ACSTICA SUBACUTICA

Introduccin

En este trabajo se pretende tener una idea de los principios de la acstica subacutica, donde no slo se tratarn los ultrasonidos, sino que tambin se ver el comportamiento genrico de las ondas acsticas bajo el agua, luego veremos las ecuaciones del SONAR, pasaremos a ver algunas de las caractersticas del sonar natural de los delfines, despus pasaremos a evaluar los efectos negativos del SONAR artificial sobre los animales y por ltimo veremos niveles de ruido tpicos para las distintas fuentes acsticas dentro del agua.

Principios de la acstica subacutica

Velocidad del sonido en el agua

Las frmulas de la velocidad del sonido que se consiguen en el agua se obtienen empricamente a partir de medidas experimentales cuando cambias en el agua parmetros como la presin, la temperatura, la profundidad

La velocidad del sonido en el agua destilada depende de la presin y de la temperatura y se halla a partir de esta frmula:

c(T,P) = 1402,7 + 4,88T 0,0482T2 + (15,9 + 0,028T + 0,00024T2)(P/100)

Donde:

c = Velocidad de propagacin del sonido en el agua (m/s)T = Temperatura en grados Celsius (C) P = Presin en bares (bar)

Recuerda: 1 bar = 100000 Pa (Pascales) 1 Pa = 1 N/m2 N = Newton (unidad de fuerza) m2 = metro cuadrado (unidad de superficie)

En cambio, la velocidad del sonido en el agua de mar es distinta a la del agua destilada debido a que tambin hay que tener en cuenta la salinidad del agua (aparte de la temperatura y la presin).

La velocidad del sonido del agua de mar se calcula de forma aproximada con esta frmula:

c(z,S,t) = 1449,05 + 45,7t 5,21t2 + 0,23t3 ++ (1,333 0,126t + 0,0009t2)(S - 35) + z (3,4)

z 16,3z + 0,18z2 (3)

Donde :

c = Velocidad de progacin del sonido en el agua del mar (m/s).t = T/10, donde T es la temperatura en grados Celsius o centgrados (C).z = Profundidad en Km.S = Salinidad del agua expresada en tantos por mil ().

Esta frmula de la velocidad del sonido es correcta para una latitud de 45.

Para otras latitudes, z debe reemplazarse por:

z = (1 0,0026cos)

Donde es la latitud expresada en grados.

Esta frmula ms o menos es vlida cuando se aplica a una profundidad de 4 km en aguas ocenicas, excluyendo el mar Negro, mar Rojo, mar Mediterrneo y el Golfo Prsico. Si se quiere una frmula de propagacin del sonido ms exacta que valga para casos ms generales, debes coger una z ms exacta:

z = (16,23 0,253t)z + (0,213 0,1)z2 ++ [0,016 + 0,0002(S 35)](S - 35)z (4)

As, con este z, la frmula es vlida sobre todas las aguas ocenicas hasta una profundidad de 4 km. Se debe aplicar la misma correccin por latitud.

La velocidad del sonido en la superficie del agua de mar con una salinidad de 35 es de 1449 m/s a 0 C en contraste con 1403 m/s para agua fresca bajo las mismas condiciones de presin y temperatura.

En muchos clculos es frecuentemente adecuado usar una velocidad nominal de 1500 m/s, que es la tpica en aguas superficiales de latitudes medias. A esta velocidad nominal est asociada la impedancia caracterstica 0c = 1,54 . 106 Pa.s/m.

Recuerda:

0 = Densidad volumtrica del agua en reposo = 1026,67 Kg/m3c = Velocidad del sonido en el agua = 1500 m/s (en el caso ms habitual si no te dicen nada).

Prdida sonora por transmisin

La prdida sonora por transmisin se define como:

PT = 20 log10(P(1)/P(r))

Donde P(r) y P(1) son las amplitudes de la presin acstica medidas a las distancias horizontales de r y 1 m de la fuente sonora respectivamente.Por ejemplo, la amplitud de una onda sonora esfrica amortiguada es:

P(r) = (A/r)e-(r-1)

Donde es el coeficiente de absorcin en nepers/metro. Tomando logaritmos en ambos lados:

20log10(P(r)) = 20log10(P(1)) 20log10(r) a(r - 1) (1)

Donde a =8,7 es el coeficiente de absorcin en dB/m. Ya que para todas las frecuencias de inters a > a).

Si el sonido est atrapado entre dos superficies perfectamente reflectantes, la prdida por transmisin es:

PT = 10log10(r) + ar

sta es la difusin cilndrica con absorcin.

Las prdidas por transmisin se dividen en dos partes:

PT = PT (geom) + PT (absorc)

Donde PT(geom) representa la prdida por consideraciones geomtricas (divergencia esfrica del sonido en el agua) y PT (absorc) representa la prdida debida a la absorcin, dispersin y otros efectos no geomtricos. Si nos fijamos en las ecuaciones anteriores de prdidas de transmisin, PT (geom) = 20log10(r) 10 log10(r) y PT(absorc) = ar.

El coeficiente de absorcin a en agua de mar, a una presin de 1 atmsfera y una temperatura de 5 C, a = 0,00006dB/m a 1 KHz, 0,0008 dB/m y 0,013 dB/m a 50 KHz.

El prrafo anterior nos da idea de que a bajas frecuencias, las prdidas de transmisin se deben fundamentalmente a la propagacin esfrica de la onda, mientras que las prdidas por absorcin son despreciables, por otra parte, a medida que aumentamos la frecuencia, las prdidas por transmisin debidas a la absorcin son ms importantes, hasta que a altas frecuencias, las prdidas por transmisin que importan son las debidas a la absorcin siendo las prdidas de transmisin debidas a causas geomtricas despreciables.

Cuando se hacen medidas de prdidas por transmisin en el ocano, se observa que a menudo se desvan de las predicas por la ecuacin (2) de la pgina anterior. Los factores que intervienen en esto incluyen: 1) efectos geomtricos debidos a la convergencia o divergencia causada por la refraccin o interferencia constructiva o destructiva asociada con la propagacin en mltiples superficies incluyendo reflexiones de la superficie y del fondo del ocano; y 2) atenuacin aumentada por la difraccin y dispersin causada por inhomogeneidades del agua. Aunque en condiciones idealizadas es posible conseguir estas ecuaciones y calcular valores precisos para la prdida por transmisin asociada con cada uno de estos factores, los ocanos son tan complicados que por lo comn se utilizan ya sea modelos analticos simples o bien modelos complicados por ordenador para calcular la prdida por transmisin en cualquier situacin real.

Aun cuando muchos factores limitan la capacidad de transmitir el sonido a travs del agua, debe notarse que el sonido es inmensamente superior a las ondas electromagnticas para transmitir energa a travs del agua del mar. Por ejemplo, las ondas de radio de ms baja frecuencia comercial (30 KHz) se atenan 1 dB por cada 0,3 m y las frecuencias ms altas se atenan an ms rpidamente. De igual manera, la difusin y la dispersin de un rayo de luz que pasa a travs del agua es tan grande que el medio es, para todo propsito prctico, opaco a profundidades mayores de 200 m y los rayos (gamma) ms penetrantes se reducen a 1 dB por cada 1,5 cm de trayectoria. En comparacin con otros medios disponibles, el uso de ondas sonoras para transmitir energa a travs del agua de mar es superior, y slo se degrada cuando se contrasta con la transmisin de ondas electromagnticas en el aire.

Refraccin

La propagacin esfrica del sonido en el ocano es la refraccin resultante de las variaciones espaciales de la velocidad del sonido. Los factores que influyen en la velocidad del sonido en el agua son la temperatura, salinidad y profundidad. Las variaciones de la salinidad son importantes cerca de las bocas de grandes ros, donde grandes cantidades de agua dulce van hacia el mar, en los bordes de las grandes corrientes ocenicas y en el agua cercana de la superficie, donde la lluvia, el hielo y la evaporacin tienen mximos efectos. Las variaciones de la velocidad del sonido con la profundidad son bastante pequeas; por ejemplo, el cambio sobre una profundidad de 100 m causado nicamente por el cambio de presin hidrosttica es aproximadamente de 0,1 %. Mientras que las variaciones de velocidad debidas a cambios en la temperatura son bastante grandes y estn sujetos a grandes fluctuaciones, especialmente cerca de la superficie. Diferencias de ms de 5 C son comunes en los primeros 100 m del ocano, y el cambio en la velocidad por la temperatura es del orden de 0,2 % por grado centgrado para temperaturas en los alrededores de 15 C.

Como la temperatura y la salinidad dependen de la profundidad, se puede calcular la velocidad del sonido a partir de las ecuaciones (3) (4) si quieres ser ms preciso. (Estas ecuaciones estn en el apartado de la velocidad del sonido en el agua, pginas 1 y 2). De forma alternativa, se puede

medir la velocidad del sonido en funcin de la posicin. En este dibujo se ve la variacin de la velocidad del sonido segn la profundidad:

En el eje y se ve la profundidad del mar en pies (1 pie 0,305 m). En la grfica la coma indica millares, no valores decimales. Y en el eje x, est la velocidad del sonido en pies/s.

Un detalle importante que se puede ver en la grfica es que en todas las latitudes, excepto en las ms altas, hay un mnimo en la velocidad de propagacin del sonido, en los trpicos, debido al calor, este mnimo tiende a estar en las profundidades. A medida que nos movemos hacia latitudes mayores, ese mnimo se eleva (algunas veces hasta la superficie ocenica en las regiones polares). La profundidad a la que ocurre este mnimo se llama eje del canal sonoro profundo (segn la grfica, ese mnimo ocurre a algo menos de 3000 pies de profundidad, eso son a unos 1000 m de profundidad). Por debajo de este eje, la velocidad del sonido aumenta. A grandes profundidades, se encuentra la capa isotrmica (deep isothermal layer en la grfica) donde la temperatura permanece constante entre los 1 y los 5 C, dependiendo del fondo del mar. En esta regin, el perfil sonoro se vuelve lineal con una variacin positiva de la velocidad (la velocidad aumenta con la profundidad de forma constante). Esa gradiente de velocidad tiene un valor aproximado de (0,017m/s)/m = 0,017s-1.

Por encima del canal sonoro profundo, se encuentra la termoclina principal (main thermocline en la grfica). Esta capa puede estar ausente en el rtico y posee una regin con gradientes negativos, responde ligeramente a los cambios de estacin, a lo que realmente es sensible esta capa ocenica es a los cambios de latitud. Por encima de la termoclina principal, tenemos la termoclina estacional (en la grfica seasonal thermocline) que tambin tiene un gradiente de velocidad negativo y pero vara de forma severa segn los cambios estacionales. Por ltimo, encima de todo, en la superficie ocenica tenemos la capa superficial (en la grfica surface layer). Esta capa depende en gran medida de las variaciones de las condiciones de la superficie de un da a otro, e incluso de una a otra hora. Si hay suficiente actividad, con respecto a olas superficiales para mezclar el agua cercana a la superficie, esta capa se convierte en la capa mezclada, que es isotrmica y tiene un gradiente positivo de velocidad del sonido aproximadamente de 0,016 s-1.

Si te fijas en la grfica de la pgina anterior, te das cuenta de que las variaciones reales de c son muy pequeas comparadas con su magnitud, la velocidad del sonido tiene una variacin mxima de 30 m/s (si echas cuentas y te dedicas a convertir los valores extremos de pies/s a m/s), que es aproximadamente el 2 % del valor nominal de 1500 m/s. Sin embargo, esa variacin tiene una enorme influencia en la propagacin del sonido en el ocano.

La trayectoria de un rayo a travs de un medio en el cual la velocidad del sonido vara con la profundidad, puede calcularse aplicando la ley de Snell. En el ocano, los rayos de mayor inters sern los horizontales, por lo cual es comn reescribir la ley de Snell como:

cos / c = 1/c0

Donde el ngulo es algo as:

= ngulo de depresin hecho con la horizontal a una profundidad en la que c es la velocidad del sonido.

c0 = Velocidad del sonido a una profundidad (real o extrapolada) en la que el rayo se volvera horizontal.

Los perfiles complicados como el del dibujo de la pgina 5 se simplifican, separndolos en segmentos lo suficientemente cortos como para que el gradiente sea constante sobre su longitud. La ventaja de esto es que la trayectoria de un rayo sonoro a travs de una capa de agua de gradiente de velocidad constante g, es un arco de crculo cuyo centro est a una profundidad donde la velocidad del sonido se extrapola a cero.

La trayectoria del rayo es en consecuencia un crculo cuando g es constante, y por eso, el radio de curvatura R es constante. El centro de curvatura del crculo yace a una profundidad donde = 90, que corresponde a

c = 0. Si el gradiente de velocidad es negativo, R es positivo y el rayo se curva hacia abajo. Si el gradiente de velocidad es positivo, R es negativo y el rayo de curvatura se curva hacia arriba.

Capa mezclada

La accin de las olas superficiales puede causar una mezcla de agua en la capa superficial, formando lo que se conoce como capa mezclada. El gradiente de velocidad positivo en esta capa mezclada atrapa el sonido cerca de la superficie. Una vez formada, la capa mezclada tiende a permanecer hasta la energa procedente del sol empieza a calentar la parte superior, haciendo decrecer el gradiente de velocidad. Este efecto de calentamiento culmina en un gradiente negativo, que lleva a una refraccin hacia abajo y la prdida de sonido en la capa. Como esto ocurre por lo general por la tarde, el efecto se conoce como efecto atardecer. Durante la noche, el enfriamiento de la superficie y la mezcla debida a las olas, permiten que se reestablezca la capa isotrmica. Es raro que se establezca un gradiente superior a 0,016 s-1, debido a que esto requiere que la temperatura aumente con la profundidad, una condicin dinmicamente inestable ya que, para salinidad constante, la densidad decrecera con la profundidad.

Cuando la capa mezclada est presente, el perfil sonoro cerca de la superficie puede modelarse con dos gradientes:

1) Por un lado con un gradiente positivo g1 que empieza en la superficie y acaba a una profundidad D, que es la profundidad a la cual la capa mezclada se acaba.

2) Por otro lado con otro gradiente g2 que va desde la profundidad D hasta el fondo. Ese gradiente es negativo.

A la profundidad D, el g1 = g2.

Aqu est la grfica de lo que se ha explicado en la pgina anterior:

En el eje x tienes la velocidad del sonido (c) que depende de la profundidad (z).

En el eje y tienes la profundidad z.

Resto de variables (g1, g2 y D) ya las he Explicado de la pgina anterior.

En el dibujo que pondr abajo muestra los rayos representativos de una fuente que se encuentra a una profundidad z0. La profundidad z0 est por encima de D, por lo que la fuente emite dentro de la capa mezclada.

De este dibujo slo se debe sacar en claro cmo se propaga el sonido en la capa mezclada (la capa mezclada comprende las profundidades entre 0 y D) donde se puede apreciar que la mayor parte del sonido est encerrado en la capa y se propaga a lo largo de ella.

Canal sonoro profundo (Deep Sound Chanel)

Todos los rayos que se originan cerca del canal sonoro profundo y que hacen ngulos pequeos con la horizontal, volvern al eje sin alcanzar la superficie ni el fondo, y permanecen atrapados dentro del canal sonoro

profundo o SOFAR (SOund Fixing And Ranging). En el dibujo de la pgina anterior se ve un dibujo donde se propaga una onda sonora que va oscilando alrededor del canal sonoro profundo (Deep Sound Chanel).

Una de las primeras aplicaciones del canal fue la localizacin de hombres por mtodos acsticos. Puesto que la absorcin de bajas frecuencias es bastante pequea, las componentes de bajas frecuencias del sonido de cargas explosivas detonadas en este canal se pueden propagar a distancias enormes; estas seales han sido recibidas a ms de 3000 Km de distancia. La recepcin de estas seales por hidrfonos muy separados permitan la localizacin exacta de la explosin. En la actualidad, el canal sonoro profundo se utiliza con el sonar pasivo como ayuda para vigilar actividades en reas ocenicas profundas.

Reflexin superficial

Cuando una fuente de sonido no direccional est en el ocano, en un punto dado pueden llegar ondas reflejadas tanto de la superficie como del fondo y combinarse con la onda directa. Dependiendo de las fases relativas, estas ondas pueden reforzarse o cancelarse parcialmente para producir una presin menor. En aguas profundas, cuando el receptor y la fuente estn en la superficie, las ondas reflejadas del fondo son relativamente dbiles a distancias cortas. En estas circunstancias puede considerarse que los fenmenos de interferencia observados surgen nicamente por la presencia de ondas reflejadas de la superficie y las ondas directas.

El Sonar

Introduccin

SONAR = SOund Navigation And Ranging = Rastreo y navegacin sonora.

En esta parte del trabajo veremos las aplicaciones del sonar, as como sus ecuaciones bsicas y los transductores empleados para su construccin.

Aplicaciones del sonar

La principal aplicacin del sonar es principalmente de uso militar, para la deteccin de barcos, submarinos y cargas explosivas (no slo detectarlos, sino tambin averiguar su posicin exacta). Tambin tiene otras aplicaciones como la deteccin de bancos de peces, deteccin de la distancia del fondo marino o la bsqueda de tesoros (barcos hundidos). Las frecuencias de emisin / recepcin de los sonar pueden ser muy variadas y entre otras frecuencias estn las de 30, 50 y 200 KHz, metindonos de lleno en el rango de frecuencias ultrasnicas.

Ecuaciones del sonar

La operacin crtica de este dispositivo, tenga la aplicacin que tenga es la deteccin de la seal acstica deseada en presencia de ruido. Si el nivel de la seal es el nivel de eco (NE) y nivel de ruido detectado (NRD), entonces la ecuacin del sonar es:

NE NRD + UD (5)

El umbral de deteccin (UD) es el valor por el cual el nivel de eco debe exceder el nivel de ruido detectado para dar una probabilidad del 50 % de deteccin para una probabilidad de falsa alarma dada.

En el procesamiento de seales, para sonidos subacuticos, se usa el ndice de deteccin d para especificar los umbrales de deteccin en lugar del ndice de detectabilidad d. Estos ndices estn relacionados de una manera simple:

d = (d)2

Sonar pasivo

A un sistema que escucha el ruido producido por el blanco se llama sistema de snar pasivo. (En este caso, el uso del trmino de nivel de eco no es apropiado, pero su uso es convencional) El sonido radiado por el blanco a un nivel de fuente NF experimenta una prdida de transmisin PT en su camino al receptor. El nivel de eco es entonces:

NE = NF PT (6)

Con un receptor altamente directivo, un sistema pasivo puede determinar la direccin de donde llega la seal.

El ruido de una gran variedad de fuentes compite con la seal recibida. Los ocanos estn llenos de fuentes de ruido como las olas que rompen, chasquidos de canoas y barcos que se combinan para producir un ruido ambiental de banda ancha. Adems, se produce ruido propio por la maquinaria en la plataforma de recepcin y por el movimiento del agua a su alrededor. El nivel combinado de estas fuentes da el nivel de ruido NR. Si el receptor es direccional, el nivel de ruido detectado es:

NRD = NR ID (7)

donde el ndice de directividad ID describe la habilidad del receptor para discriminar entre el ruido proveniente de otras direcciones distintas a la de la fuente.

Combinando las ecuaciones (5), (6) y (7) se consigue la ecuacin del snar pasivo:

NF PT NR ID + UD

Sonar activo

Para un sistema activo, la seal es un pulso de energa acstica que se origina en el transmisor con un nivel de fuente NF. Esta seal viaja despus al blanco, acumulando una prdida por transmisin en un solo sentido PT. En el blanco, una fraccin de la seal incidente, caracterizada por la intensidad del blanco IB, se refleja hacia la fuente y, sufriendo una segunda prdida por transmisin PT, llega al receptor. Para el caso monoesttico, la fuente y el receptor estn alineados en la misma direccin, por lo cual PT = PT y el nivel del eco es:

NE = NF 2PT + IB (8)

Al determinar el tiempo t entre la emisin de un pulso y el regreso del eco, puede encontrarse la distancia r al blanco, de tal forma que r = ct/2. Si el receptor es altamente direccional, tambin se puede determinar la localizacin del blanco.

El nivel de ruido detectado para un sistema activo, puede ser dominado por el ruido ambiente o por el ruido propio. Entonces, la combinacin de (5),(7) y (8) da la ecuacin para el sonar activo limitado por ruido en el caso monoesttico:

NF 2PT + IB NR ID + UD

Para el sonar activo hay una fuente adicional de enmascaramiento que no est presente en el sonar pasivo: la reverberacin. La reverberacin surge de la dispersin de la seal emitida por blancos indeseables, tales como peces, burbujas, as como la superficie del mar y del fondo. Para este caso, el nivel de ruido detectado es el nivel de reverberacin NRv:

NRD = NRv (9)

Al combinar (5), (8) y (9), se obtiene la ecuacin (en el caso monoesttico) para el sonar activo limitado por la reverberacin:

NF 2 PT + IB NRv + UD (20)

El que el sistema de sonar activo est dominado por el ruido o por la reverberacin, depende de la potencia acstica, del alcance y de la velocidad del blanco.

Las dos posibles situaciones se muestran en el siguiente dibujo:

El sonar activo limitado por ruido tiene un alcance mximo menor que el sonar activo limitado por reverberacin.

Generalmente, los sistemas de baja potencia estn limitados por el ruido, ya que el alcance mximo de deteccin se logra cuando el nivel de eco cae por debajo del nivel al cual puede extraerse el ruido (figura de la izquierda). El aumento de potencia acstica del sistema aumenta tanto el nivel de eco como el nivel de reverberacin a una distancia dada, pero generalmente la reverberacin disminuye al aumentar la distancia con menos rapidez que el nivel del eco. (Ver figura de la derecha). Si a medida que la distancia aumenta, el eco disminuye hasta que est enterrado en la reverberacin, se dice que el sistema est limitado por reverberacin.

Una estrategia usada frecuentemente para reducir el efecto de la reverberacin, es usar un filtro de incisin de banda estrecha que comprenda a la reverberacin. Si el blanco se mueve, la frecuencia del eco ser diferente del de la reverberacin, y se puede detectar ms fcilmente el blanco. Sin embargo, el filtro anterior tambin eliminar al eco si el blanco es estacionario con respecto al agua.

Consideraciones de ruido y de ancho de banda

De las ecuaciones del sonar es claro que el funcionamiento de ste puede mejorarse si se reduce el nivel de ruido detectado. Esto se puede lograr si se conoce el espectro de frecuencias del ruido ambiente y del blanco para seleccionar el ancho de banda del sistema de recepcin.

a) Ruido ambiente

La forma espectral del nivel espectral de ruido NER ambiente en el ocano abierto:

Entre los 500 Hz y los 20 KHz, la agitacin de la superficie local del mar es la fuente ms fuerte de ruido ambiental y puede caracterizarse especificando la velocidad del viento local. En este intervalo de frecuencias, el nivel espectral de ruido cae con una pendiente de 17 dB/dcada.

A frecuencias ms bajas (desde los 20 a los 200 Hz) la mayor contribucin al ruido ambiental es causada por los barcos distantes y las fuentes biolgicas. A mayor trnsito de barcos, mayor nivel de ruido ambiental.

Por debajo de los 20 Hz, el ruido ambiental se debe a turbulencias ocenicas y movimientos ssmicos.

Por encima de los 50 KHz, la agitacin trmica de las molculas del agua se vuelve una fuente importante de ruido, y el nivel espectral del ruido aumenta a razn de 6 dB/octava.

En agua poco profunda los niveles de ruido son mayores debido al mayor trnsito de barcos, al ruido biolgico ambiental, al ruido proveniente de las orillas, de las plataformas de perforacin, etc.

Si usas receptores direccionales para medir el ruido ambiental, uno se da cuenta de que el ruido de la superficie del mar llega predominantemente en la direccin vertical, mientras que el ruido de los barcos proviene de la direccin horizontal. Por tanto, el nivel de ruido detectado por un receptor direccional depende de su orientacin.

El nivel de ruido detectado para ruido ambiental es (ver ecuacin (7)):

NRD = NER + 10log10() ID (10)

donde = ancho de banda del ruido ambiental.

b) Ruido propio

El ruido propio es generado por la plataforma de recepcin e interfiere con la seal recibida deseada. El ruido propio puede llegar al receptor por transmisin a travs de la estructura mecnica y por transmisin a travs del agua, ya sea directamente de la fuente o por reflexin de la superficie del mar. El ruido propio tiende normalmente a aumentar con la velocidad de la plataforma. A bajas frecuencias y bajas velocidades, domina el ruido de mquinas, mientras que a altas frecuencias, el ruido de la propela y de flujo adquieren importancia. Conforme aumenta la velocidad, estas ltimas fuentes son ms importantes a todas las frecuencias. A velocidades muy bajas, normalmente el ruido propio es menos importante que el ruido ambiental o la reverberacin. A velocidades mayores, el ruido propio puede ser un factor limitante.

Nota: Las propelas son las hlices de propulsin de los barcos y submarinos.

El ruido propio se introduce en las ecuaciones del sonar como un nivel espectral de ruido isotrpico equivalente, que expresa el nivel de enmascaramiento del ruido propio en el ancho de banda del receptor en trminos del nivel de una cantidad equivalente de ruido ambiental. Con esta convencin, el nivel de enmascaramiento para condiciones limitadas por el ruido propio es el mismo que el valor que se consigue en la ecuacin (10).

c) Corrimiento Doppler

Supngase que una fuente emite un tono de frecuencia f cuando est parada. Si ahora esta fuente y el receptor se acercan una a la otra con velocidades u y v respectivamente, el receptor oir una frecuencia f:

f = f(c + u)/(c - v)

Este cambio de frecuencia, bien conocido como corrimiento Doppler, se explica en la mayora de los textos elementales de fsica. Para el caso donde v

Si el buque 1 origina una seal de frecuencia f1, entonces por el argumento anterior, un observador estacionario en el agua a un ngulo con respecto al movimiento del buque fuente percibir una seal de frecuencia:

fw = f1 [1 + (Vcos )/c]

El buque 2 en movimiento recibir esta seal y observar una frecuencia:

f2 = fw[1 + (Ucos)/c]

Eliminando a fw de estas dos ecuaciones y aplicando la suposicin U

fw = f2 [1 + (Ucos)/c]

y el buque 1 recibir un eco de frecuencia

f1 = (1 + 2R/c)f1

Por otra parte, la reverberacin proviene de dispersores en reposo en el agua, y la frecuencia de reverberacin fr como ahora se observa en el buque 1 es:

fr = f1 [1 + 2V(cos )/c]

El buque 1 puede comparar la frecuencia f1 del eco recibido ya sea con f1 (su frecuencia del sonar) o con fr (la frecuencia de reverberacin). Los corrimientos de Doppler correspondientes son:

f = f1 f1 = 2(R/c)f1 (11)

fr = f1 fr = 2U(cos)f1/c

d) Consideraciones de ancho de banda

La presencia de un corrimiento de Doppler f1 del eco con respecto a la fuente, impone un lmite inferior en el ancho de banda del receptor, ya que el filtro paso banda no debe ignorar los ecos de blancos que se mueven rpidamente. Si se conoce la mxima rapidez, el ancho de banda debe ser el doble del corregimiento Doppler asociado (ya que el blanco puede acercarse o alejarse). Por consiguiente, un receptor de sonar activo debe tener un ancho de banda total de:

= 2,67.10-3.(dR/dt).f (Para el snar activo)

donde y f estn en Hertzios y dR/dt est en metros por segundo. Si se compara (11) con (12) se ve que un sistema pasivo, diseado para detectar una frecuencia especfica, debe tener un ancho de banda total igual a la mitad que la anterior:

= 1,33.10-3.(dR/dt).f (Para el snar pasivo)

Snar pasivo

Pasamos ahora a explicar lo que nos falta del snar pasivo:La fuente del sonar pasivo es el ruido radiado. El nivel de fuente NF del ruido radiado por el blanco se consigue extrapolando la presin radiada en campo lejano a una distancia de 1 m del centro acstico del blanco. Si el nivel espectral de fuente de un blanco est compuesto de un espectro continuo plano con tonos prominentes, y si la intensidad por amplitud de banda unitaria (a 1 m) para el espectro continuo es s y la intensidad del tono (a 1 m) es I,

entonces se debe definir un nivel espectral de fuente NEF para el espectro continuo como el nivel de intensidad en un ancho de banda de 1 Hz,

NEF(cont) = 10log10[(s.1Hz)/Iref] (13)

y un nivel espectral para los tonos

NE(tonos) = 10log10(I/Iref) (14)

Si el ancho de banda del receptor incluye el tono, la intensidad total recibida es s + I, de tal manera que el NE (nivel espectral) total es:

NE = 10log10[(s + I)/Iref] = 10log10[(s)/ Iref] + 10log10[1 + I/( s)]

Si s es mucho mayor que I, la contribucin del tono es insignificante. Por ejemplo, si el tono fuera 20 dB mayor que el nivel espectral continuo, el tono contribuira 3 dB al nivel de la seal y sera completamente obvio al odo o a un filtro cuyo ancho de banda fuera 100 Hz o menos. Por otro lado, si el ancho de banda del filtro fuera 400 Hz, el tono aadira nicamente 1 dB al nivel de la seal recibida en ese ancho de banda.

El ruido radiado por el blanco en cierta direccin depende de varios parmetros, incluyendo la orientacin del blanco, su estado mecnico, velocidad y profundidad. Parece que hay algunas caractersticas generales que estn presentes en casi todo el ruido radiado por los barcos. Primero, el ruido de fondo tiende a decrecer a altas frecuencias a razn de aproximadamente 5 a 8 dB/octava. Por tanto, predominan las seales de baja frecuencia. La cavitacin de las hlices aade una contribucin de banda ancha que es pequea a bajas frecuencias, aumenta hasta un pico en alguna frecuencia intermedia, y decae al aumentar la frecuencia. La regin de mxima contribucin se corre a bajas frecuencias al aumentar la velocidad o decrecer la profundidad. Sobrepuesta a este ruido de fondo, hay series armnicas correspondientes al ruido de la maquinaria, motores, bombas, hlices, engranajes reductores y otros sistemas mecnicos. Dado que un barco es una gran fuente acstica con generadores de ruido individuales en varias posiciones, puede haber una direccionalidad considerable en la seal radiada que cambia con la frecuencia y condiciones de operacin.

El sistema receptor de un sonar pasivo puede ser de banda ancha para detectar la energa total emitida por el blanco o de banda estrecha para que la deteccin se haga sobre los tonos. Por consiguiente, la ecuacin del snar pasivo puede escribirse de dos formas distintas (ver pgina siguiente):

1) Si el detector es de banda ancha, de tal manera que los tonos no contribuyan significativamente al nivel de fuente, pero lo suficientemente para que la ecuacin (13) sea aplicable:

NEF(cont) PT NER ID + UD

2) Si el ancho de banda del receptor es lo suficientemente pequeo para que s

donde es la seccin acstica del blanco.

El nivel de eco en el receptor es:

NE = 10log10(I(r = 1)/Iref) PT

NE = 10log10 [(I(r)/Iref)( /4)] PT (15)

Sabiendo que PT = 10log10(I(1)/I(r)) y que NF = 10log10(I(1)/Iref), se ve que 10log10[I(r)/Iref] es NF PT. Al comparar con la ecuacin (8), se ve que la relacin entre y IB es

IB = 10log10(/4)

El primer trmino a la derecha de la ecuacin (15) puede interpretarse como un nivel de fuente aparente:

Nf = 10log10(I(r)/Iref) + IB

y el nivel de eco enviado al receptor sera:

NE = Nf PT

La fuerza de blanco de un objeto reflector est determinada fundamentalmente por su tamao, forma y construccin, as como por la frecuencia del sonido incidente. Por ejemplo, se puede demostrar que la fuerza de blanco de una esfera perfectamente reflectora de radio a metros, que rerradia la energa sonora interceptada uniformemente en todas las direcciones (a

discretos, en tanto que un pulso largo se parecer ms a la fuerza de blanco medida con excitacin continua.

La estela generada por las propelas del blanco puede contribuir a su detectabilidad al crear una regin turbulenta llena de burbujas genera considerables seales dispersas. La importancia de la estela depende mucho de la velocidad y la profundidad del blanco, y tiende a ser muy dbil para un submarino lento y profundo. Una fuerza de estela tpica est entre 0 y 30 dB por cada metro de longitud iluminado.

b) Reverberacin

Cuando una fuente activa sonoriza alguna porcin del ocano, puede haber dispersin por las burbujas, partculas, peces, la superficie o el fondo del mar y cualesquiera otras inhomogeneidades presentes. Estas constituyen fuentes de seales no deseadas, es decir reverberacin, que pueden interferir con el eco del blanco de inters.

Un paso esencial para conseguir el nivel de reverberacin (NRv) es calcular el volumen V (o superficie A), a la distancia al blanco, del cual el sonido dispersado puede llegar al receptor durante el mismo tiempo que el eco del blanco deseado. Obviamente, esto depender de la longitud del pulso, las directividades de la fuente y el receptor y de la geometra. Dado este volumen (o superficie), se podr calcular directamente el nivel de reverberacin. Por el momento, se supondr que se conoce V (o A) y se obtendrn las frmulas para NRv.

La figura de la pgina anterior muestra el blanco y el volumen reverberante circundante que puede dispersar el sonido que interfiere con el eco en el receptor. La intensidad I(r) de la seal que ilumina esta regin est relacionada con el nivel de fuente NF del transmisor por

10log10(I(r)/Iref) = NF PT

Donde PT son las prdidas por transmisin de la fuente al blanco.

Cada dispersor dentro del volumen reverberante tiene un nivel aparente dado por:

Nfi = 10log10[(I(r)/Iref)( i/4)]

Donde i es la seccin transversal acstica del dispersor i. Suponiendo que los dispersores individuales tienen fase aleatoria, la intensidad total dispersada es la suma de las intensidades individuales

= V

i

refIrINf

pi

4)(log10 10

Donde el sumatorio cubre todos los valores en V.

La fuerza de dispersin SV para un volumen unitario se define como:

=

= pipi

4log10

41log10 1010 V

V

iV

sV

S

Nota: El sv que aparece a la derecha del todo de la frmula es una s minscula y representa la seccin transversal total por unidad de volumen, mientras que el Sv que est a la izquierda del todo de la ecuacin es la fuerza de dispersin.

As que el sv minscula se hallara de esta forma:

=V

iV Vs 1

Por tanto:

Nf = 10log10(I(r)/Iref) + Sv + 10log10V (16)

Anlogamente, si la reverberacin viene de una superficie, se puede definer la fuerza de dispersin SA por unidad de rea superficial. El nivel de sonido dispersado por la superficie es entonces:

Nf = 10log10(I(r)/Iref) + SA + 10log10A (17)

Entonces, las fuerzas de dispersin para la regin reverberante seran:

El nivel de reverberacin en el receptor es:

NRv = Nf PT (19)

Si la fuente y el receptor estn juntos, PT = PT, y la combinacin de las ecuaciones (16), (17), (18) y (19) da:

NRv = NF 2PT + IBR

Y otra forma de la ecuacin (20) es sta de aqu:

IB IBR + UD

Esto muestra claramente que la interferencia proveniente de la reverberacin con la seal deseada no es ms que la competencia de blancos no deseados (dispersores). Una caracterstica que se ve de estas expresiones es que son independientes de la fuerza de la fuente. Por tanto, una vez que el NF es lo suficientemente grande para que la reverberacin se vuelva ms importante que el ruido, no hay ninguna ventaja al aumentar ms el NF. Se deben dirigir esfuerzos en reducir ID o UD para conseguir una mejora en el alcance de la deteccin.

Los delfines

Los delfines son cetceos que tienen un sentido de la vista que les sirve para orientarse en zonas de luz, un sentido del tacto bastante desarrollado, un muy atrofiado sentido del olfato y un excelente sistema auditivo que les permite orientarse en el fondo marino en condiciones de oscuridad (bien por falta de luz o bien porque el agua en ciertas zonas est turbia), tambin les sirve de ayuda para cazar (tanto para localizar a las presas como a la hora de capturarlas, ya que cuando el delfn emite ultrasonidos con una cierta intensidad sobre sus presas, stas se desorientan permitiendo ser capturadas fcilmente) y les sirve para comunicarse (en el acto de comunicacin lleva implcito tanto la emisin de sonidos y su recepcin, es decir, que no slo interviene el sentido del odo sino que tambin tiene que producir sonidos para comunicarse).

El rango de emisin y recepcin de los delfines va desde los 100 Hz hasta los100.000 Hz de forma aproximada. La precisin del sistema auditivo es enorme, ya que puede llegar a detectar

a varios metros de distancia hilo cobre que no exceda los 0,2 mm de dimetro.

El sistema de audicin de los delfines es muy preciso pero bastante complejo de usar. Desde que nacen hasta que son adultos, deben experimentar durante aos para poder llegar a utilizarlo de forma adecuada.

Los murcilagos son los nicos animales que oyen sonidos a frecuencias mayores que los delfines (los murcilagos pueden llegar a detectar sonidos de frecuencias mayores de 175 KHz)

Se ha observado que los delfines en cautividad no producen ningn sonido fuerte ya que el eco de ese sonido al chocar contra las paredes del acuario puede daar los odos de los delfines.

Los delfines se orientan por el sonido reflejado que ellos mismos emiten y pueden cambiar la direccin del sonido emitido moviendo la cabeza a un lado o a otro. La direccin de los ecos que regresan indican la posicin que ocupa un objeto determinado respecto de la posicin del delfn, los cambios de frecuencia del sonido que emiten le dan pistas al delfn para saber la forma y el tamao del objeto y la amplitud y el tiempo transcurrido le dan idea de la distancia a la que se encuentra el objeto. De esta forma pueden identificar un objeto de ms de 5 10 cm situado a una distancia de entre 5 y 200 metros de su cabeza.

Se ha descubierto que en los delfines no existen cuerdas vocales, pero

al menos parte del sonido provienen de la laringe y de los chasquidos de la regin nasal, adems la parte frontal de la cabeza interviene en modificacin del sonido emitido.

Un tipo especfico de sonidos que puede emitir el delfn son los clicks (sonidos de cierta intensidad y corta duracin (son picos de sonido)) de baja frecuencia que tienen un alcance mayor para tener una idea del terreno donde se desenvuelve, y para obtener una informacin ms detallada del medio o bien para localizar presas, usa sonidos de ms alta frecuencia inaudibles para los humanos. La forma de onda de estos pulsos sonoros es senoidal y la duracin de los pulsos suele estar entre los 40 y 70 microsegundos y la tasa mxima de repeticin de pulsos puede llegar a ser de hasta 1200 clicks/segundo.

El sistema de sonar natural empleado por los delfines se ve en este dibujo de abajo:

Nota: La onda verde del dibujo es la onda de ida. La negra ms la roja son ondas de vuelta.

Por medio de la regin nasal emiten los sonidos hacia el meln, que es una cavidad llena de grasa que sirve para adaptar la impedancia del aire que sale de la nariz con el agua del exterior reduciendo as las prdidas por reflexin en el cambio de medio. Adems el meln sirve como lente acstica que permite concentrar el sonido emitido hacia el exterior evitando que el sonido se disperse demasiado. El sonido reflejado es captado por sensores auditivos situados en la mandbula que transmiten el sonido al odo interno (donde se identifica las frecuencias de llegada y su amplitud) y de ah pasan al cerebro donde la seal es interpretada. El lbulo cerebral que procesa las sensaciones acsticas en los delfines est ms desarrollado que el de los humanos. Los odos de los delfines no estn interconectados (oyen de forma independiente tanto por el odo izquierdo como por el odo derecho) por lo que pueden detectar de esta forma la procedencia del sonido.

No slo los delfines disponen de un sistema de snar para orientarse, hay otros animales que usan este mismo sistema como las polillas, los murcilagos y otras especies de cetceos como las orcas, las marsopas, los cachalotes o los narvales.

Efectos negativos del snar sobre los seres vivos

El uso del snar puede afectar negativo a los seres vivos marinos. Concretamente, el uso del sonar activo es el causante de que muchos seres vivos mueran o sufran graves daos en el mar. Una de las causas por las que el sonar activo es tan daino pueden emitir sonidos a niveles muy altos, un ejemplo de los niveles que se pueden llegar a emitir seran del orden de los 200 dB funcionando a unas frecuencias entre los 400 y 700 Hz.

De entre las especies marinas que el sonar activo mata o produce lesiones estn los cetceos (ballenas, delfines, zifios (que son cetceos algo ms grandes que los delfines que se sumergen a mucha profundidad),). ste es uno de los motivos por el que se producen varamiento de cetceos.

La causa por la que estos animales mueren o son heridos es por la aparicin de burbujas de nitrgeno en su sistema circulatorio. Los cetceos respiran aire de la atmsfera y el aire atmosfrico tiene entre otros gases nitrgeno y oxgeno. El oxgeno se consume en las clulas, mientras que el nitrgeno permanece disuelto en la sangre.

Hay dos posibles motivos por los cuales el nitrgeno forme burbujas dentro del sistema circulatorio de estos animales:

1- En las proximidades del sonar las ondas son tan poderosas (produce unas variaciones tan bruscas de presin sobre estos animales) que el nitrgeno que hay disuelto en la sangre se transforma en burbujas.

2- El sonar puede afectar al sistema de orientacin de los cetceos (el sonido producido por el sonar los desoriente) haciendo que suban bruscamente hacia la superficie, al hacer eso, su cuerpo experimenta un cambio brusco de presin haciendo que el nitrgeno forme burbujas.

Al hecho de producirse burbujas de nitrgeno en el torrente sanguneo por el hecho de llevar mucho tiempo en el fondo del mar y subir de repente a la superficie se le llama enfermedad por descompresin o enfermedad de los buzos.

Las burbujas de nitrgeno producen la muerte o serios daos porque obstruyen el riego sanguneo hacia los tejidos del cuerpo. Pueden llegar a afectar cualquier rgano o tejido, si la obstruccin se produce en rganos vitales como el corazn o el cerebro y no desaparecen las burbujas, esos rganos dejan de funcionar provocndoles la muerte. Las burbujas de nitrgeno tambin pueden afectar al sistema nervioso en zonas como la mdula espinal por lo que pueden llegar a producir parlisis (transitoria y si no desaparecen las burbujas puede llegar a ser permanente), tambin producen un intenso dolor y puede llegar a producir desorientacin y prdida de consciencia.

Sonidos generados en el ambiente marino

A continuacin se muestran unas tablas sobre los niveles de fuente espectral para algunos ruidos marinos:

Ruido causado por animales

Fuente Nivel espectral de fuente bajo el agua (medido en dB a 1 m de la fuente)Click de ecolocacin de la

ballena beluga Entre los 206 y los 225 (amplitud pico - pico)

Silbidos del delfn de nariz de botella Entre los 125 y los 173

Sonidos de ballena azul Entre 155 y 188Sonidos de ballena gris Entre 142 y 185

Nota: La ecolocalizacin es la capacidad de emitir sonidos y recibir ecos de forma parecida a como lo hace un snar y que permite a los animales que cuentan con esta capacidad (el delfn por ejemplo),desenvolverse en condiciones de absoluta oscuridad con gran precisin.Ruidos generados por actividades humanas

Ruido de barcos bajo el agua

Nivel espectral de fuente bajo el agua (medido en dB a 1 m de la fuente)

Barco de mercancas 171Petrolero 186

Rompehielos 193

Para estudios ssmicos -> La agrupacin de 32 pistolas de aire producen un nivel de pico espectral de fuente bajo el agua de 259 dB cuando estamos a un metro de la fuente.

Snares militares Nivel espectral de fuente bajo el agua (medido en dB a 1 m de la fuente)AN SQS -53C (sus frecuencias

centrales son 2,6 y 3,3 KHz) 235

AN SQS -56 223SURTASS LFA (Su rango de

frecuencias es de 100 a 500 Hz)215 para una nica fuente. Si usas ms

fuentes agrupadas el nivel es mayor