AC

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ACÚSTICA SUBACUÁTICA
2003-2004 ETSIT UVA

• INGENIERÍA DE ONDAS

ÁNGELA MEDIAVILLA TRABADA PEDRO C. LÓPEZ CASADO
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ÍNDICE

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

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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.

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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)

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SONIDO Y MAR (I)

• Velocidad del sonido en el mar
• Traza baticelerimétrica
• Capa superficial o de mezcla
• Termoclina estacional
• Termoclina permanente
• Isoterma profunda

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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

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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.

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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.

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SONIDO Y MAR (IV)

• Zonas con gradiente de celeridad
• negativo
• Zonas con gradiente de celeridad
• positivo
• Canal de capa de mezcla superficial

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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.

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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.

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RUIDO (I)

• Definiciones
• Ruido (definición relativa)
• Interferencia
• Nivel de ruido (dB)
• Relación señal a ruido
• Ruido ambiente o de fondo

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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

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RUIDO (III)

• Clasificación del ruido
• Ruido propio
• Ruido radiado
• Ruido de maquinaria
• Ruido de hélices
• Cavitación
• Canto
• Batido

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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.
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RUIDO (V)

• Reducción del ruido

• Principales fuentes

Resonancias y efectos.
Reducciones y engranajes.
Instalaciones auxiliares.
Máquinas eléctricas.
Planta propulsora.
Línea de ejes. (En especial la cavitación)
Ruidos hidrodinámicos.
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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.

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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

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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.

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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

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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

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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.

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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.

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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 .

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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EL SONAR(XI)

• Alcance(II)
• Ecuación del sonar pasivo
• Influye la decisión de un operador -gtumbral 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.

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EL SONAR(XII)

• Alcance(III)
• Si usamos un array de transductores, SNR 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 -gt 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 lt-gt Nivel de potencia de salida del emisor
  sonar.

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OTROS INSTRUMENTOS

• Batitermógrafo (BT).
• Batitermógrafo no recuperable (XBT)
• Baticelerímetros (BV).

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Historia

• Ver en la web.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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/luiscandelaswww.geocities.com
  /yakov_perelman/FisicaRecreativa_I/capitulo10.html
  cincowww7.nationalacademies.org/spanishbeyonddis
  covery/ear_007522-03.htmlwww.csic.es/mostrar/inst
  alaciones/area5/ia2/hidro1.htmintroduccionwww.ia
  .csic.es/Ambiental/Hidroacustica/sonar.htm

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Autores

• Ángela Mediavilla Trabada
• Pedro C. López Casado
• io5