayores a -65 dB/MHz (color rojo), tortitas crujientes, es 
decir, con la textura óptima, cuando se encuentran en valores de entre -65 dB/MHz y -75 
dB/MHz (color verde) y finalmente a tortitas duras y correosas cuando el coefciente de 
transmisión adopta valores menores a -75 dB/MHz (color violeta) para lotes de tortitas 
analizados para el desarrollo del método de análisis (puntos negros) y el sistema de 
validación final del métdo propuesto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
40 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5. Conclusiones 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5. CONCLUSIONES 
 
42 
Tras la finalización de este proyecto de investigación se ha podido demostrar: 
▪ La posibilidad de transmitir señales ultrasónicas en tortitas de maíz empleando 
ultrasonidos acoplados por aire mediante la tecnología actual en el ITEFI-CSIC 
utilizando principalmente transductores de frecuencias centrales de 300 y 500 
kHz, respectivamente y que abarcan un rango de frecuencias de 0.15-0.6 MHz 
en total. 
▪ La posibilidad de extraer algunos parámetros del material (velocidad, 
coeficiente de atenuación, variación con la frecuencia o impedancia) a partir de 
la adquisición de medidas. En particular, es necesario promediar un número de 
medidas > 10, seleccionando la atenuación y su variación con la frecuencia 
como parámetros análisis. 
▪ Existe una correlación entre los parámetros ultrasónicos medidos y la textura 
de las tortitas, bien sea esta relación por análisis instrumental o por 
categorización mediante panel de cata. 
La viabilidad industrial de la técnica ultrasónica, basada en el procesado antes 
propuesto y la tecnología de transducción ultrasónica acoplada al aire de ITEFI-CSIC y la 
electrónica de DASEL. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6. Apéndice 
 
6. APÉNDICE 
 
44 
6.1 SISTEMA DE MEDIDA DE TEXTURA 
INSTRUMENTAL: DESCRIPCIÓN Y RESULTADOS 
La textura puede estudiarse mediante pruebas subjetivas (con un panel de cata) o 
empleando una medida de un parámetro relacionado (lo que la industria alimentaria 
denomina análisis instrumental). El análisis instrumental es el más utilizado para la 
caracterización de textura de diferentes tipos de alimentos y consiste en un analizador de 
textura diseñado para realizar una deformación controlada a una muestra y medir la 
respuesta que ésta ejerce a la energía aplicada durante el ensayo [53]. Se trata de intentar 
estandarizar el ensayo y así poder realizar una comparación entre resultados. Cabe 
destacar que el equipo debe disponer de un sistema de detección de la superficie de la 
muestra, lugar donde ésta comenzará a deformarse y gran control sobre la velocidad de 
deformación de ésta. El analizador de textura que se utilizó fue de Aname (Madrid, 
España), cuyas variables a medir son la fuerza ejercida, la distancia y el tiempo y, cuyas 
propiedades a cuantificar pueden ser, firmeza, elasticidad, untabilidad, o en el caso de 
estudio, fracturabilidad. Tras evaluar distintos 
procedimientos para la caracterización de las tortitas de 
maíz, configurando el mejor ensayo, sonda y 
condiciones de ensayo, se concluyó en realizar el 
ensayo compresión-flexión, una combinación de dos 
técnicas que evalúa las fracturas ocasionadas cuando 
se aplica una fuerza determinada. Cabe destacar la 
complejidad no sólo a la hora de elegir qué ensayo era 
el más adecuado si no qué sonda debía utilizarse, 
debido a la heterogeneidad de la superficie de la tortita. 
Se han obtenido coeficientes de variación de hasta el 
50% y no siendo en ninguna ocasión inferiores al 10%. 
En la figura 26 se muestra la sonda utilizada para un 
ensayo de compresión-flexión mediante sonda esférica 
de 25 mm de diámetro con apoyo cilíndrico hueco y 
realizando la compresión hasta un porcentaje de 
deformación determinado. 
En la figura 27 se muestra un ejemplo de un lote de tortitas medido mediante el método 
compresión-flexión utilizando el software Exponent Lite. El eje Y determina la fuerza 
ejercida en Newton (N) en la tortita para que se produzcan microrroturas y cuánto tiempo 
Figura 26. Analizador de 
textura con sonda 
esférica para ensayo de 
compresión-flexión. 
6. APÉNDICE 
 
 
45 
(s) se requiere hasta que se ejerce la fuerza máxima que rompe la tortita. Se observa la 
influencia de la superficie en la variabilidad de las tortitas objeto de ensayo. Por ello y para 
poder reducir la incertidumbre de los resultados obtenidos, se requiere de un número de 
muestras a analizar elevado. 
Figura 27. Resultados experimentales de la prueba instrumental para ensayos 
de compresión-flexión para un lote de tortitas de maíz. 
6.2 COMPARACIÓN DE TEXTURA ULTRASÓNICA 
E INSTRUMENTAL CON PANEL DE CATA 
Otro método para determinación de textura es mediante un panel de cata. El panel 
puede estar semientrenado o ser de expertos, aunque en ocasiones se realizan catas de 
consumidores, sobre todo en las fases finales de elaboración de productos cuando se 
requiere un visión más cercana a la aceptación del consumidor. Para poder relacionar la 
textura caracterizada mediante panel de cata con la textura caracterizada mediante 
ultrasonidos, se realizó una prueba de Diferencias de Control empleando un panel 
semientrenado de 11 catadores tomando como muestra un lote que se envió desde la 
fábrica de CEREALTO-SIRO FOODS. Mediante esta prueba se establece si existen 
diferencias entre una muestra control y muestras a evaluar, además de determinar la 
magnitud de la diferencia entre las muestras y el control [54]. Se presenta a los catadores 
muestras a evaluar y se les pide que comparen y determinen si hay diferencias entre las 
muestras de acuerdo con parámetros de color, sabor, textura e impresión global y en 
escala del 1 al 5, siendo 1. Totalmente inaceptable, 2. Ligeramente inaceptable, 3. 
Aceptable (límite de aceptabilidad), 4. Aceptable,pero ligeramente menos que el control 
6. APÉNDICE 
 
46 
y 5. Igual que el control. Se observaron diferencias significativas en todos los parámetros 
sensoriales y con la consecución del proyecto se afinó la clasificación mediante un panel 
experto y entrenado para que realizase un mapa de atributos sensoriales. Enfocado en la 
experiencia de consumo del producto se clasificaron las tortitas en 3 categorías tal y como 
se muestra en la figura 28. 
 
 
 
 
 
 
Figura 28. Escala de puntuación de propiedades sensoriales de las tortitas 
de maíz. 
Dada la relación entre la pendiente de la variación del coeficiente de transmisión y la 
atenuación ultrasónica, que cuantifica la pérdida de energía al transitar una onda a través 
de un material y, teniendo en cuenta las componentes principales de la atenuación que 
serían; la componente elástica, correspondiente a la deformación del material, la 
relacionada con las pérdidas de energía por reflexión y refracción dentro del material y 
por último, la componente viscosa, como consecuencia de la amortiguación de la onda en 
su propagación por un material viscoelástico, se pueden establecer relaciones entre las 
medidas ultrasónicas y propiedades sensoriales. La tortita de maíz al actuar como un 
material en la medida ultrasónica presenta las tres componentes que describen la 
atenuación, siendo especialmente relevante la componente de pérdidas de energía por 
reflexión y refracción debido a la complejidad de la matriz de la tortita. Como se explicó 
anteriormente, la tortita se podría clasificar como un sólido celular si se atiende a la 
microestructura interna, donde pequeñas variaciones de humedad hacen que su 
comportamiento viscoso sea más o menos pronunciado, haciendo de ésta un material 
que puede ser viscoelástico o muy elástico según la cantidad de humedad absorbida. En 
términos sensoriales esto se traduce en que un incremento de la humedad de la tortita 
incrementa también el módulo elástico, este hecho explica el aumento de atenuación 
debido al aumento de la componente viscosa, por lo que el porcentaje de deformación 
6. APÉNDICE 
 
 
47 
crítico aumentará, es decir, se retrasará la aparición de microrroturas en los ensayos de 
compresión-flexión. En definitiva, un aumento de atenuación debido a un aumento de 
humedad se relaciona con tortitas sensorialmente menos crujiente. Sin embargo, una 
disminución de atenuación debido a humedades decrecientes, se asocian a tortitas 
sensorialmente más crujientes. Una vez se determina qué textura se requiere por la 
industria en particular, se puede concluir que la relación existente entre ultrasonidos y 
textura es válida y que, por tanto, se podría incluir como una fase más dentro del control 
de calidad de la industria. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6. APÉNDICE 
 
48 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7. Difusión de 
resultados 
 
7. DIFUSIÓN DE RESULTADOS 
 
50 
- Los resultados de este trabajo se han presentado en un congreso internacional. 
Alba Martin Ginel and Tomás Gómez Álvarez-Arenas. 
“Air-coupled transducers for inline quality control for food industry” IEEE, Glasgow, 
Scotland UK 6-9 Oct, 2019. 
Abstract—Food industry is continuously innovating its capability of analysis by 
incorporating new technologies aimed to meet increasing quality and safety requirements, 
concurrence and consumers demands. In this context, non-destructive and non-invasive 
techniques are demanded in different stages of the production chain for quality control and 
verification. Air-coupled ultrasound is a fully non-invasive and non-destructive technique 
that has already been successfully implemented in other industries (aeronautical, 
aerospace, etc.) with fast scan velocities, and compatibility with industrial environment. 
This technique is capable to determine mechanical and viscoelastic properties of different 
materials as well as the presence of discontinuities, cavities, and foreign objects. Clearly, 
these capabilities are extremely interesting for inline quality control in the food industry. 
Being the main challenge of air-coupled applications the performance of air-coupled 
transducers (bandwidth and sensitivity), the objective of this work is to show a transducer 
design approach to simultaneously optimize both sensitivity and frequency band that make 
possible to operate in through transmission. In addition, food industry requirements in 
terms of materials and working conditions are also reviewed and included in the 
transducers design. Transducers with centre frequency at 300 and 500 kHz has been 
designed, built and tested. A first verification of the use of this technology in food products 
is shown revealing the possibility to measure transmitted signal above the noise level 
- Además, con la realización de este proyecto de investigación se ha podido realizar una 
patente. 
PATENTE P202031318. Sistema y método no invasivo de medida de un producto 
derivado de cereales mediante ultrasonidos, y método de control en un proceso de 
fabricación en continuo mediante el uso de dicho sistema. 
El procedimiento de la presente invención propone el uso de ultrasonidos para la 
caracterización no invasiva de productos derivados de cereales en forma de lámina o 
barrita. La aplicación de ultrasonidos se realiza con acoplamiento por aire de manera que 
no hay contacto entre los sensores y el producto a medir lo que permite realizar la medida 
en línea de producción a velocidades elevadas y tiempo real. La propagación de la onda 
ultrasónica se ve modificada por las propiedades mecánicas del producto. A partir del 
7. DIFUSIÓN DE RESULTADOS 
 
 
51 
análisis de la señal temporal o del espectro de frecuencia, se pueden estimar tanto sus 
propiedades texturales y composicionales. 
Para la aplicación de este procedimiento, se ha desarrollado un dispositivo ultrasónico 
específico para la medida en línea de producción industrial, que forma parte de la presente 
invención. El dispositivo consiste en un sensor ultrasónico (0.1-1 MHz) que presenta un 
buen acoplamiento de impedancia con el aire, ancha banda y elevada eficiencia. La 
medida se realiza en modo transmisión-recepción, colocando los transductores en la zona 
de separación de las cintas transportadoras o utilizando cintas ultrasónicas transparentes 
a la señal ultrasónica. Finalmente, forma parte de la presente invención el uso del 
procedimiento descrito en el sector alimentario y en concreto en el de la transformación 
de cereales. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7. DIFUSIÓN DE RESULTADOS 
 
52 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8. Bibliografía 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8. BIBLIOGRAFÍA 
 
54 
[1] E. N. Carlsen, “Ultrasound physics for the physician a brief review,” J. Clin. 
Ultrasound, vol. 3, no. 1, pp. 69–75, 1975, doi: 10.1002/jcu.1870030115. 
[2] T. J. Mason, E. Riera, A. Vercet, and P. Lopez-buesa, Ultrasound. Elsevier Ltd, 
2005. 
[3] P. G. Newman and G. S. Rozycki, “The history of ultrasound,” Surg. Clin. North Am., 
vol. 78, no. 2, pp. 179–195, 1998, doi: 10.1016/S0039-6109(05)70308-X. 
[4] M. Buonsanti et al., “Evaluation of Defects in Multilayer Carbon Fibre Epoxy for 
Aeronautics Applications,” Adv. Acoust. Vib., vol. 2009, no. January, pp. 1–8, 2009, 
doi: 10.1155/2009/647658. 
[5] T. Watson, “Ultrasound in contemporary physiotherapy practice,” Ultrasonics, vol. 
48, no. 4, pp. 321–329, 2008, doi: 10.1016/j.ultras.2008.02.004. 
[6] D. A. Lichtenstein et al., “Ultrasound diagnosis of occult pneumothorax,” Crit. Care 
Med., vol. 33, no. 6, pp. 1231–1238, 2005, doi: 
10.1097/01.CCM.0000164542.86954.B4. 
[7] T. M. Mak, Y. P. Huang, L. K. Wang, and Y. P. Zheng, “Ultrasound biomicroscopy 
measurement of skin thickness change induced by cosmetic treatment with 
ultrasound stimulation,” Ultrasonics, vol. 54, no. 5, pp. 1395–1400, 2014, doi: 
10.1016/j.ultras.2014.02.015.