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2003-2004 ETSIT UVA
ACÚSTICA
SUBACUÁTICA
INGENIERÍA DE ONDAS
ÁNGELA MEDIAVILLA TRABADA
PEDRO C. LÓPEZ CASADO
ÍNDICE
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Introducción
Sonido y mar
Ruido
Transductores
El Sonar
Otros instrumentos
Historia
Aplicaciones
Audio
Bibliografía
Autores
INTRODUCCIÓN
•
•
•
•
•
Trataremos la transmisión de las ondas acústicas a través del agua y los
fenómenos que intervienen.
Como procedimientos de comunicación bajo el agua existen cuatro métodos:
– Óptico: agua demasiado opaca a la luz.
– Magnético: distancias cortas.
– Eléctrico: demasiada atenuación en el agua salada por ser buena
conductora.
– Acústico: el agua es un buen medio de transmisión, incluso mejor que el
aire, para el sonido.
Factores que influyen:
– Superficie y fondo.
– El mar no es homogéneo debido a la estratificación.
– El mar no es isótropo debido a las variaciones de presión y densidad.
Otros problemas: ruidos de diferentes fuentes.
Muchas aplicaciones: investigación, industrial, oceanografía, mercante, bélica,
comunicación.
SONIDO Y MAR
• Velocidad del sonido en el mar
– Traza bacelerimétrica
• Propagación
– Modelos de propagación
– Reflexión y refracción
– Trayectorias sonoras (rayo límite)
• Canales sonoros (zonas de sombra)
SONIDO Y MAR (I)
• Velocidad del sonido
en el mar
– Traza baticelerimétrica
• Capa superficial o de
mezcla
• Termoclina estacional
• Termoclina permanente
• Isoterma profunda
SONIDO Y MAR (II)
•
Propagación
La superficie radiante de un emisor
submarino al vibrar, induce a las
partículas del medio a desplazarse
de sus posiciones de reposo. Las
vibraciones del emisor, pueden
transmitirse a grandes distancias,
ya que las partículas adyacentes
provocan perturbaciones sucesivas
de modo que la señal emitida se
transmite en forma de ondas que se
alejan de la fuente.
– Modelos de propagación
• Modos normales
• Rayos
SONIDO Y MAR (III)
•
Fenómenos de refracción y
reflexión
La trayectoría de una onda acústica
a través de un medio en el que la
velocidad varía con la profundidad
se puede calcular mediante la
aplicación de la ley de Snell
Puede demostrarse que la
trayectoriade una onda acústica a
través del agua que tiene un
gradiente de velocidad constante u
positivo de g m/s es un arco de
circunferencia.
SONIDO Y MAR (IV)
– Trayectorias sonoras
La trayectoria de un rayo sonoro al abandonar el emisor depende principalmente de:
• El ángulo de salida del emisor.
• La velocidad de propagación.
• La posición del emisor.
El receptor recibirá rayos directos e indirectos (debidos a rebotes), cuyo instante de
llegada dependerá del camino que hayan recorrido.
Si el emisor y el receptor están cerca de la superficie
deprecio los rayos que inciden sobre esta.
Si ambos están situados a una profundidad media,
estos rayos si deben ser tenidos en cuenta.
SONIDO Y MAR (IV)
•
Zonas con gradiente de celeridad
negativo:
•
Zonas con gradiente de celeridad
positivo:
•
Canal de capa de mezcla superficial:
SONIDO Y MAR (V)
Rayo límite: aquel que sale del emisor con un ángulo tal que llega a ser horizontal justo en la línea
imaginaria que separa estratos de distinta celeridad. La importancia del mismo reside en que rayos con
ángulos mayores o menores que él son refractados según la Ley de Snell, produciéndose una separación
entre las trayectoria que definen una zona de sombra en la que los rayos se encuentran tan separados que
no es posible una buena recepción de los mismos y puede considerarse que hay silencio.
En la capa de agua caliente del océano, el sonido se refracta hacia la superficie. A medida que las ondas
sonoras se desplazan hacia el fondo donde el agua es más fría, la velocidad del sonido disminuye y se
refracta hacia abajo, creando una zona de sombra en la que un submarino puede esconderse.
SONIDO Y MAR (VI)
•
Canales sonoros
–
Estudiaremos la refracción a grandes
profundidades donde la temperatura es
casi constante, unos 4 grados
centígrados. Allí las condiciones son
bastante estables y uniformes todo el
año.
En este caso la velocidad del sonido
alcanza un mínimo, aumentando a
menores profundidades por el
incremento en la temperatura y a
mayores profundidades por el
incremento de la presión.
Los rayos que se originan en esta región
de velocidad mínima forman un
pequeño ángulo con la horizontal
tendiendo la curva a volver hasta este
nivel sin alcanzar otra superficie o el
fondo, formando un canal sonoro.
RUIDO (I)
• Definiciones
–
–
–
–
–
Ruido (definición relativa)
Interferencia
Nivel de ruido (dB)
Relación señal a ruido
Ruido ambiente o de fondo
RUIDO (II)
• Fuentes de ruido
– Turbulencia del viento
– Movimiento superficial
– Interacción de ondas de oleaje:
Las olas de igual longitud de onda cuando viajan en direcciones opuestas, producen una onda
estacionaria.
– Cavitación:
El fenómeno de la cavitación se debe al girar de las hélices .
– Fuentes intermitentes
• Biológicas
• No biológicas
RUIDO (III)
• Clasificación del ruido
– Ruido propio
– Ruido radiado
• Ruido de maquinaria
• Ruido de hélices
– Cavitación
– Canto
– Batido
RUIDO (IV)
• Reverberación
Es la combinación de todos los ecos producidos cuando las
numerosas inhomogeneidades del medio son "iluminadas"
por el impulso radiado al agua que espera detectarse en el
receptor.
– En la superficie
– En el seno del mar
– En el fondo
Efecto Doppler
Cuando la fuente de ondas y el
receptor están en movimiento
relativo respecto al medio material
en el que se propaga la onda la
frecuencia de las ondas recibidas es
distinta de las emitidas por la fuente.
RUIDO (V)
• Reducción del ruido
– Principales fuentes:
Reducciones y engranajes.
Instalaciones auxiliares.
Planta propulsora.
Resonancias y efectos.
Máquinas eléctricas.
Línea de ejes. (En especial la cavitación)
Ruidos hidrodinámicos.
TRANSDUCTORES
• Un transductor es un dispositivo capaz de
convertir un tipo de energía en otra.
• Diferencias de los submarinos con los aéreos:
– Submarino 60 veces más de potencia.
– Resistencia mecánica a las altas presiones submarinas.
• Dos tipos de transductores:
– Proyector o emisor.
– Hidrófono o receptor.
TRANSDUCTORES(II)
• Tipos de transductores:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Explosivos
Cañones y chorros de gas o agua
Descargas eléctricas de alta potencia o SPARKERS
Dispositivos hidraúlicos
Electrodinámicos
Electrostáticos
Piezoeléctricos
Electroestrictivos
Magnetoesctrictivos
Otros tipos
TRANSDUCTORES(III)
• Calibración de los transductores
– Definimos dos parámetros:
• La sensibilidad del hidrófono
• La directividad hidrofónica
– La calibración de los transductores debe realizarse allí donde
vayan a ser utilizados .
– Por sencillez se suelen utilizar tanques experimentales, pero
introducen problemas de ruido.
– La calibración de un transductor consiste en la determinación de
su respuesta en función de la frecuencia y la dirección.
– En la calibración utilizamos impulsos, en vez de ondas continuas,
para poder diferenciar la onda directa de las reflexiones.
TRANSDUCTORES(III)
• Calibración de los transductores (cont.):
– Consideraciones a tener en cuenta al diseñar el tanque:
• Forma paralelepípeda generalmente.
• Tres parámetros:
– Duración del impulso
– Distancia entre los transductores
– Frecuencia y repetición de los impulsos
• Se sitúan dentro del tanque dos transductores, emisor y receptor,
separados una distancia d.
• Los dos transductores estará colgados de unas correas en el eje
medio del tanque, que suele ser a un tercio del fondo.
• La longitud t del impulso deberá verificar:
– Reflexión entre transductores:
– Reflexiones en las superficies laterales:
– Reflexiones en el fondo y en la superficie:
TRANSDUCTORES(III)
• Calibración de los transductores (cont. II):
– La distancia d entre el emisor y el receptor deberá cumplir:
– Gráficamente un tanque tendría esta forma:
– La cadencia de repetición de los impulsos viene impuesta por el tiempo
reverberación.
– Los transductores deberán girar en torno a su eje vertical y ser orientable
diferentes plano para obtener diferentes diagramas llamados de directividad.
– Los transductores usados en acústica submarina trabajan en un margen
frecuencia muy grande, aproximadamente 0'1Hz - 200KHz, lo que requiere
varias calibraciones diferentes, según el rango de frecuencias:
• 0.1Hz-1Hz
• 50Hz-4KHz
• 3KHz-100KHz
– Los dos métodos más conocidos son:
• Método de comparación
• Método de reciprocidad
de
en
de
de
EL SONAR
• Definición de Sonar.
– SOund NAvigation and Ranging: método y/o el
equipo necesario para determinar por medio del
sonido la presencia, localización o naturaleza
de objetos en el mar.
– SONAR es también la parte de la acústica
aplicada que abarca todas las actividades en las
que el agua es el medio de propagación del
sonido.
• Tipos de Sonar
EL SONAR(II)
–
Sonar activo: emplea el eco devuelto por un objeto al incidir sobre él las ondas acústicas
emitidas por un transmisor.
–
Sonar pasivo: escucha directamente los sonidos del los objetos que permanecen
sumergidos.
–
Hay diferentes criterios para elegir un tipo u otro:
•
•
•
•
–
Alcance.
Obtención de distancia.
Discrección.
Detección de contactos no ruidosos.
Se suelen usar ambos de modo conjunto en general.
EL SONAR(III)
• Usos del Sonar:
– Militar: detección, clasificación, seguimiento y ataque
de submarinos.
– Naval: "firma acústica" que permite identificar cada
unidad de forma unívoca al igual que una huella
dactilar identifica a una persona , aunque cambian con
el tiempo.
– Civiles: medidores de espesor de capas de hielo, otros
dispositivos de ayuda a la navegación, detectores de
pesca, localización de barcos hundidos .
EL SONAR(IV)
• Funcionamiento
– El Sonar Pasivo
• El propósito del sonar pasivo es la captación de los
sonidos emitidos por objetos sumergidos facilitando la
información precisa para obtener la dirección del objeto,
analizar su movimiento y posibilitar su identificación.
• Está formado por 3 subsistemas:
– Captación de la señal: mediante hidrófonos.
– Procesado de la señal: detección electrónica de la
dirección de la que proviene, una escucha por parte de un
operador, y una representación visual y registro gráfico de
la misma.
– Lectura y medición de la señal procesada.
EL SONAR(V)
• Funcionamiento
– El Sonar Activo
• Se basa en la detección del eco devuelto por un objeto
sumergido al incidir sobre él un tren de ondas acústicas
emitidas por un proyector, para detectar objetos sumergidos y
obtener información de su dirección, distancia y analizar su
movimiento.
• También pueden funcionar como sonar pasivo con
limitaciones.
• Posee 5 subsistemas:
–
–
–
–
–
Base acústica.
Selección y conmutación.
Emisor.
Receptor.
Lectura y procesado de la señal recibida.
•
EL
SONAR(VI)
Funcionamiento
– Análisis de los ecos
• Cuando se utiliza el sonar activo el análisis se centra en los eco
devuelto por el objeto sobre el que incide la onda emitida.
• La detección permite conocer la dirección y la distancia a la
que se encuentra el eco desde el transmisor, si se conoce la
velocidad del sonido en el agua. En el caso de no conocerla
exactamente, se puede promediar.
• Distancia:
• Podemos distinguir también si se trata de un objeto móvil o
inmóvil, y su dirección si es móvil usando el efecto Doppler.
• El timbre permite apreciar la cualidad sonora del eco. Así
podemos identificar un submarino o un animal biológico.
• La duración y anchura del eco permite evaluar la geometría del
contacto y la posición relativa del mismo.
EL SONAR(VII)
• Funcionamiento
– Análisis de banda ancha
• Realizado con el sonar pasivo en toda la banda de frecuencias
de escucha del transductor.
• Se requiere de mucha experiencia para poder identificar el
origen de las señales recibidas.
Por ejemplo: el efecto de cavitación y el de batido de una hélice permite contar las
revoluciones a las que gira, con lo que puede obtenerse una aproximación de la velocidad
que lleva el barco detectado.
• Ruido de propulsión permite conocer el tipo de propulsión así
como su potencia: diesel, turbinas de gas o vapor, motores
eléctricos.
• El sonar pasivo, a diferencia del activo, no permite obtener las
distancias al contacto, pero
– Las distancias de detección son mayores
– Se puede obtener la distancia del contacto mediante un proceso
asistido por ordenador.
EL SONAR(VIII)
• Funcionamiento
– Análisis de banda estrecha
• Banda estrecha: ancho de banda menor del 1% de la
frecuencia que se considera.
• Aumenta los alcances de detección porque consigue
mejor SNR.
• Consiste en descomponer la señal de ruido recibida
en tonos fundamentales que se representan
gráficamente y se interpretan. Hay dos técnicas:
– Filtrado: se usan filtros paso banda adyacentes.
– Transformación: usa la transformada de fourier rápida
(FFT) para descomponer una señal en señales sinoidales
ponderadas por diferentes coeficientes.
•
EL
SONAR(IX)
Funcionamiento
– Análisis de banda estrecha(II)
• Asimismo existen dos tipos de representaciones gráficas usadas:
– Frecuencia-amplitud (ALI): adecuado para ver las señales en tiempo real. Son
útiles
para
el
análisis
de
transitorios.
– Frecuencia-intensidad-tiempo (CASCADA): se usa para análisis de larga
duración
como
los
ruidos
de
la
planta
propulsora.
• Independientemente de la representación utilizada, existen dos formas
de análisis:
– Análisis directo de la señal que proviene del transductor. Se analizan los
diferentes armónicos de la señal.
– Demodulación: un objeto sumergido modula en amplitud el ruido
ambiente.
• Alcance
EL SONAR(X)
– Ecuación del sonar activo:
– A su vez está relacionado con el alcance:
• Limitada por el ruido de fondo, NRF:
• Limitada por la reverberación, NRV:
EL SONAR(XI)
• Alcance(II)
– Ecuación del sonar pasivo:
– Influye la decisión de un operador ->umbral de
detección:
– Cuando los ruidos de fondo no están referidos
al ancho de banda espectral, se debe convertir:
– Para comprobar el alcance que tiene el sonar se
usan prográmas informáticos.
• Alcance(III)
EL SONAR(XII)
– Si usamos un array de transductores,
conseguida es:
SNR y la ganancia
– Se puede usar la coherencia de la señal y el ruido.
• Si la señal y el ruido son completamente coherentes o incoherentes
la ganancia del conjunto vale cero -> el conjunto no es capaz de
diferenciar la señal del ruido.
• Si la señal es coherente y el ruido es incoherente, la ganancia del
conjunto vale:
– Alcance de contradetección: distancia a la que puede ser
detectado un "ping sonar" emitido por un blanco. Lo usan sobre
todo los submarinos.
• Se calcula como el alcance de detección pero
NF <-> Nivel de potencia de salida del emisor sonar.
OTROS INSTRUMENTOS
• Batitermógrafo (BT).
• Batitermógrafo no
recuperable (XBT)
• Baticelerímetros (BV).
Historia
• Ver en la web.
Aplicaciones
• Aplicaciones de tipo militar e industrial.
– Los sondeos submarinos que permiten la detección de los buques
sumergidos y otros objetos.
(Como consecuencia de la desaparición del Titanic, Richardson propuso en 1912 descubrir la
presencia de icebergs en el mar por medio de un emisor de ultrasonidos).
– Detección de bancos de pesca.
– Detección de submarinos, sobre todo con aplicaciones bélicas.
– Determinar la profundidad del mar mediante el registro sonoro
del eco.
– Transmisión de información de barco a barco, y en particular a
submarinos.
APLICACIONES (II)
• Los animales
(ballenas)
– Ecolocación (sonar
biológico)
– Vocalizaciones (canto)
APLICACIONES (III)
• Medición del calentamiento del planeta
– El tiempo que una onda sonora tarda en recorrer el espacio
comprendido entre dos puntos es un indicador de la temperatura
media del espacio recorrido.
APLICACIONES (IV)
• Oceanografía
– Ecosondas
• Permiten conocer la profundidad del mar.
Se basan en la medida del tiempo que
tarda una onda acústica en recorrer la
distancia existente entre el punto de
partida y el fondo del mar donde se
refleja, y su retorno al punto de partida.
• La emisión y recepción acústica se realiza
generalmente a través del mismo
transductor que convierte las variaciones
mecánicas en pulsos eléctricos y
viceversa.
• Sondas multihaz.
APLICACIONES (V)
– Sonares de barrido lateral
• Transductores que emiten
pulsos de altas frecuencias
(10 a 500 kHz)
• Las imagen del fondo
marino se dibuja en tonos
de grises en función de la
reflectividad del fondo, y
en dos coordenadas, rango
y distancia, a lo largo de la
trayectoria seguida por el
barco.
APLICACIONES (VI)
– Sísmica de reflexión
•
•
Sistemas en los que la recepción de los ondas reflejadas se efectúa sobre un soporte
continuo en sentido transversal, en cuyo extremo se localiza el cero de la emisión
Como el buque va navegando siguiendo una trayectoria establecida, el resultado es
un gráfico, donde se representa la disposición de fondo del mar y de los diferentes
reflectores a modo de líneas.
APLICACIONES (VII)
• Contaminación
– Los cetáceos utilizan el sonido
para navegar, encontrar a sus
presas, evadir predadores y
localizarse a grandes distancias
con el objetivo de reproducirse
y criar. Cualquier tipo de
contaminación acústica que
disminuya las habilidades para
escuchar señales auditivas,
pone en riesgo la habilidad de
los cetáceos para realizar sus
actividades normalmente.
AUDIO
• Algunas demostraciones de sonidos registrados por un
sonar :
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Submarino en inmersión
Submarino en snorkel
Ping sonar de sonoboya
Buque de guerra de turbina
Buque de guerra diesel
Mercante máquina alternativa
Mercante diesel
Embarcación ligera
Delfín
Orcas
Bibliografía
• Bibliografía
–
–
–
–
M. Recuero: Ingeniería acústica, Ed. Paraninfo, Madrid, 2000
"Curso de Acústica Submarina". Carlos Ranz.
"Principles of Underwater Sound". R.J. Urick. 1975.
"II Sonar System Technology". A.K. Winder. 1975.
• Enlaces
– webs.ono.com/usr047/luiscandelas
www.geocities.com/yakov_perelman/FisicaRecreativa_I/capitulo1
0.html#cinco
www7.nationalacademies.org/spanishbeyonddiscovery/ear_007522
-03.html
www.csic.es/mostrar/instalaciones/area5/ia2/hidro1.htm#introducci
on
www.ia.csic.es/Ambiental/Hidroacustica/sonar.htm
Autores
• Ángela Mediavilla Trabada
• Pedro C. López Casado
io5