Act 3 Acustica Submarina

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Conocimientos sobre la acustica submarina

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Repblica Bolivariana de VenezuelaUniversidad del ZuliaFacultad de IngenieraEscuela de Ingeniera GeodsicaCtedra: Geodesia Marina

Actividad #3:

Acstica Submarina

Maracaibo, noviembre 2011

Introduccin

De todas las formas de radiacin conocidas, la que mejor se propaga a travs del mar es el sonido. La radiacin electromagntica no es eficaz para la transmisin de informacin submarina, debido a las caractersticas conductoras del agua de mar, lo que conlleva a una elevada atenuacin con la distancia por la conversin de la energa del campo elctrico en calor.

La propagacin del sonido en el mar depende fuertemente de las caractersticas del medio submarino. La velocidad de propagacin del sonido en el mar (en torno a 1500 m/s) es claramente superior a la velocidad en el aire (en torno a 340 m/s) y se incrementa a medida que disminuye la compresibilidad del medio, que depende principalmente de la temperatura, la presin y la salinidad.

El sonido consiste en un movimiento regular de las molculas de un medio elstico, en nuestro caso el agua del mar, que se transmite en forma de onda. Cuando la onda alcanza un rea determinada hace que se perturbe el equilibrio de sus partculas moleculares. Esta perturbacin se denomina presin y es medible mediante un hidrfono sensible a la presin.

La denominacin SONAR (acrnimo de SOund NAvigation and Ranging) referencia en la actualidad todas las actividades en las que el agua es el medio de propagacin del sonido, se puede considerar como el equivalente en el medio marino al radar en el medio areo.

En un sistema sonar genrico, los niveles de presin captados por los hidrfonos son convertidos a niveles de tensin elctrica y generalmente convertidos de niveles analgicos a valores digitales, para permitir su tratamiento en procesadores digitales. Las siguientes etapas son el procesado de la seal y la generacin de los resultados en forma de audio y de vdeo, especficamente diseados para permitir al operador distinguir la presencia de contactos de la forma ms sencilla posible.

1.- Desarrollo de la Acstica Marina

Entre las primeras referencias que explicaban el hecho de que el sonido se propaga en el mar se debe a Leonardo Da Vinci, que en 1490 escriba: "Si paras tu barco e introduces el extremo de un tubo en el agua, y aplicas el odo al otro extremo, oirs barcos que se encuentran a gran distancia de ti".

La primera medicin de la velocidad del sonido en el agua fue obtenida en 1827 por el fsico suizo Daniel Colladon y el matemtico francs Charles Sturn en el lago Ginebra. El resultado de su medida fue de 1434 m/s Que es muy precisa para la poca en que se realiz dicha medicin.

En 1912 Fesseden desarrolla el primer emisor submarino capaz de trabajar como transmisor y receptor en el margen de frecuencia entre 500 y 1000 Hz. En 1914 tras la prdida del TITANIC demostr la utilidad de su invento midiendo la distancia a un iceberg situado a 2 millas de distancia. La posterior aplicacin de los amplificadores electrnicos a las seales captadas hizo que los sistemas no tuvieran que depender exclusivamente de la sensibilidad del odo humano.

En 1915 Lord Rayleigh descubre que el odo humano es capaz de determinar la direccin de una fuente sonora por la diferencia de fase o tiempo de la onda sonora al llegar a ambos odos, y se desarrollan sensores biaurales para determinar la direccin de la que proviene el sonido. Este sistema en funcionamiento en los submarinos alemanes caus graves prdidas a los aliados. El xito obtenido propici la investigacin con sistemas pticos, trmicos y magnticos, siendo el resultado ms favorable el obtenido mediante el sonido.

En 1917 el fsico francs Paul Lagevin usando un sistema piezoelctrico de cuarzo sintonizado a una fecuencia de 38 KHz., consigue formar un haz de energa capaz de determinar la direccin y la distancia a un objeto sumergido, llegando a detectar un submarino a 1500 mts. Por el mismo periodo cientficos ingleses dirigidos por Boyle trabajan en el secreto proyecto ASDIC para la obtencin de un sistema eficaz de deteccin submarina.

Los primeros estudios sobre propagacin se llevaron a cabo por cientficos alemanes en 1919 que descubren la influencia de la temperatura, salinidad y presin en la velocidad del sonido y el comportamiento de los rayos sonoros al atravesar estratos de distinta velocidad de propagacin.

El desarrollo de la acstica submarina se ralentiz considerablemente en el periodo entre las dos Guerras Mundiales. Se haba hecho un notable esfuerzo para reducir el nivel de ruido radiado por los buques, por lo cual las investigaciones se centraron en los sistemas activos.

En 1925 la empresa Submarine Signal Company presenta comercialmente el primer sondador, aparato capaz de determinar la distancia al fondo desde la superficie. Debido a que el tratado de Versalles no permita a la Marina Alemana tener submarinos ni aeroplanos, los estudios se centran en la aplicacin del sonar como un sistema defensivo.

Desde el punto de vista cientfico el mayor logro fue la obtencin de conocimientos sobre el caprichoso comportamiento de la propagacin del sonido en la mar. Las observaciones realizadas por Steinberger sobre la variacin del alcance con la temperatura indujeron a la invencin de un aparato capaz de medir la temperatura del agua a distintas profundidades. En 1937 Spilhaus presenta este aparato llamado "Batitermgrafo".

Durante la Segunda Guerra Mundial se da un periodo febril en la investigacin de nuevas tecnologas y se retoma la acstica. En EE.UU. se crea el NDRC (National Defense Research Commitee). La seccin sexta de este comit realiz un amplsimo programa de acstica submarina llevado a cabo principalmente por la Universidad de California, el Laboratorio de Electrnica Naval de San Diego y la Institucin Oceanogrfica de Woods Hole. La publicacin al finalizar la contienda de los estudios realizados constituye an hoy en da la base de la acstica submarina.

Los trabajos de eminentes fsicos como Knudsen, Wenz, Marsh, Urick y otros identifican los orgenes y caractersticas de las distintas fuentes de ruido ambiental existente en el ocano. Los mayores logros en este periodo son:

El descubrimiento del motivo de la atenuacin a frecuencias inferiores a 100 Hz. Determinacin experimental de la absorcin para frecuencias entre 100 Hz y 1 Mhz. Medida de las prdidas por absorcin por rebote en el fondo. Clasificacin de las prdidas y caractersticas del canal sonoro profundo y superficial. Conocimiento de la propagacin en aguas polares. Descubrimiento y explicacin de las zonas de convergencia. Obtencin de diagramas de rayos sonoros y prediccin de alcances. Medida con gran exactitud de la velocidad del sonido en el agua.

La aparicin de submarinos nucleares con capacidad de lanzar misiles nucleares de largo alcance hace cambiar la situacin tctica, ya no se trata de detectar un submarino en las proximidades de un convoy sino de vigilar grandes extensiones. Esto implica la vuelta a la deteccin pasiva que permite mayores alcances. Se comienza a desarrollar grandes redes de escucha submarina, tanto fijas como remolcadas por los buques, que adems permite alejar la escucha del ruido propio.

Durante los ltimos aos se ha intensificado el estudio de bajas frecuencias para deteccin a grandes distancias y se ha potenciado la reduccin al mximo del ruido emitido por los buques. Aparece el anlisis espectral de las frecuencias emitidas por un contacto para permitir su exhaustiva clasificacin, tcnica denominada LOFAR (LOw Frequency Analisys and Recording). La gran cantidad de seales existente en el mar, tanto de origen humano como biolgico que proporciona un sonar moderno es gigantesca, por tanto la clave es descubrir un mtodo de proceso que permita eliminar la informacin no necesaria; para ello se hace uso masivo de la informtica y se emplean tcnicas de inteligencia artificial.

2.- SONAR

La palabra Sonar proviene del ingls "Sound Navigation and Ranging". Es el equipo, medio y propiedades que sirve al estudio y aprovechamiento de la propagacin del sonido en el agua y su utilizacin para determinar la ubicacin, caractersticas, distancias, velocidad, etc. de objetos, formaciones rocosas, como as tambin costas y lecho submarino. No debemos olvidar su utilizacin para las comunicaciones y la observacin. El sonar reemplaza al radar en el agua, ya que este ltimo opera a travs de ondas electromagnticas que, debido a la alta conductividad del medio acutico, se pierden sin lograr su objetivo. El sonar se vale de ondas acsticas, de fcil propagacin en el medio antes nombrado. Existen dos tipos de Sonar: Activo y pasivo.

En el Sonar Activo se lanza una seal mediante un emisor. Dicha seal al encontrar un obstculo vuelve a ser recogida, al rebotar por un receptor. Mediante el anlisis de tiempos se puede establecer, conocida la celeridad del sonido en el medio, donde est el obstculo. Mediante haces de sondas se puede hoy en da conocer la forma del mismo e incluso su composicin, teniendo en cuenta cuanta seal es absorbida y cuanta devuelta.

El Sonar Pasivo se limita a escuchar el sonido que proviene de los objetos que se encuentran sumergidos. Estos dispositivos reciben directamente el ruido producido por el objeto y el camino que recorre la onda es la distancia existente entre el objeto y el receptor del ruido.

El alcance est limitado por un gran nmero de factores de factores siendo los ms importantes la frecuencia de la onda y la efectividad del medio en el que se propaga la energa. Cuanto ms baja es la frecuencia, mayor es el alcance que se obtiene.

Con ambos tipos es posible determinar la direccin en la que se encuentra el objeto, pero el sonar activo posibilita obtener la distancia midiendo el tiempo que transcurre entre el momento en que se emite la radiacin y el instante en que se recibe el eco si se conoce la velocidad a la que el sonido se propaga en el agua. El sonar pasivo no contempla esa posibilidad, aunque en la actualidad existen medios para obtener la distancia a un objeto midiendo la diferencia de fase en la que las ondas llegan a varios receptores separados entre s, pero son ms complejos y menos fiables.

En general el sonar activo y el pasivo se complementan para efectuar la deteccin y el anlisis de objetos sumergidos y tanto los submarinos como los buques de superficie con capacidad antisubmarina emplean ambos tipos de forma conjunta.

3.- Estructura de un Sistema de Sonar

Un moderno sistema de sonar pasivo est formado esencialmente por tres subsistemas especializados dedicados respectivamente a:

Captacin de la seal acstica. Proceso de la seal. Lectura y medicin de la seal procesada.

La captacin de la seal se realiza mediante una base acstica, formada habitualmente por un conjunto de hidrfonos, dispuestos en una determinada configuracin que permita obtener los mejores resultados para los que se pretende usar el sistema. Generalmente la disposicin de los mismos se realiza segn el margen de frecuencias a obtener y las caractersticas de la plataforma sobre la que se montar el equipo. De esta forma el margen de frecuencias ms alto, el cual no se ve afectado a gran escala por el ruido producido por la plataforma, requiere dispositivos montados sobre ella en forma cilndrica o esfrica protegidos por estructuras que eliminen en la mayor medida el ruido hidrodinmico que se produce por el desplazamiento de la plataforma en el agua. En el caso de bajas frecuencias, a las que si les afecta el ruido de la propia plataforma se suelen emplear series, que es una disposicin lineal de los hidrfonos que permite que sean remolcados por la plataforma a suficiente distancia como para eliminar el ruido indeseado.

La seal captada por la base acstica debe sufrir un proceso para facilitar su interpretacin. Este proceso incluye una amplificacin previa de la seal dbil captada, un filtrado para eliminar las frecuencias cuyos valores no estn en el margen necesario, y un tratamiento adecuado. En general este tratamiento comprende la formacin de una va de audio que mediante un sistema de orientacin electrnico permita conocer la direccin de la que proviene el sonido, y su escucha por un operador y una digitalizacin que permita su presentacin visual y registro grfico.

Los actuales sistemas de sonar activo, presentan la capacidad de funcionar como sonar pasivo con ciertas limitaciones impuestas por la superior dureza del transductor y el margen ms estrecho de frecuencias que es capaz de recibir.

Un sistema moderno de sonar activo est compuesto esencialmente de los siguientes subsistemas:

Base acstica. Seleccin y conmutacin. Emisor. Receptor. Lectura y medicin de la seal recibida.

La base acstica est formada generalmente por un solo transductor con capacidad tanto para transformar la seal elctrica en acstica para emitirla al agua como para recibir seal acstica del agua y transformarla en elctrica. Debido a la posibilidad de usar el sistema como sonar pasivo o activo dispone de un sistema de seleccin encargado de conducir la seal proveniente del transductor al receptor adecuado, bien al proceso de sonar pasivo, o bien al receptor de proceso del eco.

El receptor pasivo funciona de forma idntica al del sonar pasivo. El receptor activo sin embargo, realiza un proceso distinto, ya que interesa solo un pequeo ancho de banda centrado en la frecuencia de transmisin. Esto es debido a que el eco devuelto por los objetos sobre los que incide el frente de ondas emitido, reflejar una parte de la energa cuya intensidad en muy pequea y su frecuencia estar desplazada de la emitida solo un poco. Adems la ganancia del amplificador receptor es variable en el tiempo, de forma que el nivel de amplificacin aumenta con el tiempo en que se realiz la emisin para que los ecos devueltos por los objetos cercanos, ms intensos no anulen a los ms lejanos y dbiles. El receptor activo realiza asimismo un tratamiento de la seal de dos formas, una en la formacin de un canal de audio que partiendo de la frecuencia recibida, y tras una deteccin elctrica es heterodinada a una frecuencia que facilite la escucha del operador y otra en la que la seal se digitaliza y es usada en el sistema de representacin y registro grfico.

El emisor se encarga de formar el impulso elctrico que se aplicar al transductor y que una vez convertido en energa acstica se conoce con el nombre de "Ping Sonar". El pulso se forma a partir de un oscilador que genera una onda continua que se aplica a un dispositivo de disparo. El pulso es amplificado y aplicado al transductor por medio de un adaptador de impedancia y el circuito de conmutacin. El subsistema de seleccin y conmutacin tiene como misin seleccionar el receptor adecuado al modo de sonar usado, activo o pasivo y conmutar el transductor cuando el modo de trabajo es activo para unirlo al emisor en caso de transmitir un pulso sonar o al receptor despus de realizar la emisin.

El funcionamiento activo est formado por ciclos conse...