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UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREALFacultad de Oceanografa, Pesquera y Ciencias Alimentarias

ACSTICA SUBMARINA, TECNOLOGA Y APLICACIONES(Electrnica, Acstica y Equipos de Cubierta)

Captulo 4

Caractersticas de la propagacin del sonido

Ing. CIP Mariano Gutirrez Torero

4.1. LinearidadEn la dcada de 1960 se invent el ecointegrador, un dispositivo que permita sumar los ecos de los peces por intervalos.Mediciones de campo permitieron deducir que el cuadrado del voltaje del eco es proporcional al volumen acstico de cada dispersor. Esto abra la posibilidad de realizar mediciones de biomasa de peces.Sin embargo, la demostracin prctica de la viabilidad de esta metodologa fue recin realizada en 1981 por K. Foote, quien defini el principio de linearidad.El principio de linearidad significa que el eco de un cardmen es la suma de los ecos individuales de todos los peces que lo componen. En otras palabras, la deteccin es un proceso linear que puede ser predecible.

EcoenergaPeces en la jaulaEcoenerga = Ei = suma de ecos producidos por una sola emisinEcointegracin = Ei / nn = nmero de emisiones de sonido por intervalo de muestreoMasa = Ei * n4.2. Factores que afectan la linearidadEn el trabajo de campo se pueden presentar fenmenos que producen un sesgo en el principio de linearidad.Cuando los peces estn alineados a distancias iguales a media longitud de onda se produce una dispersin coherente que implica una sobre-estimacin de la ecoenerga.En ocasiones los peces ms grandes, ubicados sobre peces ms pequeos, pueden bloquear el paso del sonido sub-estimando la ecoenerga resultante. A esto se le conoce como sombreo (o shadowing).La dispersin mltiple es otro fenmeno que puede provocar sobre estimacin.En la prctica seguramente se producen todos estos fenmenos a la vez.

/2/2

Dispersion coherenteSombreoDispersin mltiple

Y tambin se producen reverberaciones4.3. Seccin transversal de dispersin () y retrodispersin (bs)Para poder medir ciertas caractersticas de los dispersores (peces, plancton, fondo marino) las ecosondas deben estar calibradas, a menos que solo interese la informacin que cualitativamente se puede obtener al ojo.Para calibrar se requiere un blanco estndar, es decir, un objeto cuya reflectividad sea conocida. Adems, debe tener la propiedad de reflejar el sonido en todas direcciones con igual magnitud. El nico objeto que cumple esta condicin es la esfera.Por lo dems, los SS asumen que todo lo que detectan son esferas, y la magnitud que se puede medir es el rea acstica equivalente Seccin Transversal de Dispersin ().En realidad, solo nos interesa el sonido que retorna en la direccin desde la cual se emiti sonido. Esa otra rea acstica equivalente es la Seccin Transversal de Retrodispersin (bs).Entonces bs es exclusivamente dependiente de las propiedades reflectivas del pez.

= 4r0 r0 = 1 , pero = 4 (Ir/Ii)pero nos interesa una sola direccin, entonces (ro2=1):bs = / 4 = Ir/Ii

4.4. Fuerza de Blanco (TS) o reflectividad Si bien las esferas (peces en realidad) reflejan la energa acstica con similar magnitud en todas direcciones, stas pueden ser de diferente tamao y superficie.Adems, las esferas pueden ser de diferente material, y por lo tanto han de tener diferentes propiedades o capacidades reflectivas.El fenmeno es aun ms complicado si consideramos que, en realidad, los peces no son esferas. Por lo tanto es necesario conocer la reflectividad de cada especie en estudio.Si bs es la expresin que representa el rea que est enfrentada al haz acstico, sta seguramente es una cantidad muy pequea, por lo que es conveniente expresarla en decibeles.En la prctica es posible que dos peces del mismo tamao tengan una reflectividad muy diferente; tambin se observa que dos peces de la misma especie, pero diferente talla, tienen diferente propiedad reflectivas.Dicho de otro modo, la reflectividad o capacidad para reflejar el sonido se conoce como Fuerza de Blanco (TS: Target Strehgth), y matemticamente es igual a:

Por lo tanto, el TS es la expresin logartmica de bs.bs = / 4 = Ir/IiTS = 10 log (bs) = 4 10(TS/10) TS = 20 log(L)- 71.9 (peces fisstomos)(vejiga abierta, sin glndula gaseosa: anchoveta, sardina)TS = 20 log(L)- 67.4 (peces fisoclistos)(vejiga cerrada, con glndula gaseosa: merluza, gdidos)L es talla en cm4.5. Ley de propagacinLa intensidad del sonido, a cualquier distancia R (IR) es directamente proporcional a la energa emitida e inversamente proporcional al cuadrado de R.Se habla entonces de una dispersin geomtrica de la energa sonora.

Un blanco (target), cuerpo u objeto sumergidoIntensidad inicial IoDistancia R desde el transductor al blancoIR = Io / R4.6. Atenuacin = dispersin geomtrica + absorcinLas sales disueltas en el agua, los organismos dispersos en ella, y la dispersin geomtrica provocan una atenuacin de la energa acstica.Ambos efectos son previsibles solo en un medio estable, lo que no siempre ocurre.Para preveer estos efectos se deben conocer tambin los efectos que ocurren en la velocidad del sonido, la cual vara con la temperatura, salinidad y presin.Y es que a travs de la medicin de la distancia a los blancos (R) se pueden determinar las cantidades de energa absorvida y atenuada:

Distancia (R) = Velocidad (C) x Tiempo (t)

Por lo tanto, la medicin de la intensidad del eco (Ie), o energa que logra retornar hasta el transductor, es dependiente del clculo de R.Asimismo, Ie es tambin dependiente de la capacidad reflectiva del blanco que provoca la reflexin (eco) del sonido.

IoIRIebsRIe = Io . bs / R44.7. Ruido, reverberacin e interferenciaEl mar es un ambiente ruidoso.Cuando se emite sonido se asume que todas las prdidas de energa estn previstas, es decir, que pueden ser calculadas.Sin embargo, en ocasiones el ruido ambiental, las interferencias y la reverberacin introducen sesgos que afectan el funcionamiento de los Sistemas Sonar.En trminos prcticos, ruido es todo aquello que estorba la recepcin limpia de los ecos; es decir, es todo aquello que no queremos escuchar (incluyendo el ruido electrnico).La reverberacin es la prdida de energa que es producto de la dispersin provocada por pequeos elementos (burbujas, arena, lodo, plancton, peces, mal tiempo etc).La interferencia , por el contrario, es una ganancia de energa pero que es producto del aporte de otras fuentes de sonidos, las que provocan distorsiones que afectan la deteccin que se est realizando.

Interferencia de otros SS CavitacinReverberacinde fondoInestabilidaddel sistema

Ruidoelectrnico

Efecto arco iris (exeso de ganancia)

Movimiento vertical del barco (Oleaje)4.8. Efecto Doppler y ancho de banda Efecto Doppler es la variacin aparente de la frecuencia de sonido, que es producto de emitir sonido desde una plataforma mvil.Los sonidos agudos son provocados por las altas frecuencias, y los tonos graves son producto de las bajas resonancias. El ejemplo del avin es el caso ms comn.

Entonces, el efecto doppler provoca cambios, no en la frecuencia, sino en la longitud de onda, pero los SS no tienen como saber esto.Entonces, hay cambios aparentes que son producto del desplazamiento del barco, y del de los peces. Para ello se introdujo el dispitivo de Ancho de Banda (AB), que es la tolerancia del SS para aceptar ecos cuya frecuencia no sea similar a la nominal (ejemplo, 38 kHz).Ejemplo: se puede tener dos AB para una ecosonda equipada con 38 kHz de sonido, uno de 3 kHz y otro de 6 kHz. Ello significa que pueden tolerar escuchar sonidos dentro de un rango de 36.5 a 39.5 kHz, y de 35 a 41 kHz, respectivamente.Anteriormente se despreciaba el sonido ubicado por fuera de esos lmites; hoy se aprovecha una banda ms amplia para identificar peces acudiendo a los nuevos transductores de banda ancha (wide band transducers).4.9. Frecuencias, alcances y largos de pulsoEn una ecosonda comn el largo de pulso (duracin de la emisin de sonido) es de un milisegundo (1 msec). Sin embargo esto puede graduarse para emitir ms o menos cantidad de energa.Se incrementa la cantidad de energa cuando se pretende lograr un mayor alcance; y se reduce cuando se detecta a cortas distancias. Ambas posibilidades implican ventajas y desventajas que se incrementan segn el estado del mar.Los transductores emiten una frecuencia fija de sonido (excepto el modelo SX90 de Simrad). La figura sintetiza los alcances de sonido segn la frecuencia empleada.

4.10. Reflexin, refraccin y difraccinLa velociad del sonido cambia constantemente en el mar debido a la estratificacin trmica del ocano. Este fenmeno es particularmente notable en el Per, donde la termoclina suele estar cerca de la superficie.La misma caracterstica hace que el sonido se desve constantemente, dando as informacin falsa en relacin con la ubicacin de cardmenes.Termoclina

ZONAS DE SOMBRA4.11. Teora de rayos de SnellLa reflexin del sonido se produce en los objetos y en capas de diferente temperatura, y lo hace con similar ngulo considerando el plano sobre el que se distribuye la termoclina.Parte de la energa acstica puede ser reflejada y la otra refractada.El fondo del mar puede ser muchas veces un punto de referencia para aplicar la ley de Snell.Es posible la formacin de extensos canales sonoros, generalmente sobre el fondo.C1, R1

C2, R2

C3, R3111233123344334Ley de Snell

4.12. Perfil de la velocidad del sonido(al sonido le gusta la baja velocidad)

4.12.1.Estructura global de la velocidad del sonido

4.12.2. Atenuacin del sonido en el agua de mar (Urick, 1983)

4.12.3. Canal sonoro de propagacin

4.12.6.Ducto superficial de propagacin4.12.7. Propagacin del sonido sobre un monte submarino

4.12.8.Tener en cuenta las variaciones estacionales

4.13. Haz equivalente en dos vas y patrn de directividad Si el haz acstico fuera en realidad uno solo la deteccin acstica sera ms sencilla.En realidad un haz acstico va acompaado de muchos otros llamados lbulos laterales.Una forma ms correcta de representarlos es la siguiente (ejemplo de la linterna).Por lo tanto, la deteccin de cualquier objeto se complica.Una forma de comprobarlo es recurrir a un diagrama que se construye utilizando hidrfonos conectados a osciloscopios para graficar el patrn de directividad, que es especfico para cada transductor.

HIDRFONOSLos hidrfonos constituyen un arreglo (array) que permite conocer la cantidad y dimensiones tridimensionales de todos los lbulos ms el haz principal.En la prctica se utilizan esferas, que son el nico objeto que provoca ecos de similar magnitud en todas las direcciones. Los voltajes medidos se plotean sobre 2 dimensiones.El patrn de directividad b(,) describe las diferencias (o imperfecciones) que realmente existen en un haz acstico. Los transductores split beam reducen el problema a travs del clculo del angulo de haz equivalente en dos vas ( o EBA, Equivalent Beam Angle).El EBA es el ngulo slido imaginario comprendido entre el eje acstico y las zonas donde la energa se reduce a la mitad de la que existe en dicho eje. La ecosonda multiplica b(,) por todos los ecos segn su ubicacin

Lneas de voltajeLa energa disminuye con la profundidad, pero siempre es mxima, a cada profundidad, en el eje acstico, ImaxImax/2Imax/2b(,)Eje acstico

Ecgrama sin bEcgrama con b

IR(,) = Ie . b(,)Sin el EBA, dos peces de la misma especie y talla eran graficados con diferente eco.A travs del EBA se asigna a cada eco su correcta magnitud.b(,) se calcula para cada eco tomando en cuenta su ubicacin. En teora el valor de b (o b simplemente) flucta entre 1 y 2 (es decir, el doble de la energa en el eje).Cuando el valor de b es mayor a 2 se rechaza el eco (porque podra haber sido detectado por los lbulos laterales.

4.14. Ganancia Cronovariable (TVG time varied gain) La restitucin de energa que se opera a nivel horizontal con el patrn de directividad [b(,)] se realiza tambin a nivel vertical con el TVG.El TVG es el dispositivo que le permite a los SS restituir a cada eco la energa que han perdido como producto de la absorcin, atenuacin y dispersin geomtrica.Este proceso se basa en el conocimiento de (coeficiente de absorcin), que es especfico para cada frecuencia segn la temperatura.Dos peces de similar especie y talla, pero ubicados a diferente profundidad, aparecen con diferente magnitud en una ecosonda sin TVG, y correctamente representados en una con TVG.

Ecogramasin TVGEcogramacon TVG

=BSTVG tipo 40 Log R (para mediciones de reflectividad)Esta modalidad es utilizada exclusivamente para describir la fuerza o reflectividad de los blancos (peces) individuales.BS representa la capacidad de un pez para reflejar el sonido. indica la absorcin de sonido por el medio (tambin se denota por )

RIntensidad transmitida IoIntensidad incidente Ii

Intensidad reflejada IrIntensidad del eco IeEn este punto el SS utiliza el TVG para restituir la energa de cada eco.Para ello se debe simplemente eliminar los factores que acompaan a en la ltima ecuacin.10. log R = 40 log R4

.BS

.BSBS4.16. TVG tipo 20 Log R (para mediciones de ecointegracin)Esta modalidad se utiliza para determinar el volumen ocupado por N peces. Esta cantidad se usa en ecointegracin (suma de ecos).En este caso representa la capacidad promedio de los peces para reflejar sonido. indica la absorcin de sonido (en dB/m).

RIntensidad transmitida IoIntensidad incidente Ii

Intensidad reflejada Ir y volumen ocupado por los pecesIntensidad del eco IeEl S.S. utiliza el TVG para restituir la energa. Para ello se debe simplemente eliminar los factores que acompaan a N y en la ltima ecuacin.

10. log R2 = 20 log R

40 log R

20 log R

Por ejemplo, la ecosonda comercial digital Simrad ES60 permite operar en los dos modos aunque utilizando la jerga de peces para 40.LogR, y cardumen para 20.LogR.Esta ecosonda presenta tambin el histograma de reflectividad (TS, Target Strength) en funcin de la talla o el peso. Para ello se puede seleccionar hasta 4 especies diferentes.4.17. Poder de la Fuente (SL) Es la cantidad de energa emitida por un transductor; los nuevos SS no requieren una medicin de este parmetro, pues ya viene consignado en una tabla de fbrica.De ser necesario la medicin se realiza colocando un hidrfono a una distancia de un metro del transductor mientras ste emite sonido; el hidrfono est conectado a un osciloscopio.HIDRFONO1mVoltaje (v)SL = 10.log (I2 / I1)I (intensidad) es proporcional al cuadrado de la presin (P); P = Fuerza / AreaI2 es la presin medida en Pa (pascales).I1 es la presin de referencia en uPa (1 uPa).La presin es inducida por un flujo de energa o potencia elctrica que se mide en Watts (W).SL de un transductor tpico es de 220 dB ref 1uPa a 1 m equivale a un voltage de 8.3 v.Ejemplo:SL = 10 log (200,000 Pa / 0.000001 Pa) = 226 dB ref 1 uPa 1 mSL = 10 log (200,000 Pa / 1 uPa) = 106 dB ref. 1 Pa 1 m4.17.1. Procedimiento para medir el Poder de la Fuente (SL)Es la intensidad absoluta equivalente a SL expresada de una manera ms convencional.

VoltagePico-pico(Vpp)Voltaje del hidrno: Vh = 20 log [Vpp / 2 * (2)1/2] , dB re 1 v.

Respuesta del hidrfono (viene en tabla segn fabricante): Srt

Nivel del hidrno : Lh = Vh Srt

SL = Lh + 20 Log (largo de pulso t en metros); dB re uBar re 1 m

SL = SL+100 si las unidades son dB re 1 uPa re 1 mHIDRFONOEjemplo:

Vpp = 8.3858 vc = 1,500 m/st = 3 msSrt = -103.5 dBR = c*t

SL = 226 dB re 1uPa-1m4.17.2. Nivel de Presin de la Fuente (SPL) Es la intensidad absoluta (equivalente a SL).

P ref es la presin del sonido ms dbil que podemos escuchar en el agua:

Por comparacin, el sonido ms dbil que podemos escuchar en el aire es:

Si queremos hallar el SPL de estas dos cantidades:

Un concierto de rock en primera file significa 120 dB (10-5 bar); 130 dB es doloroso (ojo, en este ejemplo P ref es 2 x 10-10, que es la referencia para el agua.

SPL = 20 log (P rms / P ref)2 1010 bar2 107 bar SPL = 20 x log (2 107 / 2 1010) = 60 dB4.18. Ecuacin del SonarEs una ecuacin de conservacin de la energa.La forma ms comn es la siguiente:Poder de la fuente, o energa disponible (SL)Atenuacin (H)Rango al objetivo (R)Capacidad Reflectiva (TS, Target Strength)Segunda atenuacin (H)Nivel de Eco (EL, Echo Level)Coeficiente de absorcin ()

SLHTSRHELEL = TS + SL 2H

H = R + 20 log R4.19. Campo cercano Se dedomina as a un fenmeno que es producto de los lbulos laterales.Consiste en la catica deteccin de ecos en la cercanas del transductor; por esa regin las mediciones o detecciones efectuadas en esa regin no son confiables.La extensin del campo cercano depende de la frecuencia, la potencia, el ancho de banda, el largo de pulso y las dimensiones del transductor. IntensidadRango

Campo cercanoCampo lejano

4.20. Resolucin vertical y horizontal, razn de emisin de pings La resolucin vertical se refiere a la mxima distancia (vertical) de separacin que tendra que existir entre dos blancos, es decir, evitando la superposicin de objetivos.La resolucin vertical es igual a la mitad del largo de pulso.Desde otro punto de vista la resolucin vertical es el tamao de cada muestra o punto (voxel) de muestreo.La resolucin horizontal se refiere a la distancia que existe entre una emisin (ping) y la siguiente, lo que depende de la velocidad del barco y de los pings emitidos por minuto.

T : largo de pulso = velocidad x duracin de pulsoSi la distancia entre dos peces es menor a T/2 entonces hay sobre posicin

4.21. Fondo fantasma El Fondo Fantasma Registro Fantasma es el eco de un fondo verdadero registrado en una escala incorrecta.Ntese como el fondo aparente sbitamente desaparece.En este caso se aprecia un fondo fantasma ms un eco falso proveniente de la capa de zooplancton que se aprecia.

AmplitudTiempoPerodo de emisinPerodo de escucha4.22. Fondos y ecos dobles y mltiplesCuando la potencia de emisin es alta, o la profundidad es escasa, la energa acstica es suficiente para ir y venir varias veces durante el perodo de escucha.En la figura se replica dos o ms veces no solo el fondo sino algunos organismos presentes.

4.23. Campo muerto cerca del fondoSe produce debido a la curvatura del extremo del haz acstico que se propaga. Al aproximarse al fondo, solo aquellos peces cercanos al eje sern correctamente detectados; los otros permanecen ocultos en el eco de fondo.El problema se incrementa si el fondo es accidentada, pero se reduce si se utiliza un haz estrecho y/o pulsos cortos y una alta emisin de pings, aunque todo depende de R.

RRR

4.24. Capas de dispersin profundaLos organismos que componen el plancton, pero muy especialmente el zooplancton y el micronecton, se distribuyen a distintos niveles de profunidad segn la hora del da.Estos organismos son generalmente visibles y medibles en una ecosonda. En la literatura ms antigua se les llam capas de dispersin profunda, y durante largo tiempo su identidad solo pudo ser intuida.Los peces pelgicos permanecen en la capa epipelgica, generalmente sobre la termoclina y la zona mnima de oxgeno.Al anochecer los peces pelgicos suelen ascender ms pronto que todos los otros organismos que siguen este patrn nictameral.Durante el da las capas de micronecton permanecen a distintas profundidades, pero ascienden al llegar la noche y permancen cerca de la superficie hasta el amanecer.Con la maana estos organismos vuelven a ocupar las profundidades habituales.

Peces (jurel)Peces (jurel)Capas de dispersin profunda (eufausidos, mictfidos, cnidarios)

4.25. Fuerza (y umbral) del volumen de retrodispersin (Sv) Es la expresin logartmica de la magnitud del volumen representado por el eco que proviene desde un determinado cuerpo u objeto insonificado.SV es el volumen de muestreo que est incrementndose constantemente segn crece la distancia R desde el transductor.BS representa la energa acstica que un determinado objeto fue capaz de reflejar.Sv es la expresin logartmica de sv.En trminos prcticos Sv se calcula por el voltaje del eco (Ue).

SV = R. .c.t /2 (m)BS = 10TS/10sv = BS / SVSv = 10.log(sv)Sv = 10.log(Ue)Ue = (Ie.TVG) 4.25.1 Umbral Sv es el lmite que el operador establece segn desee limitar o regular, la visualizacin de determinados ecos (para deshacerse del plancton, por ejemplo).Se pueden fijar lmites mximos y mnimos, aunque en las ecosondas comerciales normalmente se regula solo el lmite inferior. A ello se le llama controlar la ganancia.

0 dB-25 dB-50 dB-60 dB-70 dB-80 dB-90 dB-100 dB-110 dB4.26. Sv promedio y Coeficiente Nutico de Dispersin Acstica (NASC)NASC es la expresin lineal equivalente, no logartmica de Sv , cuando sta se promedia para intervalos de tiempo, distancia, rangos o pings, utilizando como referencia la milla nutica.Sv y NASC (antes llamado Sa M) pueden indistintamente ser utilizadas en ecointegracin, aunque usar NASC puede ser ms prctico para peces.

SvNASCNASC = 4 . 1852 (z2 z1) 10[Sv / 10]

0 m47 m

Z1Z2

T1 T2

4.27. Relacin Seal-Ruido (SNR: Signal to Noise Ratio)SNR es el cociente de una seal pura y una seal con ruido (electrnico, trmico y/o ambiental).Es una cantidad cambiante, pero que debe procurarse mantener en un valor muy bajo para que no interfiera en las mediciones o detecciones que se realizan.

RuidoEl ruido, cuando es armnico, puede calcularse

Pueden neutralizarse las zonas que no nos interesan

El objetivo es una imagen cuya calidad se establece con la relacin SNRSNR = Sv (ruido) / Sv (ecograma)4.28. Morfologa de cardmenes Un ecograma es una interpretacin de lo que detecta un SS.Hay todo un conjunto de consideraciones a tomar en cuenta cuando se analiza la informacin de ecosondas y sonares.Principalmente la razn de repeticin de pulsos por minuto, que idealmente- debe ser alta; y los algoritmos internos de compensacin geomtrica basados en las dimensiones de los haces acsticos en funcin a la velocidad del barco.El CRR 238 de ICES (Echotrace Classification) describe en detalle estos aspectos.

4.29. Dimensiones de cardmenes Aceptando los sesgos que eventualmente se presentan en la interpretacin de los ecos por parte de las ecosondas, es posible definir diversos parmetros que explican diversos aspectos de los cardmenes. La geometra de los cardmnes es hasta cierto punto compensada por los S.S.Las dimensiones esenciales son el largo, alto y profundidad media.Sin embargo hay muchas otras definiciones (ver programas como Movies+ y Echoview).