Diapositiva 1

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREALFacultad de Oceanografa, Pesquera y Ciencias Alimentarias

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

Captulo 3

Transmisin del sonido en el agua de mar

Ing. CIP Mariano Gutirrez Torero

Principios esenciales de AcsticaAltapresinBajapresinPropagacin de la ondaFrentes de ondaslLongitud de onda

Ondas sonorasPerturbacin mecnica que se propaga en un medioParlantemicrfono = transductor(transforma la electricidad en sonido y viceversa)ObjetoPulso transmitidoEcoDemora del eco (T)

Espacio = Velocidad / Tiempo (T)

Espacio = 1,500 m/seg / T segEco = (retro)dispersin o rebote del sonidoSi se conoce la velocidad del sonido se puede conocer la distancia entre el parlante y el objeto que provoc la retrodispersin (es decir, que el sonido vuelva hacia atrs, hacia la fuente que lo origin)Onda incidenteOnda reflejada( dispersada)Objeto grandePrimera forma de dispersin : geomtricaLa magnitud del eco resultante depende del rea ofrecida por el objeto si la longitud de onda es pequea comparada con el objetoOnda incidenteLuego el sonido se dispersaSegunda forma de dispersin : RayleighLa magnitud del eco depende del volumen del objeto si ste es pequeo comparado con la longitud de ondaObjeto pequeoEl sonido que se propaga en realidad es un volumenConocemos como volumen a la cantidad de electricidad que amplifica el sonido que escuchamos. En realidad ese concepto se refiere a la potencia. El volumen en cambio es el espacio insonificado por el sonido, el cual es ms amplio en tanto la distancia a la fuente sea ms lejana.El sonido se propaga en pulsos, y en cada momento el volumen que se propaga en un medio tiene aproximadamente la forma de un cono truncado.Frecuencias y alcances del sonido en el aguaEsta es una aproximacin relativa, pues la potencia tambin determinar el alcance aunque es intil aumentar desproporcionadamente la potencia

12 cm8.3 cm5.5 cm4 cm3 cm2 cm1.2 cm0.75 cmFrecuencia (kHz)Alcance mximo (m)Volumen muestreado tpico (m3)distancia mxima a la cual pueden distinguirse objetos dentro del ruidoFrecuencia, volumen y potencia determinan el tipo de dispersin106

104

102

1.0

10-2

10-4

10-6

10-810,000

1,000

100

10

11 10 100 1,000 10,000PlanctonPecesCardmenesSistemas Sonar (S.S.)Sistemas Sonar : (Sound, Navigation and Ranging) Activos o pasivos construidos, para detectar cuerpos u objetos sumergidos.Dos tipos bsicos Ecosonda, que transmite solo verticalmente Sonar, que transmite en cualquier direccin bajo el aguaECOSONDASONARDIAGRAMABSICODISPLAYEMISORRECEPTORTRANSDUCTORElementos de un ecograma

Lnea de superficiePlancton de lazona epipelgicaLneas imaginariasde divisincardmenesFondo marinoDoble fondoFondo blandoEscala logartmicade coloresEcosondaSonarSonar multihaz

Bibliografa recomendada

Anderson, J. (Ed.). 2007. Acoustic seabed classification of marine physical and biological landscapes. ICES Cooperative Research Report No. 286. 191 pp.Clay, C.S.., and Medwin H. 1977. Acoustical oceanography: principles and applications. wiley, 544 pp.Dalen J. 2000. Terminology in Fisheries Acoustics. FAST-ICES WG; Haarlem, 10-14 april 2000.Foote, K.G. 1983. Linearity in fisheries acoustics, with addition theorems. J. Acoust. Soc. Am. 73(6): 1932-1940.Foote, K.G. 1983. Maintaining precision calibrations with optimal copper spheres. Jour. Acoust. Soc. Am.Foote, K.G., Knudsen, H.P., Vestnes, G., MacLennan, D.N., and Simmonds, E.J. 1987. Calibration of acoustic instruments for fish density estimation: a practical guide. ICES Cooperative Research Report No., 144, 57 pp.Gerlotto, F., Soria, M., and Fron, P. 1999. From two dimensions to three: the use of multibeam sonar for a new approach in fisheries acoustics. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 56: 612.ICES. 1999. Methodology for Target Strength Measurements (with special reference to in situ techniques for fish and micronekton). ICES Cooperative Research Report No., 144 N235, 59pp.Makris, N. S., Ratilal, P., Symonds, D., Jagannathan, S., Lee, S., and Nero, R. 2006. Fish population and behavior revealed by instantaneous continental-shelf-scale imaging. Science, 311: 660663.Medwin H. And Clay C.S. 1998. Fundamentals of Acoustical Oceanography. Academic Press.Mitson, R. B. (Ed). 1995. Underwater noise of research vessels: review and recommendations. ICES Cooperative Research Report No. 209. 60 pp.Ona, E., and Mitson, R. B. 1996. Acoustic sampling and signal processing near the seabed: the deadzone revisited. ICES Journal of Marine Science, 53: 677690.Simmonds, J., and MacLennan, D. 2005. Fisheries acoustics, theory and practice. Second Edition. Blackwell Publishing, Oxford. 437 pp.Simmonds, J., Williamson, N. J., Gerlotto, F., and Aglen, A. 1992. Acoustic survey design and analysis procedure: a comprehensive review of current practice. ICES Cooperative Research Report No. 87. 127 pp.Urick, R.J. 1983. Principles of underwater sound for engineers. 3rd edition. MacGraw-Hill, NY, 384 pp.

Evolucin de la Acstica Submarina

Leonardo Da Vinci descubri en 1490 que poda oir ruidos de barcos a gran distancia colocando el otro extremo de un tubo en el agua. En 1827 Calladom y Sturn midieron la velocidad de propagacin del sonido en el agua al hacer estallar una carga de explosivos en el aire y cronometrar el tiempo de arribo del sonido en un punto lejano, tanto en el aire como en el agua. Langevin invent el transductor piezoelctrico en 1917 durante la primera guerra mundial. Se descubri que se poda detectar submarinos escuchando los ecos que stos producan. El trmino ecosondeo fue creado en la dcada de 1920 para describir la tcnica de medir distancias al fondo marino al medir el tiempo de demora del sonido en ir y volver. En 1927 Rallier du Baty descubri la razn por la que detectaba ecos que provenan de la capa intermedia entre la superficie y el fondo: cardmenes de peces.Ronnie Balls utiliz por primera vez una ecosonda independiente en un barco en 1933. Los primeros ecogramas en papel fueron creados en 1935 por Wood et al. La segunda guerra mundial trajo muchos desarrollos acsticos, incluyendo el sonar, un equipo de bsqueda. Por ejemplo el ASDIC (Anti Submarine Detection Investigation Committee) o odo subamarino, que funcionaba en base a un tubo de rayos catdicos. Ingvar Hoff cre el ecointegrador en 1959. Scherbino y Truskanov introdujeron mejoras sustanciales en el mtodo en 1966. Durante los aos 80s y 90s se crearon las bases metodolgicas para medir la reflectividad y la ejecucin de calibraciones precisas.2.1. Transductores Dispositivos para convertir una forma de energa en otra (un micrfono, un foco de luz etc) Entre los que convierten la energa elctrica en mecnica (sonido) los hay piezoelctricos (placas de niquel o cobre) y magneto-estrictivos (cuarzo montado entre elecrtroimanes)TransductorHaz acsticoTransmisorelectricidad

2.2. Haz acstico y lbulos laterales El haz acstico de un transductor es el producto de la vibracin de todas las placas o elementos de cuarzo que lo componen. La energa acstica se propaga tridimensionalmente en pulsos volumtricos. El haz acstico tiene lbulos laterales (es decir, otros haces ms pequeos) con los que tambin se detectan peces, lo que introduce un problema porque la energa de estos es relativamente impredecible. El problema se anula al haberse introducido los conceptos de haz equivalente en dos vas y el patrn de directividad.

2.3. Ecograma de ecosondaLos ecogramas de ecosonda son matrices de dos dimensiones.Cada pulso emitido es unidimensional.La segunda dimensin se obtiene con la transmisin sucesiva de pulsos.

2.4. Ecograma de ecosondaLa ecosonda determina la energa de cada eco (pez, plancton, fondo marino etc) calculando el nivel sonoro que habra tenido de haber estado localizado en el eje acstico. Un ecograma es en realidad una matriz de datos.

Eje acstico

2.5. Ecograma de sonarLos ecogramas de sonar tienen dos dimensiones. Es posible construir una tercera dimensin.

2.6. Ecograma de sonarPor razones prcticas el sonar tiene que dar una imagen contnua, de all que la resolucin es alta a cortas distancias, pero disminuye con la distancia. El volumen representado por cada voxel se incrementa con la distancia.2.7. La unidad decibelEs un estndar internacional el expresar las mediciones de sonido en decibeles (dB).

NdB = 10 log (R1 / R2)

Para qu ?

Porque en acstica las relaciones entre dos cantidades pueden ser muy pequeas o muy grandes, de all que es poco prctico utilizar sus magnitudes originales. Ejemplo:

N = R1 / R2 ; R1 = 1 ; R2 = 1,000 = 1 / 1000,000 = 0.000001

Pero..

Ndb = 10 x log (N) = -60 dB

Tambin.

2 x N = 2 x 0.000001 = 0.000002

2.Ndb = 10 x log (2 x N) = -57 dB NdB/2 = 10 x log (N / 2) = -63 dB

Siempre hay una diferencia de 3 dB cuando se duplican o dividen entre dos las cantidades.2.8. ngulo slidoLos haces acsticos emitidos por los Sistemas Sonar estn inscritos en una esfera.El volmen de agua insonificada se incrementa con la distancia, por ello se necesita conocer el ngulo slido del haz o cono acstico.RT = c . t / 2R = distancia del transductor al extremo del haz.c = velocidad del sonido (m/s)t = duracin del pulso (miliseg.)T = largo del haz (m)Por analoga con la ecuacin del rea de una esfera: es el ngulo plano del haz (es especfico para cada transductor) , y es el ngulo slido que le corresponde.

= 2 [1 Cos (/2)] = 10.log()

Volumen de muestreoVm del pulso acstico:

Vm = R. .T2.9. Rango dinmico y patrn de directividad Rango Dinmico (RD) es la medida de la capacidad de un Sistema Sonar para procesar informacin.

RD = 10.log(energa emitida / energa recibida)

En una ecosonda cientfica RD = 140 dB, lo que equivale a 1x10E14 veces el eco ms dbil respecto al ms fuerte que el equipo puede detectar.

El patrn de directividad (b) es el valor por el cual se multiplican todos los ecos que no estn en el eje de manera de restituirles la energa que seran capaces de reflejar si estuvieran en esa ubicacin.

b nunca es menor a la unidad (1).

Algunos transductores poseen haces acsticos ovalados (como en los transductores tipo split beam). En estos la funcin de directividad (b) es ms compleja, ya que depende de la ubicacin de los cardmenes u otros objetos respecto al transductor.

Eje acstico

Formacin del haz(beamforming)2.10. Seal digital y anlogaLa transmisin de sonido es siempre mecnica.La emisin/recepcin de sonido puede ser efectuada por medios analgicos o digitales.El procesamiento analgico se refiere al tipo de circuitos diseados para cumplir procesos matemticos constantes.El procesamiento digital transfiere todos los clculos a una computadora que forma parte del sistema.El sistema digital es mucho ms preciso.AmplitudTiempoEmisin digitalEmisin anlogaPerodo de emisinPerodo de escucha2.11. OndasLa cara radiante del transductor vibra de manera alternada produciendo sonido.Emisin de sonido implica el desplazamiento de una perturbacin, no un traslado de masaEl sonido se propaga en el agua a una velocidad promedio de 1,500 m/seg.Amplitud (A)Longitudde onda ()Ecuacin de onda: Y = A.Cos (kx wt) = velocidad / frecuenciaFrecuencia (f) es el nmero de ondas que se producen por unidad de tiempo (segundo)Momento angular k = 2 / Velocidad angular w = 2 f2.12. Intensidad sonoraLa vibracin mecnica que da origen al sonido se produce cuando una fuerza F acta sobre una superficie dada de manera alternada u ondulatoria.Al nivel que alcanza una oscilacin se le denomina intensidad (I).I = P2 / z (watts/m2)P es presin o Fuerza / Area (N/m2)z es impedancia o resistencia a la perturbacin.Z = velocidad x densidad (rayls)

I = Potencia2 / Area (del transductor)

La ecuacin de la velocidad del sonido es (segn MacKenzie):c = 1,449.2 + 4.6T 0.055T + 0.00029T + (1.34 0.01T)(S 35) + 0.016R

T es temperatura (C)S es salinidad (ups)R es profundidad2.13. Potencia PrmsEs el cuadrado del promedio de la raiz cuadrada de las fluctuaciones de intensidad de una onda (root main squared)

I = P2 / zPrms = Potencia / (2*raiz(2))z = impedancia = densidad x velocidad de transmisinI = (Prms)2 / z

2.14. InterferenciaCuando dos o ms conjuntos de ondas tienen similar longitud y amplitud de onda, y adems se hallan en oposicin se produce una interferencia completa.La interferencia es la atenuacin o anulacin de la onda que propaga la perturbacin mecnica.Tres casos bsicos:Tren de ondasHidrfonosInterferenciapositivaTren de ondasHidrfonosInterferencianegativaTren de ondasHidrfonosSin efecto2.15. Espectro sonoroLos sonidos son audibles dependiendo de la frecuencia.Las leyes que se aplican a la propagacin del sonido son esencialmente las mismas que rigen para la propagacin de todo tipo de ondas (elctricas, electromagnticas).Cuanto mayor es la frecuencia, mayor la absorcin provocada en el medio en que se propaga la onda.Recprocamente, cuanto menor la frecuencia menor es la energa que se pierde.Cuanto mayor la frecuencia, menor el alcance de la onda. Una mayor potencia no incrementa el alcance en la misma proporcin.En tanto menor sea la frecuencia, mayor ser el alcance (distancia) que se puede lograr.

Ejemplo: las radios de FM (Frrecuencia Modulada) son las que tienen mayor fidelidad (longitud de onda muy pequea, la que transporta mucha informacin). Sin embargo tienen poco alcance (