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ACÚSTICA SUBACUÁTICA INGENIERÍA DE ONDAS 2003-2004 ETSIT UVA ÁNGELA MEDIAVILLA TRABADA PEDRO C. LÓPEZ CASADO.

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1 ACÚSTICA SUBACUÁTICA INGENIERÍA DE ONDAS ETSIT UVA ÁNGELA MEDIAVILLA TRABADA PEDRO C. LÓPEZ CASADO

2 ÍNDICE Introducción Sonido y mar Ruido Transductores El Sonar Otros instrumentos Historia Aplicaciones Audio Bibliografía Autores

3 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.

4 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)

5 SONIDO Y MAR (I) Velocidad del sonido en el mar –Traza baticelerimétrica Capa superficial o de mezcla Termoclina estacional Termoclina permanente Isoterma profunda

6 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

7 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.

8 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.

9 SONIDO Y MAR (IV) Zonas con gradiente de celeridad negativo: Zonas con gradiente de celeridad positivo: Canal de capa de mezcla superficial:

10 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.

11 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.

12 RUIDO (I) Definiciones –Ruido (definición relativa) –Interferencia –Nivel de ruido (dB) –Relación señal a ruido –Ruido ambiente o de fondo

13 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

14 RUIDO (III) Clasificación del ruido –Ruido propio –Ruido radiado Ruido de maquinaria Ruido de hélices –Cavitación –Canto –Batido

15 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.

16 RUIDO (V) Reducción del ruido – Principales fuentes: Ruidos hidrodinámicos. Reducciones y engranajes. Instalaciones auxiliares. Planta propulsora. Resonancias y efectos. Máquinas eléctricas. Línea de ejes. (En especial la cavitación)

17 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.

18 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

19 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.

20 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:

21 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 de reverberación. –Los transductores deberán girar en torno a su eje vertical y ser orientable en diferentes plano para obtener diferentes diagramas llamados de directividad. –Los transductores usados en acústica submarina trabajan en un margen de frecuencia muy grande, aproximadamente 0'1Hz - 200KHz, lo que requiere de 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

22 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.

23 EL SONAR(II) Tipos de Sonar –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.

24 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.

25 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.

26 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.

27 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.

28 EL SONAR(VII) Funcionamiento –Análisis de banda ancha Es el análisis realizado con sonar pasivo en toda la banda de frecuencias de escucha del transductor. Este rango depende del modelo y de la aplicación considerada. 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. El 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 y permiten obtener gráficos de tiempo-dirección a partir de los cuales se puede obtener la dirección, velocidad y distancia del contacto (proceso asistido por ordenador).

29 EL SONAR(VIII) Funcionamiento –Análisis de banda estrecha Se conoce como banda estrecha a un ancho de banda menor del 1% de la frecuencia que se considera. La técnica de análisis espectral en banda estrecha aumenta los alcances de detección porque consigue mejor relación señal/ruido y permite obtener información del contacto que el oído humano es incapaz de discernir. 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.

30 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.

31 EL SONAR(X) Alcance –Ecuación del sonar activo: –A su vez está relacionado con el alcance: Limitada por el ruido de fondo, NRF: Limitada por la reverberación, NRV:

32 EL SONAR(XI) Alcance(II) –Ecuación del sonar pasivo : –Para la detección de la señal, aparece también la decisión de un operador, que decidirá si la señal está presente o no. Por eso se establece un criterio de relación señal ruido mínima que constituye el umbral de detección como: –Para el cálculo de la distancia se suele usar la figura de mérito (FOM), en dB que es la máxima pérdida que sufre la señal al propagarse y que puede ser aún detectable la mitad de las veces. –Cuando los ruidos de fondo no están referidos al ancho de banda espectral, se debe convertir el ancho de banda al espectral: –Para el cálculo del alcance del sonar se usan programas informáticos que representa la trayectoria de propagación, la distancia a la que es posible detectar un contacto según el nivel de pérdidas que haya.

33 EL SONAR(XII) Alcance(III) –Para obtener un alcance aproximada se traza una línea paralela al eje de abscisas por el nivel de la FOM calculada con la ecuación de sonar para el blanco concreto. Los puntos de corte de esa línea con las curvas de pérdidas permiten obtener el alcance aproximado. –Si en vez de utilizar un transductor aislado se usa un array de transductores, aumenta la relación señal ruido y la ganancia conseguida es: –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, es decir, 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: donde N es el número de elementos del array. –También se habla del alcance de contradetección como la distancia a la que puede ser detectado un "ping sonar" emitido por un blanco. Lo usan sobre todo los submarinos. La señal de ping es más fácilmente detectable por ser un tono, lo que la destaca del ruido de fondo. Se calcula como el alcance de detección pero NF Nivel de potencia de salida del emisor sonar.

34 OTROS INSTRUMENTOS Batitermógrafo (BT). Batitermógrafo no recuperable (XBT) Baticelerímetros (BV).

35 Historia Ver en la web.

36 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. Los animales usan las características de la propagación del sonido para orientarse o incluso comunicarse bajo el agua. 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. Oceanografía: –Ecosondas. –Sonar de barrido lateral. –Sísmica de reflexión. El Sonar también produce CONTAMINACIÓN: los niveles de ruido podrían tener efectos desastrosos para las ballenas que se encuentren en el área.

37 APLICACIONES (II) Los animales (ballenas) –Ecolocación (sonar biológico) –Vocalizaciones (canto)

38 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.

39 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.

40 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.

41 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.

42 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.

43 AUDIO Algunas demostraciones de sonidos registrados por un sonar : –Submarino en inmersiónSubmarino en inmersión –Submarino en snorkelSubmarino en snorkel –Ping sonar de sonoboyaPing sonar de sonoboya –Buque de guerra de turbinaBuque de guerra de turbina –Buque de guerra dieselBuque de guerra diesel –Mercante máquina alternativaMercante máquina alternativa –Mercante dieselMercante diesel –Embarcación ligeraEmbarcación ligera –DelfínDelfín –OrcasOrcas

44 Bibliografía –M. Recuero: Ingeniería acústica, Ed. Paraninfo, Madrid, 2000 –"Curso de Acústica Submarina". Carlos Ranz. –"Principles of Underwater Sound". R.J. Urick –"II Sonar System Technology". A.K. Winder Enlaces –webs.ono.com/usr047/luiscandelas 0.html#cinco www7.nationalacademies.org/spanishbeyonddiscovery/ear_ html on 0.html#cinco www7.nationalacademies.org/spanishbeyonddiscovery/ear_ html on

45 Autores Ángela Mediavilla Trabada Pedro C. López Casado io5


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