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Page 1: Act 3 Acustica Submarina

República Bolivariana de Venezuela

Universidad del Zulia

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Geodésica

Cátedra: Geodesia Marina

Actividad #3:

ACÚSTICA SUBMARINA

Maracaibo, noviembre 2011

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Introducción

De todas las formas de radiación conocidas, la que mejor se propaga a través del mar es el sonido. La radiación electromagnética no es eficaz para la transmisión de información submarina, debido a las características conductoras del agua de mar, lo que conlleva a una elevada atenuación con la distancia por la conversión de la energía del campo eléctrico en calor.

La propagación del sonido en el mar depende fuertemente de las características del medio submarino. La velocidad de propagación 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 presión y la salinidad.

El sonido consiste en un movimiento regular de las moléculas de un medio elástico, en nuestro caso el agua del mar, que se transmite en forma de onda. Cuando la onda alcanza un área determinada hace que se perturbe el equilibrio de sus partículas moleculares. Esta perturbación se denomina presión y es medible mediante un hidrófono sensible a la presión.

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

En un sistema sonar genérico, los niveles de presión captados por los hidrófonos son convertidos a niveles de tensión eléctrica y generalmente convertidos de niveles analógicos a valores digitales, para permitir su tratamiento en procesadores digitales. Las siguientes etapas son el procesado de la señal y la generación de los resultados en forma de audio y de vídeo, específicamente diseñados para permitir al operador distinguir la presencia de contactos de la forma más sencilla posible.

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1.- Desarrollo de la Acústica 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 escribía: "Si paras tu barco e introduces el extremo de un tubo en el agua, y aplicas el oído al otro extremo, oirás barcos que se encuentran a gran distancia de ti".

La primera medición de la velocidad del sonido en el agua fue obtenida en 1827 por el físico suizo Daniel Colladon y el matemático francés Charles Sturn en el lago Ginebra. El resultado de su medida fue de 1434 m/s Que es muy precisa para la época en que se realizó dicha medición.

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 pérdida del TITANIC demostró la utilidad de su invento midiendo la distancia a un iceberg situado a 2 millas de distancia. La posterior aplicación de los amplificadores electrónicos a las señales captadas hizo que los sistemas no tuvieran que depender exclusivamente de la sensibilidad del oído humano.

En 1915 Lord Rayleigh descubre que el oído humano es capaz de determinar la dirección de una fuente sonora por la diferencia de fase o tiempo de la onda sonora al llegar a ambos oídos, y se desarrollan sensores biaurales para determinar la dirección de la que proviene el sonido. Este sistema en funcionamiento en los submarinos alemanes causó graves pérdidas a los aliados. El éxito obtenido propició la investigación con sistemas ópticos, térmicos y magnéticos, siendo el resultado más favorable el obtenido mediante el sonido.

En 1917 el físico francés Paul Lagevin usando un sistema piezoeléctrico de cuarzo sintonizado a una fecuencia de 38 KHz., consigue formar un haz de energía capaz de determinar la dirección y la distancia a un objeto sumergido, llegando a detectar un submarino a 1500 mts. Por el mismo periodo científicos ingleses dirigidos por Boyle trabajan en el secreto proyecto ASDIC para la obtención de un sistema eficaz de detección submarina.

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

El desarrollo de la acústica submarina se ralentizó considerablemente en el periodo entre las dos Guerras Mundiales. Se había 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 permitía a la Marina Alemana tener submarinos ni aeroplanos, los estudios se centran en la aplicación del sonar como un sistema defensivo.

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Desde el punto de vista científico el mayor logro fue la obtención de conocimientos sobre el caprichoso comportamiento de la propagación del sonido en la mar. Las observaciones realizadas por Steinberger sobre la variación del alcance con la temperatura indujeron a la invención de un aparato capaz de medir la temperatura del agua a distintas profundidades. En 1937 Spilhaus presenta este aparato llamado "Batitermógrafo".

Durante la Segunda Guerra Mundial se da un periodo febril en la investigación de nuevas tecnologías y se retoma la acústica. En EE.UU. se crea el NDRC (National Defense Research Commitee). La sección sexta de este comité realizó un amplísimo programa de acústica submarina llevado a cabo principalmente por la Universidad de California, el Laboratorio de Electrónica Naval de San Diego y la Institución Oceanográfica de Woods Hole. La publicación al finalizar la contienda de los estudios realizados constituye aún hoy en día la base de la acústica submarina.

Los trabajos de eminentes físicos como Knudsen, Wenz, Marsh, Urick y otros identifican los orígenes y características de las distintas fuentes de ruido ambiental existente en el océano. Los mayores logros en este periodo son:

El descubrimiento del motivo de la atenuación a frecuencias inferiores a 100 Hz.

Determinación experimental de la absorción para frecuencias entre 100 Hz y 1 Mhz.

Medida de las pérdidas por absorción por rebote en el fondo. Clasificación de las pérdidas y características del canal sonoro

profundo y superficial. Conocimiento de la propagación en aguas polares. Descubrimiento y explicación de las zonas de convergencia. Obtención de diagramas de rayos sonoros y predicción de

alcances. Medida con gran exactitud de la velocidad del sonido en el agua.

La aparición de submarinos nucleares con capacidad de lanzar misiles nucleares de largo alcance hace cambiar la situación táctica, 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 detección pasiva que permite mayores alcances. Se comienza a desarrollar grandes redes de escucha submarina, tanto fijas como remolcadas por los buques, que además permite alejar la escucha del ruido propio.

Durante los últimos años se ha intensificado el estudio de bajas frecuencias para detección a grandes distancias y se ha potenciado la reducción al máximo del ruido emitido por los buques. Aparece el análisis espectral de las frecuencias emitidas por un contacto para permitir su exhaustiva clasificación, técnica denominada LOFAR (LOw Frequency Analisys and Recording). La gran cantidad de señales existente en el mar, tanto de origen humano como biológico que proporciona un sonar moderno es gigantesca, por tanto la clave es descubrir un método de proceso que permita eliminar la información no necesaria; para ello se hace uso masivo de la informática y se emplean técnicas de inteligencia artificial.

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2.- SONAR

La palabra Sonar proviene del inglés "Sound Navigation and Ranging". Es el equipo, medio y propiedades que sirve al estudio y aprovechamiento de la propagación del sonido en el agua y su utilización para determinar la ubicación, características, distancias, velocidad, etc. de objetos, formaciones rocosas, como así también costas y lecho submarino. No debemos olvidar su utilización para las comunicaciones y la observación. El sonar reemplaza al radar en el agua, ya que este último opera a través de ondas electromagnéticas que, debido a la alta conductividad del medio acuático, se pierden sin lograr su objetivo. El sonar se vale de ondas acústicas, de fácil propagación en el medio antes nombrado. Existen dos tipos de Sonar: Activo y pasivo.

En el Sonar Activo se lanza una señal mediante un emisor. Dicha señal al encontrar un obstáculo vuelve a ser recogida, al rebotar por un receptor. Mediante el análisis de tiempos se puede establecer, conocida la celeridad del sonido en el medio, donde está el obstáculo. Mediante haces de sondas se puede hoy en día conocer la forma del mismo e incluso su composición, teniendo en cuenta cuanta señal 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.

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El alcance está limitado por un gran número de factores de factores siendo los más importantes la frecuencia de la onda y la efectividad del medio en el que se propaga la energía. Cuanto más baja es la frecuencia, mayor es el alcance que se obtiene.

Con ambos tipos es posible determinar la dirección 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 radiación 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 sí, pero son más complejos y menos fiables.

En general el sonar activo y el pasivo se complementan para efectuar la detección y el análisis 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 está formado esencialmente por tres subsistemas especializados dedicados respectivamente a:

Captación de la señal acústica. Proceso de la señal. Lectura y medición de la señal procesada.

La captación de la señal se realiza mediante una base acústica, formada habitualmente por un conjunto de hidrófonos, dispuestos en una determinada configuración que permita obtener los mejores resultados para los que se pretende usar el sistema. Generalmente la disposición de los mismos se realiza según el margen de frecuencias a obtener y las características de la plataforma sobre la que se montará el equipo. De esta forma el margen de frecuencias más alto, el cual no se ve afectado a gran escala por el ruido producido por la plataforma, requiere dispositivos montados sobre ella en forma cilíndrica o esférica protegidos por estructuras que eliminen en la mayor medida el ruido hidrodinámico 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 disposición lineal de los hidrófonos que permite que sean remolcados por la plataforma a suficiente distancia como para eliminar el ruido indeseado.

La señal captada por la base acústica debe sufrir un proceso para facilitar su interpretación. Este proceso incluye una amplificación previa de la señal débil captada, un filtrado para eliminar las frecuencias cuyos valores no estén en el margen necesario, y un tratamiento adecuado. En general este tratamiento comprende la formación de una vía de audio que mediante un sistema de orientación electrónico permita conocer la dirección de la que proviene el sonido, y su escucha por un operador y una digitalización que permita su presentación visual y registro gráfico.

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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 más estrecho de frecuencias que es capaz de recibir.

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

Base acústica. Selección y conmutación. Emisor. Receptor. Lectura y medición de la señal recibida.

La base acústica está formada generalmente por un solo transductor con capacidad tanto para transformar la señal eléctrica en acústica para emitirla al agua como para recibir señal acústica del agua y transformarla en eléctrica. Debido a la posibilidad de usar el sistema como sonar pasivo o activo dispone de un sistema de selección encargado de conducir la señal 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 idéntica al del sonar pasivo. El receptor activo sin embargo, realiza un proceso distinto, ya que interesa solo un pequeño ancho de banda centrado en la frecuencia de transmisión. Esto es debido a que el eco devuelto por los objetos sobre los que incide el frente de ondas emitido, reflejará una parte de la energía cuya intensidad en muy pequeña y su frecuencia estará desplazada de la emitida solo un poco. Además la ganancia del amplificador receptor es variable en el tiempo, de forma que el nivel de amplificación aumenta con el tiempo en que se realizó la emisión para que los ecos devueltos por los objetos cercanos, más intensos no anulen a los más lejanos y débiles. El receptor activo realiza asimismo un tratamiento de la señal de dos formas, una en la formación de un canal de audio que partiendo de la frecuencia recibida, y tras una detección eléctrica es heterodinada a una frecuencia que facilite la escucha del operador y otra en la que la señal se digitaliza y es usada en el sistema de representación y registro gráfico.

El emisor se encarga de formar el impulso eléctrico que se aplicará al transductor y que una vez convertido en energía acústica 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 conmutación. El subsistema de selección y conmutación tiene como misión 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 después de realizar la emisión.

El funcionamiento activo está formado por ciclos consecutivos de transmisión y recepción. En el instante de la emisión del "ping", el receptor no está unido al transductor y por tanto se encuentra bloqueado. En ese instante arrancan los circuitos de tiempo que gobernarán la ganancia variable del amplificador de recepción y los circuitos de presentación y registro. Al finalizar la transmisión, se acopla el transductor al receptor activo que posicionará los ecos recibidos en

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función del tiempo transcurrido desde la emisión y de la dirección en que se encuentran. Conociendo la velocidad del sonido en el agua, puede conocerse así la distancia al eco.

Cada ciclo termina al transcurrir el tiempo de recepción, generalmente seleccionado por el operador del equipo entre unos valores fijos proporcionados por el fabricante.

4.- Ecuaciones de un Sistema de Sonar

Definiciones de los parámetros:

NF = nivel de ruido de la fuente. PT = pérdida de transmisión. NR = nivel de ruido. ID = índice de directividad del sistema. NRV = nivel de reverberación. TS (Target Strength) = fuerza del blanco. UD = umbral de detección.

4.1.- Ecuación de un Sistema Sonar Pasivo

NF – PT – (NR – ID) = UD

4.2.- Ecuación de un Sistema de Sonar Activo

NF−2PT+TS−( NR−IDNRV )=UD

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5.- Aplicaciones de la Acústica Marina

Uno de los usos principales de los dispositivos sonar es de carácter militar y naval por excelencia. Las modernas unidades de las Marinas Militares de todos los países desarrollados disponen de equipos tanto activos como pasivos para realizar la detección, clasificación, seguimiento y ataque de submarinos. Estos a su vez disponen de equipos para la detección de buques de superficie y de contramedidas para evitar o retardar su detección por dichas unidades. Los dragaminas mecánicos se reemplazan por modernos caza minas dotados de equipos sonar de gran precisión y resolución capaces de localizar objetos sumergidos y visualizar su forma o estructura para determinar si se trata de una mina.

El gran avance de la electrónica y de la informática aplicada a la acústica submarina ha hecho extender las capacidades de los equipos al análisis del ruido radiado por los barcos, obteniendo así la denominada "firma acústica" que permite identificar cada unidad de forma unívoca al igual que una huella dactilar identifica a una persona; pero a diferencia de las huellas dactilares que son invariables, las firmas acústicas cambian con el tiempo. Esto es debido a que dichas "firmas" proceden en su mayor parte del ruido radiado por la maquinaria a bordo de los buques y dicho ruido varía a su vez con las modificaciones, reparaciones y fatiga de las piezas que la componen. Esto obliga a mantener una información actualizada de inteligencia de unidades navales.

Gran parte de la tecnología se ha transferido a usos civiles. Es bastante común el uso de ecosondas en barcos de todo tipo, medidores de espesor de capas de hielo y otros dispositivos de ayuda a la navegación que usan el sonido o ultrasonido. Otra aportación significativa son los detectores de pesca que permiten la localización de bancos de peces.

Igualmente las aplicaciones de estos tipos de sistemas llegan a los fines científicos, los cuales son de gran ayuda para la estimación de la biomasa. Para seguir los movimientos de peces, ballenas, puede acoplarse a un animal un dispositivo acústico que emita pulsos a ciertos intervalos, posiblemente codificando, por ejemplo, la profundidad. Se han desarrollado sonares que pueden usarse para caracterizar el fondo marino y realizar cálculos acerca de la topografía del fondo.

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Conclusión

Mediante empleo de sondas de sonar y dispositivos de naturaleza similar se ha podido realizar mapas topográficos del fondo marino de una enorme exactitud, que permiten un abanico múltiple de posibilidades tales como la localización de pecios hundidos, restos arqueológicos o la determinación exacta de la composición del fondo marino mediante el empleo de sondas sónicas o subsónicas, lo cual representa primordial hablar por tanto, del sonar.

Gracias a la ecuación de ondas es posible proporcionar una solución formalmente completa al problema de la propagación del sonido en el agua, pero es difícil de interpretar y de visualizar. Por otro lado, la teoría de rayos proporciona una solución simplificada que posibilita una descripción gráfica de la propagación submarina del sonido.

En general se trata de una propagación compleja en la que, además del perfil de velocidad del sonido, influyen de forma significativa las características del fondo y la superficie del mar y la presencia de vida marina y partículas en suspensión en el entorno marino.

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Bibliografía

http://mit.ocw.universia.net/13.00/NR/rdonlyres/D629E305-6EC8-4664-B7A4-AF44152E54B4/0/1300_acoustics_lecture_notes.pdf

http://www.topografiaglobal.com.ar/archivos/teoria/sonar.html#Tipos%20de%20Sonar

http://www.lpi.tel.uva.es/~nacho/docencia/ing_ond_1/trabajos_06_07/io7/public_html/sonar1.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Sonar

http://www.hyo.com.pe/smsonar.htm


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