Sonar, tipos y usos, sonidos, propiedades de las ondas, señal y
ruido, banda ancha y estrecha
Origen de la
palabra Sonar
Antecedentes
históricos
Tipos de Sonar
Usos del Sonar
Funcionamiento
Trasductores
Sonar pasivo
Sonar activo
Sonido
Ondas
Propiedades de las
ondas
Velocidad del
sonido en el mar
Propagación
del sonido en el mar
Señal y ruido
Análisis del sonar
Análisis de
banda ancha y estrecha
Proviene del inglés "Sound Navigation and Ranging". Es el equipo, medio
y propiedades que sirve al estudio y aprovechamiento de la propagación
del sonido en el agua y su utilización para determinar la ubicación,
características, distancias, velocidad, etc. de objetos, formaciones
rocosas, como así también costas y lecho submarino. No debemos olvidar
su utilización para las comunicaciones y la observación. El sonar
reemplaza al radar en el agua, ya que este último opera a través de
ondas electromagnéticas que, debido a la alta conductividad del medio
acuático, se pierden sin lograr su objetivo. El sonar se vale de ondas
acústicas, de fácil propagación en el medio antes nombrado.
Las ondas electromagnéticas son transversales mientras que las acústicas
son longitudinales, por tanto las primeras pueden polarizarse mientras
que las segundas no; la velocidad de propagación en las primeras varía
inapreciablemente con las características cambiantes del medio, mientras
que el sonido aumenta su velocidad a medida que decrece la
compresibilidad del medio, lo que tiene una gran incidencia en el
aspecto de la propagación. En el mar la compresibilidad es función de
variables como la salinidad, la temperatura y la presión.
Una de las primeras referencias al hecho de que el sonido se propaga en
el mar se debe a Leonardo Da Vinci, que en 1490 escribía: "Si paras tu
barco e introduces el extremo de un tubo en el agua, y aplicas el oído
al otro extremo, oirás barcos que se encuentran a gran distancia de ti".
Este primer ejemplo de sistema SONAR tiene en su sencillez, los
principios básicos de un sonar pasivo actual:
Todos los barcos al navegar producen ruido aunque no sean de motor. Se
detiene el barco propio para reducir el nivel de ruidos.
Se introduce un tubo en el agua para transmitir las ondas acústicas
desde el medio acuático al medio aéreo para ser captadas por el oído
humano.
La primera medición de la velocidad del sonido en el agua fue obtenida
en 1827 por el físico suizo Daniel Colladon y el matemático francés
Charles Sturn en el lago Ginebra. El resultado de su medida fue de 1434
mts./seg. que es muy precisa para la época en que se realizó dicha
medición.
Durante el siglo XIX y tras la enunciación del cálculo infinitesimal
Fourier formula las "series trigonométricas infinitas" y Ohm, aplica las
mismas para descomponer sonidos reales en series de tonos puros. Este es
un importantísimo descubrimiento ya que es la base del actual Análisis
en Banda Estrecha que permite la identificación precisa de la fuente que
genera el ruido.
En 1440 se descubre el fenómeno de la "magnetoestricción" que provoca el
cambio de la forma de algunos materiales cuando son atravesados por un
campo magnético y en 1880 Jacques y Pierre Curie descubren la
"piezoelectricidad", que es la propiedad de algunos cristales de
desarrollar cargas eléctricas en varias de sus caras al someterlos a
presión.
En 1912 Fesseden desarrolla el primer emisor submarino capaz de trabajar
como transmisor y receptor en el margen de frecuencia entre 500 y 1000
Hz. En 1914 tras la pérdida del TITANIC demostró la utilidad de su
invento midiendo la distancia a un iceberg situado a 2 millas de
distancia. La posterior aplicación de los amplificadores electrónicos a
las seqales captadas hizo que los sistemas no tuvieran que depender
exclusivamente de la sensibilidad del oido humano.
En 1915 Lord Rayleigh descubre que el oído humano es capaz de determinar
la dirección de un fuente sonora por la diferencia de fase o tiempo de
la onda sonora al llegar a ambos oídos, y se desarrollan sensores
biaurales para determinar la dirección de la que proviene el sonido.
Este sistema en funcionamiento en los submarinos alemanes causó graves
pérdidas a los aliados. El éxito obtenido propició la investigación con
sistemas ópticos, térmicos y magnéticos, siendo el resultado más
favorable el obtenido mediante el sonido.
En 1917 el físico francés Paul Lagevin usando un sistema piezoeléctrico
de cuarzo sintonizado a una fecuencia de 38 KHz., consigue formar un haz
de energía capaz de determinar la dirección y la distancia a un objeto
sumergido, llegando a detectar un submarino a 1500 mts. Por el mismo
periodo científicos ingleses dirigidos por Boyle trabajan en el secreto
proyecto ASDIC para la obtención de un sistema eficaz de detección
submarina.
Los primeros estudios sobre propagación se llevaron a cabo por
científicos alemanes en 1919 que descubren la influencia de la
temperatura, salinidad y presión en la velocidad del sonido y el
comportamiento de los rayos sonoros al atravesar estratos de distinta
velocidad de propagación.
El desarrollo de la acústica submarina se ralentizó considerablemente en
el periodo entre las dos Guerras Mundiales. Se había hecho un notable
esfuerzo para reducir el nivel de ruido radiado por los buques, por lo
cual las investigaciones se centraron en los sistemas activos.
En 1925 la empresa Submarine Signal Company presenta comercialmente el
primer sondador, aparato capaz de determinar la distancia al fondo desde
la superficie. Debido a que el tratado de Versalles no permitía a la
Marina Alemana tener submarinos ni aeroplanos, los estudios se centran
en la aplicación del SONAR como un sistema defensivo. El detenido
estudio de los ruidos emitidos por la maquinaria, hélice y ruido
hidrodinámico permite el desarrollo de nuevos tipos de barcos. El
resultado de su trabajo fue el GHC, un equipo de escucha que usaba la
técnica de formación de haces, esto es, el ruido proveniente de varios
hidrófonos se pone en fase retardando las de los adyacentes al elegido
como eje para formar una sola vía de audición. Uno de estos equipos se
montó en el crucero "Prinz Eugen" y fué decisivo para la evasión del
mismo de los masivos ataques de torpedos que después sufrió.
Desde el punto de vista científico el mayor logro fue la obtención de
conocimientos sobre el caprichoso comportamiento de la propagación del
sonido en la mar. Las observaciones realizadas por Steinberger sobre la
variación del alcance con la temperatura indujo a la invención de un
aparato capaz de medir la temperatura del agua a distintas
profundidades. En 1937 Spilhaus presenta este aparato llamado "Batitermógrafo".
Durante la Segunda Guerra Mundial se da un periodo febril en la
investigación de nuevas tecnologías y se retoma la acústica. En EE.UU.
se crea el NDRC (National Defense Research Commitee) responsable entre
otros del proyecto Manhattan con el que se fabricó la bomba atómica. La
sección sexta del NDRC realiza un amplísimo programa de acústica
submarina llevado a cabo principalmente por la Universidad de
California, el Laboratorio de Electrónica Naval de San Diego y la
Institución Oceanográfica de Woods Hole. La publicación al finalizar la
contienda de los estudios realizados constituyen aún hoy en día la base
de la acústica submarina.
Al final de la Segunda Guerra Mundial y debido a la aparición de la
Guerra Fría las investigaciones continúan en todos los campos. Entre
1944 y 1955 los trabajos de Shannon en EE.UU. y de Gabor y Woodward en
Gran Bretaña establecen las bases de la teoría de la información, que
aplicada junto a los nuevos desarrollos electrónidos de estado sólido
permite desarrollar equipos muy precisos en cuanto a la discriminación
del contacto, su distancia y la velocidad a la que navega.
Los trabajos de eminentes físicos como Knudsen, Wenz, Marsh, Urick y
otros identifican los orígenes y características de las distintas
fuentes de ruido ambiental existente en el océano. Los mayores logros en
este periodo son:
El descubrimiento del motivo de la atenuación a frecuencias inferiores a
100 Hz.
Determinación experimental de la absorción para frecuencias entre 100 Hz.
y 1 Mhz.
Medida de las pérdidas por absorción por rebote en el fondo.
Clasificación de las pérdidas y características del canal sonoro
profundo y superficial.
Conocimiento de la propagación en aguas polares.
Descubrimiento y explicación de las zonas de convergencia.
Obtención de diagramas de rayos sonoros y predicción de alcances.
Medida con gran exactitud de la velocidad del sonido en el agua.
La aparición de submarinos nucleares con capacidad de lanzar misiles
nucleares de largo alcance hace cambiar la situación táctica, ya no se
trata de detectar un submarino en las proximidades de un convoy sino de
vigilar grandes extensiones. Esto implica la vuelta a la detección
pasiva que permite mayores alcances. Se comienza a desarrollar grandes
redes de escucha submarina tanto fijas como remolcadas por los buques,
que además permite alejar la escucha del ruido propio; de este tipo son
los sistemas SOSUS (SOund SUrveillance System), TACTAS (TACtical Towed
Array Sonar) y SURTASS (SURveillande Towed Array Sensos System) entre
otros, utilizados en la actualidad.
Durante los últimos años se ha intensificado el estudio de bajas
frecuencias para detección a grandes distancias y se ha potenciado la
reducción al máximo del ruido emitido por los buques. Aparece el
análisis espectral de las frecuencias emitidas por un contacto para
permitir su exhaustiva clasificación, técnica denominada LOFAR (LOw
Frequency Analisys and Recording). La gran cantidad de señales existente
en el mar, tanto de origen humano como biológico que proporciona un
sonar moderno es gigantesca, por tanto la clave es descubrir un método
de proceso que permita eliminar la información no necesaria; para ello
se hace uso masivo de la informática y se emplean técnicas de
inteligencia artificial.
Nuevas investigaciones realizadas por el SACLANCEN, órgano de
investigación dependiente de la OTAN se dirigen al uso de sonares
activos de muy baja frecuencia, debido principalmente al aumento del
nivel de ruido en la mar y a la construcción de barcos cada vez más
silenciosos.
Existen dos tipos de Sonar: el activo y el pasivo.
Se llama Sonar Activo al equipo que emplea para detectar objetos bajo el
agua el eco que devuelve dicho objeto al incidir sobre él las ondas
acústicas emitidas por un transmisor. El Sonar Activo es por tanto
similar al radar. Empleando el Sonar Activo se emite un tren de ondas
acústicas con una determinada potencia al agua. Un objeto sumergido
sobre el que incidan estas ondas, reflejará parte de ellas que volverán
hacia el foco emisor. La energía recibida proveniente del objeto es solo
una muy pequeña parte de la que se emitió y el camino que recorren las
ondas es el doble de la distancia entre el emisor y el objeto.
El Sonar Pasivo se limita a escuchar el sonido que proviene de los
objetos que se encuentran sumergidos. Estos dispositivos reciben
directamente el ruido producido por el objeto y el camino que recorre la
onda es la distancia existente entre el objeto y el receptor del ruido.
El alcance está limitado por un gran número de factores de factores
siendo los más importantes la frecuencia de la onda y la efectividad del
medio en el que se propaga la energía. Cuanto más baja es la frecuencia,
mayor es el alcance que se obtiene.
Con ambos tipos es posible determinar la dirección en la que se
encuentra el objeto, pero el sonar activo posibilita obtener la
distancia midiendo el tiempo que transcurre entre el momento en que se
emite la radiación y el instante en que se recibe el eco si se conoce la
velocidad a la que el sonido se propaga en el agua. El sonar pasivo no
contempla esa posibilidad, aunque en la actualidad existen medios para
obtener la distancia a un objeto midiendo la diferencia de fase en la
que las ondas llegan a varios receptores separados entre sí, pero son
más complejos y menos fiables.
En general el sonar activo y el pasivo se complementan para efectuar la
detección y el análisis de objetos sumergidos y tanto los submarinos
como los buques de superficie con capacidad antisubmarina emplean ambos
tipos de forma conjunta.
El uso principal de los dispositivos SONAR es de carácter militar y
naval por excelencia. Las modernas unidades de las Marinas Militares con
capacidad antisubmarina de todos los países desarrollados disponen de
equipos tanto activos como pasivos para realizar la detección,
clasificación, seguimiento y ataque de submarinos. Estos a su vez
disponen de equipos para la detección de buques de superficie y de
contramedidas para evitar o retardar su detección por dichas unidades.
Los dragaminas mecánicos se reemplazan por modernos cazaminas dotados de
equipos SONAR de gran precisión y resolución capaces de localizar
objetos sumergidos y visualizar su forma o estructura para determinar si
se trata de una mina.
El incesante avance de la electrónica y de la informática aplicada a la
acústica submarina ha hecho extender las capacidades de los equipos al
análisis del ruido radiado por los barcos, obteniendo así la denominada
"firma acústica" que permite identificar cada unidad de forma unívoca al
igual que una huella dactilar identifica a una persona; pero a
diferencia de las huellas dactilares que son invariables, las firmas
acústicas cambian con el tiempo. Esto es debido a que dichas "firmas"
proceden en su mayor parte del ruido radiado por la maquinaria a bordo
de los buques y dicho ruido varía a su vez con las modificaciones,
reparaciones y fatiga de las piezas que la componen. Esto obliga a
mantener una información actualizada de inteligencia de unidades
navales.
Gran parte de la tecnología se ha transferido a usos civiles. Es
bastante común el uso de sondadores en barcos de todo tipo, medidores de
espesor de capas de hielo y otros dispositivos de ayuda a la navegación
que usan el sonido o ultrasonido. Otra aportación significativa son los
detectores de pesca que permiten la localización de bancos de peces. Los
buscadores de tesoros poseen poderosos equipos para la localización de
barcos hundidos.
Sensores de ultrasonidos se aplican para sistemas de alarma y para
realizar mediciones precisas y máquinas de ecografía se emplean a diario
para ayuda al diagnóstico en medicina.
Un transductor es cualquier dispositivo capaz de convertir un tipo de
energía en otra. Los transductores empleados en acústica convierten
energía eléctrica en acústica e inversamente. Así pueden compararse los
transductores acústicos empleados bajo el agua con los micrófonos y
altavoces usados en el aire pero con las siguientes diferencias
fundamentales:
Un transductor submarino necesita 60 veces más potencia para proyectar
la misma cantidad de energía que un altavoz equivalente usado en el
aire.
La presión ejercida por el medio acuático es mayor que la ejercida por
el aire y además aumenta con la profundidad, lo que obliga a dotar a los
transductores de una cierta resistencia mecánica.
Los transductores que trabajan el el agua y convierten el sonido en
electricidad se llaman HIDROFONOS, los que realizan el proceso contrario
se llaman PROYECTORES. Muchas veces un mismo transductor puede realizar
ambos procesos. Las cualidades necesarias en un transductor son la
LINEALIDAD (proporcionalidad entre la señal eléctrica y la acústica) y
REVERSIBILIDAD (igualdad de movimiento en los dos sentidos de conversión
de la energía). Cuando un transductor no posee intrínsecamente
linealidad se precisa aplicar una determinada polarización para
conseguir este efecto.
Dependiendo del funcionamiento teórico del sistema los transductores se
clasifican según su origen en:
Explosivos: Son emisores de señal que generan en el agua mediante
una explosión o deflagración un impulso de corta duración y gran ancho
de banda. Se aplican en prospección de hidrocarburos, eco-localización
marina, posicionamiento y guerra submarina.
Cañones y chorros de gas o agua: Son emisores de bajas o muy
bajas frecuencias, que funcionan liberando de forma rápida aire, gas,
vapor de agua o agua a presión. Los de aire o gas tiene el efecto
indeseable de la formación de burbujas; su margen de funcionamiento está
entre los 4 Hz. y 1 Khz.. Un caso particular este tipo son los que que
se forman a partir de un constreñimiento de la conducción, son los
llamados "hidrodinámicos", que cubren un margen de frecuencia entre 10
Hz. y 30 KHz.
Descargas eléctricas de alta potencia o SPARKERS: Emisores que
generan la señal acústica a través de la descarga entre dos electrodos
de un alto potencial eléctrico, que es capaz de vaporizar el agua que
rodea a los electrodos y crea una burbuja gaseosa. Su principal
inconveniente es la formación de burbujas de grandes dimensiones que
interfieren el ancho de banda útil pero que puede paliarse aumentando el
número de electrodos y la variación de la frecuencia emitida con la
profundidad.
Dispositivos hidraúlicos: Emisores que generan una onda continua
en lugar de un impulso mediante un motor que mueve hidraúlicamente un
pistón para producir el desplazamiento de un diafragma. El espectro de
frecuencias es muy bajo, nunca superior a 1 KHz. Presentan el
inconveniente de ser de gran dimensión y peso.
Electrodinámicos: Emisor cuyo funcionamiento es el mismo que el
de un altavoz aéreo. Su principal inconveniente es la débil intensidad
acústica generada.
Electrostáticos: Son emisores-receptores cuyo funcionamiento es
similar al micrófono de condensador. Presentan una gran linealidad por
lo que suelen usarse como dispositivo calibrador.
Piezoeléctricos: Emisores-receptores basados en la propiedad de
algunos materiales naturales como la Sal de Rochelle el cuarzo y el ADP
(fosfato diádico de amonio) de adquirir una carga eléctrica entre sus
caras si son sometidos a un esfuerzo mecánico e inversamente. Presentan
el inconveniente de ser muy sensibles al calor y que algunos como la Sal
de Rochelle son solubles en agua, por lo que se usan manteniéndolos en
un baño de aceite. Tienen buen rendimiento, pero admiten solo potencias
muy bajas.
Electroestrictivos: Emisores-receptores con las mismas cualidades
que los piezoeléctricos si antes son convenientemente polarizados, es
decir, se añade una señal eléctrica junto con la se entrada de forma que
la variación de la intensidad acústica dependa linealmente de la señal
de entrada exclusivamente. El material que forma el transductor de
obtiene a partir de sustancias policristalinas isotrópicas que se
calientan por encima del punto de Curie para liberar sus enlaces
moleculares, sometiéndolos a una tensión de polarización y dejándolos
enfriar lentamente para obtener un cristal anisótropo (su comportamiento
al someterlo a presión o tensión no es el mismo en todas sus caras).
Debido a ésto se usa la cara del cristal con mayor rendimiento y se
intenta anular el efecto de las otras caras. Son materiales de este tipo
el Titanato de Bario y el Zirconato de Titanio. Son muy útiles en
acústica, ya que pueden moldearse de muy distintas formas y agruparse
para obtener la directividad y el modo de funcionamiento más adecuado.
Su principal inconveniente es la posibilidad de "despolarización" que
puede producirse por alcanzar elevadas temperaturas, ser sometidos a un
fuerte campo eléctrico o a sufrir grandes esfuerzos mecánicos.
Magnetoesctrictivos: Emisores-receptores construidos con
materiales que tienen la propiedad de variar su tamaño al someterlos a
un campo magnético y reciprocamente de variar su permeabilidad si se
modifican sus dimensiones. Son materiales de este tipo el Niquel,
Cobalto, algunas aleaciones de Hierro y ciertas ferritas. La relacción
existente entre el campo magnético y las dimensiones del material no es
lineal, por lo cual en la mayoría de los casos se precisa la
superposición de un fuerte campo magnético estático para conseguir la
linealidad. Su principales inconvenientes son el tamaño del núcleo y la
limitación de potencia por lo cual se emplean en equipos de pequeño
tamaño y poca potencia. Las mayores ventajas son su gran resistencia
mecánica y su pequeña necesidad de mantenimiento.
Otros tipos: Se experimenta con nuevos tipos de materiales como:
Piexopolímeros, como el PVF2 usado comercialmente en altavoces; Sensores
acusto-ópcticos, en los que se utiliza el LASER y la fibra óptica y
funcionan a modo de interferómetro; Aleaciones de Tierras Raras y
Hierro, Vidrios metálicos y Ferrofluidos que funcionan como los
magnetoestrictivos con mayor rendimiento y los Composites, construidos
con pequeñas piezas de piezocerámica embebidas en una base de silicona o
poliuretano.
Un transductor aislado en general solo se utiliza en aplicaciones de
investigación o cuando se trabaja con frecuencias altas. Normalmente los
equipos de SONAR usan un conjunto de transductores dispuestos en
distintas configuraciones geométricas a fin de obtener mejores
resultados. Las principales ventajas de esta disposición son:
Mayor sensibilidad tanto activa como pasiva realizando conexiones en
serie para obtener mayor voltaje o en paralelo para obtener más
corriente.
Mayor direccionalidad que permite discriminar entre el ruido,
generalmente isotrópico, es decir de la misma intensidad en todas
direcciones, y la parte de señal que interese.
La avería de varios elementos no afecta radicalmente al comportamiento
del conjunto.
Es posible formar un lóbulo de mayor respuesta y orientarlo
electrónicamente sin necesidad de usar dispositivos mecánicos.
Transductor del tipo "TONPILTZ"
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.
Un moderno sistema de sonar pasivo está formado esencialmente por tres
subsistemas especializados dedicados respectivamente a:
La captación de la señal se realiza mediante una base acústica, formada
habitualmente por conjunto de hidrófonos, dispuestos en una determinada
configuración que permita obtener los mejores resultados para los que se
pretende usar el sistema. Generalmente la disposición de los mismos se
realiza según el margen de frecuencias a obtener y las características
de la plataforma sobre la que se montará el equipo. Así el margen de
frecuencias más alto en el que no afecta demasiado el ruido producido
por la plataforma requiere dispositivos montados sobre ella en forma
cilíndrica o esférica protegidos por estructuras que eliminen en la
mayor medida el ruido hidrodinámico que se produce por el desplazamiento
de la plataforma en el agua; en el caso de bajas frecuencias, a las que
si les afecta el ruido de la propia plataforma se suelen emplear ARRAYS
que es una disposición lineal de los hidrófonos que permite que sean
remolcados por la plataforma a suficiente distancia como para eliminar
el indeseado ruido.
La señal captada por la base acústica debe sufrir un proceso para
facilitar su interpretación. Este proceso incluye una amplificación
previa de la débil señal captada, un filtrado para eliminar las
frecuencias cuyos valores no esten en el margen necesario y un
tratamiento adecuado. En general este tratamiento comprende la formación
de una vía de audio que mediante un sistema de orientación electrónico
permita conocer la dirección de la que proviene el sonido, y su escucha
por un operador y una digitalización que permita su presentación visual
y su registro gráfico.
La señal audio procesada se usa como entrada al subsistema de lectura y
medición que permite la escucha de la misma por un operador, su registro
en magnetófonos y la posibilidad de conexión con otros equipos
especializados que permitan el análisis a fin de obtener información que
permita la identificación del objeto. Asimismo la señal digitalizada se
suministra a unidades de presentación visual, registro gráfico y otras
unidades.
Un diagrama en bloques representativo de un equipo hidrofónico actual
sería:
El SONAR activo basa su funcionamiento en la detección del eco devuelto
por un objeto sumergido al incidir sobre él un tren de ondas acústicas
emitidas por un proyector, con el propósito de detectar objetos
sumergidos y obtener información de su dirección, distancia y analizar
su movimiento.
Los sistemas de SONAR activo actuales tiene también capacidad de
funcionar como SONAR pasivo con ciertas limitaciones impuestas por la
superior dureza del transductor y el margen más estrecho de frecuencias
que es capaz de recibir.
Un sistema moderno de SONAR activo esta compuesto esencialmente de los
siguientes subsistemas:
La base acústica está formada generalmente por un solo transductor con
capacidad tanto para transformar la señal eléctrica en acústica para
emitirla al agua como para recibir señal acústica del agua y
transformarla en eléctrica. Debido a la posibilidad de usar el sistema
como SONAR pasivo o activo dispone de un sistema de selección encargado
de conducir la señal proveniente del transductor al receptor adecuado,
bien al proceso de sonar pasivo, o bien al receptor de proceso del eco.
El receptor pasivo funciona de forma idéntica al del sonar pasivo. El
receptor activo sin embargo, realiza un proceso distinto, ya que
interesa solo un pequeño ancho de banda centrado en la frecuencia de
transmisión. Esto es debido a que el eco devuelto por los objetos sobre
los que incide el frente de ondas emitido, reflejará una parte de la
energía cuya intensidad en muy pequeña y su frecuencia estará desplazada
de la emitida solo un poco. Además la ganancia del amplificador receptor
es variable en el tiempo, de forma que el nivel de amplificación aumenta
con el tiempo en que se realizó la emisión para que los ecos devueltos
por los objetos cercanos, más intensos no anulen a los más lejanos y
débiles. El receptor activo realiza asimismo un tratamiento de la señal
de dos formas, una en la formación de un canal de audio que partiendo de
la frecuencia recibida, y tras una detección eléctrica es heterodinada a
una frecuencia que facilite la escucha del operador y otra en la que la
señal se digitaliza y es usada en el sistema de presentación y registro
gráfico.
El emisor se encarga de formar el impulso eléctrico que se aplicará al
transductor y que una vez convertido en energía acústica se conoce con
el nombre de "PING SONAR". El pulso se forma a partir de un oscilador
que genera una onda continua que se aplica a un dispositivo de disparo.
El pulso es amplificado y aplicado al transductor por medio de un
adaptador de impedancia y el circuito de conmutación.
El subsistema de selección y conmutación tiene como misión seleccionar
el receptor adecuado al modo de SONAR usado, activo o pasivo y conmutar
el transductor cuando el modo de trabajo es activo para unirlo al emisor
en caso de transmitir un pulso SONAR o al receptor después de realizar
la emisión.
El funcionamiento activo está formado por ciclos consecutivos de
transmisión y recepción. En el instante de la emisión del "PING", el
receptor no está unido al transductor y por tanto se encuentra
bloqueado. En ese instante arrancan los circuitos de tiempo que
gobernarán la ganancia variable del amplificador de recepción y los
circuitos de presentación y registro. Al finalizar la transmisión, se
acopla el transductor al receptor activo que posicionará los ecos
recibidos en función del tiempo transcurrido desde la emisión y de la
dirección en que se encuentran. Conociendo la velocidad del sonido en el
agua, puede conocerse así la distancia al eco. Cada ciclo termina al
transcurrir el tiempo de recepción, generalmente seleccionado por el
operador del equipo entre unos valores fijos proporcionados por el
fabricante.
Sonido
Se dice que hay un sonido cuando una perturbación mecánica se propaga
por un medio material y llega a un receptor con capacidad para producir
en él una sensación. Por tanto para que exista sonido deben existir:
-
Un elemento capaz de producir una perturbación mecánica.
-
Un medio capaz de propagar la perturbación.
-
Un oyente sobre el cual se produce una sensación auditiva.
No obstante se considera un fenómeno acústico cuando la perturbación y
el medio reúnen las características, para que, en caso de existir un
oyente percibiera la sensación.
La misma definición da a entender que el sonido puede ser detectado y
evaluado mediante la medida de alguna de las magnitudes físicas del
medio que la perturbación haga variar con respecto a su posición de
equilibrio. Generalmente la magnitud usada es la presión.
Para que exista una propagación de la perturbación en un medio, éste
debe tener dos propiedades:
Inercia: Permite a un elemento del medio transferir energía al
elemento contiguo, y está relacionada con la densidad del medio.
Elasticidad: Produce una fuerza en el elemento desplazado que
tiende a llevarlo a su posición de equilibrio.
El sonido cualquiera que sea la naturaleza de la fuente que lo produce
se origina por una onda de presión producida por una fuente vibratoria,
debido a esto, el movimiento de las partículas del medio se estudia con
las características del movimiento ondulatorio.
Desde el punto de vista psíquico el sonido se caracteriza por tres
cualidades:
Intensidad: Distingue un sonido fuerte de uno débil.
Tono: Distingue un sonido grave de uno agudo.
Timbre: Distingue dos sonidos de la misma intensidad y tono, pero
producido por distintas fuentes.
En cuanto al sonido se pueden considerar tres tipos de ondas.
Ondas planas:
Son las que se forman en un tubo que contiene un medio elástico como
aire o agua, y que en uno de sus extremos tiene un pistón que se mueve
alternativamente hacia delante y hacia atrás. La posición del pistón en
el tiempo puede describirse mediante una función sinusoidal. El
movimiento alternativo del pistón hace que el aire se comprima y expanda
y el movimiento de las partículas se propaga a lo largo del tubo. Esta
serie de compresiones y expansiones constituyen un tren de ondas cuya
función característica es también sinusoidal, que se propaga a lo largo
del tubo a una velocidad que depende del medio de propagación.
Debe notarse que solo se propaga la vibración, es decir, las partículas
del medio solo vibran alrededor de su posición de equilibrio.
Las ondas sónicas producidas por el pistón son PLANAS porque de
desplazan en una sola dirección y transmiten la vibración en el mismo
instante a todas las partículas del plano.
Ondas cilíndricas:
Si la superficie de produce la perturbación es un cilindro cuya
superficie está vibrando, los frentes de onda son también superficies
cilíndricas paralelas a la fuente.
Ondas esféricas:
Se producen cuando la fuente tiene forma esférica o es una partícula que
transmite su vibración por igual en todas direcciones. El frente de onda
está formados por esferas concéntricas.
Las ondas sonoras en el mar son de este último tipo.
La descripción matemática del movimiento ondulatorio describe la
situación de una curva que "viaja" o se propaga, y que en una situación
ideal lo hace sin deformación, a lo largo de un eje. Si consideramos que
en el caso más complejo, las ondas son esféricas, podemos evaluar el
movimiento de una sola de las partículas y extender el resultado a todas
direcciones.
En un movimiento ondulatorio se propagan dos magnitudes físicas: MOMENTO
y ENERGIA, es decir, no se propaga la materia sino su estado de
movimiento.
Se deben considerar las siguientes propiedades:
Frecuencia: Número de veces que la perturbación oscila entre
valores positivos y negativos respecto de su posición de equilibrio, por
unidad de tiempo. Su unidad de medida es el HERZIO y se designa con la
letra f.
Periodo: Es la inversa de la frecuencia y se define como el
tiempo necesario para completar un ciclo completo, entendiendo como
ciclo el conjunto de valores que toma la onda desde que se separa de la
posición de equilibrio hasta que vuelve a ella sin repetir ninguno. Se
mide en segundos y se designa con la letra T.
Longitud de onda: Es la distancia entre puntos análogos de dos
ciclos sucesivos. Se mide en metros y se designa con la letra griega
Lambda.
Intensidad: Es la energía que fluye por unidad de superficie y
unidad de tiempo. Se mide en Watios por metro cuadrado y se representa
con la letra I. En la figura se presenta como la amplitud de la onda. La
intensidad tiene distinta formulación para distintos tipos de ondas. Si
se consideran ONDAS PLANAS la intensidad de la onda en un medio ideal en
el que no se produzcan pérdidas no varía al alejarse la onda de la
fuente, sin embargo en el caso de las ONDAS CILINDRICAS y ESFERICAS la
distancia de la onda a la fuente si es importante, ya que la superficie
que atraviesa la misma cantidad de energía es mayor cuanto mayor es la
distancia a la fuente generadora de la vibración. La intensidad acústica
responde a la fórmula:
I = p2/z
I: Intensidad acústica.
p: Presión.
z: Resistencia del medio al movimiento de la onda.
La velocidad de propagación del sonido en un medio es directamente
proporcional a la presión e inversamente proporcional a la densidad del
medio en el que se propaga. Esto indica que la velocidad del sonido
varía al modificarse las condiciones del medio por acción de otros
agentes.
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. Todos
hemos observado este efecto cuando parados en una carretera oímos un
coche acercarse y la sensación sonora es más grave cuando está lejano y
se hace más aguda conforme se acerca.
Este fenómeno recibe el nombre de EFECTO DOPPLER en honor al físico C.
J. Doppler, quien lo observó por primera vez.
Suponiendo que hay una fuente sonora moviéndose hacia la derecha, como
en la figura, con velocidad Vs a través de un medio en reposo y
observando la fuente en distintas posiciones, 1, 2, 3 y 4, se puede
apreciar que después de un tiempo T, contado a partir de la posición 1,
las ondas emitidas en las sucesivas posiciones ocupan las esferas 1, 2,
3 y 4, que no son concéntricas. La separación entre las ondas es menor
en el sentido en el que la fuente se mueve. Para un receptor a uno u
otro lado, corresponde a una menor o mayor longitud de onda, y por
tanto, a una mayor o menor frecuencia.
La relación entre la frecuencia emitida por la fuente y la recibida por
el receptor, suponiendo que el medio está inmóvil, y cuando el receptor
está en la dirección de propagación, viene dada por la fórmula:
Fr = Fe-Fe . Ver
Fr: Frecuencia recibida.
Fe: Frecuencia emitida.
Ver: Velocidad del receptor respecto a la fuente.
En el caso de que el receptor no se encuentre en la dirección de
propagación la fórmula se convierte en:
Fr = Fe-Fe . Ver . cos ß
ß: Angulo entre el receptor y la dirección de propagación.
La velocidad de propagación del sonido en la mar es el parámetro más
importante que se debe conocer para saber el comportamiento del sonido
en este medio. En realidad lo que interesa es el conocimiento de la
CELERIDAD, que representa solo el valor escalar de la velocidad y no su
dirección ni su sentido, ya que al referirnos al sonido en la mar, la
propagación se realiza mediante ondas esféricas y en todas direcciones.
La celeridad del sonido en la mar responde a la fórmula:
c: Celeridad.
u: Coeficiente de compresibilidad.
d: Masa específica.
Pero el coeficiente de compresibilidad del medio varía con la
profundidad, mientras que la masa específica depende de la temperatura y
salinidad del agua.
Se puede ver así, que la celeridad con la que el sonido de propaga en el
mar no es uniforme, y el comportamiento de los rayos sonoros, así se
designa a las trayectorias que siguen los frentes de ondas, depende de
este hecho.
Así pues hay tres factores determinantes en la celeridad que son:
TEMPERATURA, SALINIDAD y PRESION. El grado de influencia de los mismos
en el valor de la celeridad ha sido objeto de investigación durante
muchos años y se ha acometido en sentido teórico, mediante formulación
matemática y en sentido experimental, lo que ha permitido obtener
fórmulas empíricas a partir de las observaciones realizadas.
El primer resultado práctico fue la fórmula de DEL GROSSO en 1960,
seguido del de WILSON y perfeccionado por MACKENZIE en 1981 cuyo
resultado es:
c = 1448,96 + 4.591 T - 0,05304 T2 + 0,0163 D + 1,34 (S-35)
c: Celeridad en mts/seg.
T: Temperatura en :C. Entre 0 y 30.
D: Produndidad en metros. Entre 0 y 8.000.
S: Salinidad en partes por mil. Entre 30 y 40.
A pesar de que existen otros factores que pueden alterar la celeridad,
pueden considerarse irrelevantes en comparación con los ya citados.
Como consecuencia de la variación de la celeridad en el plano vertical,
podemos decir que el mar se haya estratificado en zonas, en cada una de
las cuales los rayos sonoros tendrán distinto comportamiento. Para
estudiar las estratificaciones se les asigna un valor por cada una de
las variables que intervienen llamados GRADIENTES, y que se obtienen
mediante la relación entre la diferencia de valores de la variable y la
diferencia de valores en la función.
El GRADIENTE DE TEMPERATURA a presión y salinidad constantes es de +3
mts./seg. por :C de aumento.
El GRADIENTE DE SALINIDAD a temperatura y presión constantes es de +1,2
mts./seg. por cada 1 por mil de aumento.
El GRADIENTE DE PRESION a temperatura y salinidad constantes es de 0,016
mts./seg. por cada metro de aumento de profundidad.
Representando en un gráfico los valores dos a dos de
celeridad-temperatura, celeridad-salinidad y celeridad-presión, las
estratificaciones quedan definidas por los puntos en los que la gráfica
sufre una variación brusca.
La superficie radiante de un emisor submarino al vibrar, induce a las
partículas del medio a desplazarse de sus posiciones de reposo. Dentro
del límite de elasticidad del medio, 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.
La ecuación diferencial fundamento de la acústica ondulatoria que
gobierna la propagación de las ondas es:
en las que c es el valor de la celeridad en el punto (x,y,z) , p la
presión y t el tiempo.
Esta ecuación relaciona la presión acústica (energía) en un determinado
punto del medio, con las coordenadas de ese punto y en un momento dado.
No siempre es posible encontrar soluciones a la ecuación dada, lo que
implica que en muchos casos no puedan obtenerse expresiones exactas que
sirvan de base para el cálculo de la intensidad acústica en el océano.
Desde 1960 se ha puesto gran interés en el desarrollo de modelos
matemáticos capaces de analizar y tratar los datos obtenidos
experimentalmente en acústica submarina. Con independencia del tipo de
modelo de cálculo las aplicaciones caen en dos categorías básicas:
INVESTIGACION y OPERATIVIDAD. En el primer caso está dirigido a la
precisión, normalmente en ambientes de laboratorio en los que no es
importante el tiempo; en el segundo por el contrario se soportan
escenarios reales, incluyendo actividades de defensa y por lo tanto han
de ejecutarse rápidamente, en condiciones que no serán las más
adecuadas, pero que necesitan de la toma de una decisión y por lo tanto
se subordina la precisión a la rapidez del cálculo.
El punto de partida de todos los modelos es la ecuación de ondas para
una fuente puntual, ya descrita.
Hay dos aproximaciones a la solución de la ecuación de ondas: MODOS
NORMALES y RAYOS, y dentro de ellos dos nuevas clasificaciones: modelos
independientes del alcance, que suponen una simetría cilíndrica en el
mar, es decir, sin estratificación horizontal, y modelos dependientes
del alcance, donde dicha estratificación es considerada.
El modelo de MODOS NORMALES calculan la integral de la ecuación de ondas
o la expanden en función de un conjunto finito de "modos normales". Cada
uno de estos modos supone que la solución de la ecuación es el producto
de una función dependiente de la profundidad y de una función
dependiente del alcance.
El modelo de RAYOS se basa en el supuesto de que la energía sonora es
transmitida a lo largo de trayectorias (rayos) que son líneas rectas en
todas las partes del medio en que la velocidad del sonido es constante,
y líneas curvas, de acuerdo con las leyes de refracción donde la
velocidad del sonido es variable.
Para entender lo que es un rayo sonoro, supongamos una fuente sonora
omnidireccional que vibra produciendo ondas esféricas. La superficie de
la esfera cuyos puntos vibran con la misma fase es el denominado 'frente
de onda'. Si nos fijamos en la dirección en que la energía fluye, hay
que pensar en un conjunto infinito de radios que surgen del centro de la
fuente. Estos radios son los llamados 'rayos sonoros' y son en todo
momento perpendiculares a los frentes de onda generados. El modelo
físico que impone el modelo de MODOS NORMALES es la suposición de que
tanto las superficie como el fondo sean perfectamente planos y que el
medio de propagación sea homogéneo, lo cual es una simplificación muy
atrevida cuando se trata del mar. Además la búsqueda de soluciones
exactas a la ecuación de ondas es matemáticamente compleja y difícil de
interpretar.
El modelo de rayos presenta una solución menos compleja y de fácil
interpretación visual, pero tiene las siguientes restricciones de
aplicación:
Cuando los radios de curvatura de los rayos son mayores que la longitud
de onda.
Cuando la velocidad del sonido varía apreciablemente a lo largo de
distancias inferiores a la longitud de onda.
Por estos motivos el empleo de los MODOS NORMALES se reduce a aquellas
frecuencias en que los RAYOS no pueden dar soluciones efectivas, a
frecuencias inferiores a 300 Hz.
La siguiente tabla muestra las diferencias entre ambos modelos.
Modos
normales
Solución teórica completa
Presentación
poco intuitiva
De difícil aplic. para
rebotes en superficie o fondo
Válido para
todas las frecuencias
Dependiente de la fuente
Solución
matemática compleja |
Rayos
Sin solución para el problema
de difracción
Presentación visualmente interpretable Fácil aplicación para rebotes
Válido
solo a altas frecuencias Independiente de la fuente
Solución
matemática sencilla |
| |
|
Tradicionalmente las profundidades marinas han sido consideradas como un
espacio eminentemente silencioso, sin embargo, los sonidos que pueden
captarse en los más recónditos lugares de nuestros mares son comparables
en nivel a los que existen en un jardín tranquilo.
Las señales acústicas recibidas en el océano tienen una enorme variedad
de orígenes. Pueden ser generadas por fenómenos naturales, por
organismos marinos, actividad humana, etc.. Todas ellas tienen una
composición compleja formada por la suma de diversas componentes que
varían en amplitud y en fase, muchas veces de manera aleatoria. Todo
este conjunto de señales se califica como RUIDO.
Cada aplicación del SONAR implica realizar una observación de la onda
sonora; en algunos casos basta con detectar su presencia, identificada
con la fuente que lo produce y en otros se requiere una valoración de
sus características. Todo sonido sobre el que se requiere realizar una
valoración se califica como SEÑAL.
Un mismo sonido puede ser calificado como SEÑAL o como RUIDO dependiendo
del oyente o receptor. Por ejemplo, el sonido producido por un barco
puede ser calificado como RUIDO por el emisor, ya que obstaculiza su
propia escucha, mientras que es calificado como SEÑAL por el receptor ya
que le suministra información.
A veces la señal surge ante el receptor junto con otras que degradan la
precisión y/o fiabilidad de la observación. Cualquier señal que
obstaculiza la observación de otra señal se llama INTERFERENCIA.
Como todos los sonidos la intensidad del ruido se mide en dB.. Pero
debido a su compleja composición se utiliza el nivel espectral, es
decir, el nivel en un ancho de banda de 1 Hz. de la frecuencia elegida.
Este nivel se denomina NIVEL DE RUIDO.
La magnitud de la señal con relación al nivel de ruido se conoce como
RELACIÓN SEÑAL RUIDO. En cada aplicación de SONAR el sistema tiene un
valor crítico por debajo del cual la observación de la señal es
insatisfactoria.
Cuando el ruido de la mar se origina en numerosas fuentes o cuando las
mismas no son fácilmente identificables el ruido se califica como RUIDO
AMBIENTE o RUIDO DE FONDO, que se caracteriza por ser isotrópico, es
decir, reúne las mismas características en todas direcciones. El ruido
ambiente se refiere pues, al ruido que queda después de identificar
todas las fuentes conocidas.
El ruido en la mar es bien conocido, ya que existen numerosos trabajos
de investigación, a partir de los cuales se han definido métodos para
predecir los niveles de ruido por zonas y condiciones ambientales.
El SONAR se utiliza como medio de obtención de información. Para ello se
precisa la detección de un contacto y el análisis acústico del mismo
para obtener las características que permitan, mediante una evaluación
de los datos, su clasificación.
Una detección existe cuando se obtiene una señal reconocible sobre el
ruido de fondo. A menudo el proceso de detección es complejo ya que la
señal es débilmente perceptible.
Cuando hay una detección comprobada se inicia el análisis que es un
proceso dinámico en el que se evalúan los datos procedentes del contacto
con el fin de clasificarlo e identificarlo de forma concluyente. Así por
ejemplo, una vez detectado un eco en el SONAR ACTIVO, se trata de
identificar si proviene del fondo, de un cetáceo o de un submarino.
En el procedimiento de análisis de usan diversos medios y equipos. Con
los equipos de pretende el estudio íntimo de la señal detectada y con
otros medios el comportamiento de la misma. Una de las formas de
analizar un contacto sonar consiste en comprobar su movimiento, de esta
forma puede saberse si está inmóvil o tiene dirección y velocidad
constantes o erráticas.
Cuando se utiliza el SONAR ACTIVO el análisis se centra en el eco
devuelto por el objeto sobre el que incide la emisión sonar.
La detección por SONAR ACTIVO 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 con una cantidad representativa de la
celeridad para la latitud en la que se encuentren el emisor y el eco.
Unos pocos metros/segundo de error respecto a la celeridad real,
teniendo en cuenta que los alcances de SONAR ACTIVO son relativamente
pequeños , no introducen un error sustancial en la distancia obtenida
frente a la real.
La distancia es por tanto:
D = 1/2 (t . c)
Siendo 't' el tiempo transcurrido entre la emisión sonar y la recepción
del eco y 'c' la celeridad. El coeficiente 1/2 se aplica porque la
distancia recorrida por el sonido es el doble de la que existe hasta el
contacto, ya que el sonido viaja desde el emisor al contacto y el eco
del contacto al receptor.
A partir de las direcciones y distancias obtenidas es posible calcular
el movimiento del blanco. Este dato es muy importante, ya que en
principio permite distinguir si se trata de un contacto inmóvil,
pudiendo ser un eco devuelto por el fondo o un objeto sobre el fondo o
en el caso de movilidad si es errática podrá considerarse como un
BIOLÓGICO, es decir, cualquier animal o grupo de animales marinos, como
una ballena o un banco de peces. Además el conocimiento del movimiento
del contacto, permite conocer la posición futura del mismo con lo cual
se puede realizar el seguimiento del mismo de forma automática.
El efecto DOPPLER que presenta el eco permite apreciar el movimiento
relativo y el aspecto o posición que tiene el contacto respecto a
nosotros. Los equipos SONAR modernos son capaces de medir el doppler de
forma automática.
El timbre permite apreciar la cualidad sonora del eco. Un timbre
metálico puede indicar la presencia de un submarino, mientras que un
timbre blando puede indicar la de un cetáceo.
La duración y la anchura del eco permiten evaluar la geometría del
contacto y la posición relativa del mismo.
Se llama análisis en banda ancha al que se efectúa mediante SONAR PASIVO
en toda la banda de frecuencias de escucha del transductor, que puede
abarcar desde unos pocos Hz. a varias miles.
Tradicionalmente este tipo de análisis es realizado escuchando
directamente el sonido proveniente del mar, por lo cual se precisa mucha
experiencia para ser capaz de diferenciar el origen de las señales
recibidas.
De la escucha directa sobre el ruido es posible obtener abundante
información, principalmente de los elementos más ruidosos de un
contacto: la hélice y la planta propulsora.
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 idea sobre
la velocidad del contacto. Otros efectos como el "canto de hélice"
ayudan al mantenimiento del contacto, es decir, facilitan reconocer la
dirección a la que se debe dirigir la escucha. Los ruidos
hidrodinámicos, sonidos a hueco y otros efectos, dan una idea de la
carga y el tonelaje del contacto.
El ruido de propulsión es con diferencia, la mayor fuente de datos en la
escucha. Permite conocer el tipo de propulsión del contacto: motores
diesel, turbinas de gas o vapor, motores eléctricos. Este dato aporta
las restricciones necesarias para clasificar el contacto, si se trata de
un barco o submarino, entre un grupo determinado, más restringido, para
permitir posteriormente su identificación. Un análisis más exhaustivo
del ruido de propulsión permite conocer la potencia de su máquina y su
respuesta a las variaciones de velocidad.
Además de los ruidos permanentes de la planta propulsora y hélices,
existen otros ruidos de maquinaria que es posible detectar y analizar,
como son los ruidos de maquinaria auxiliar y los TRANSITORIOS. Los
primeros son los que se producen por los equipos que se encuentran
acoplados a la planta propulsora y los de funcionamiento intermitente.
Entre los primeros pueden existir compresores, bombas de combustible y
agua, ventiladores, etc., y entre los segundos bombas de achique, grupos
de aire acondicionado, etc. Los TRANSITORIOS son ruidos cortos e
intensos, a veces no específicos que se producen aleatoriamente, por
ejemplo, el sonido de un timbre, o la caida de un objeto. Muchas veces
la detección y clasificación de un TRANSITORIO es definitiva en la
identificación de un contacto; por ejemplo, un contacto del que se oye
la propulsión y su hélice, emite transitorios de disparos de cañón
permite clasificar dicho barco como un buque de guerra.
Al igual que en el análisis de ecos, el conocimiento del movimiento del
contacto es extremadamente importante. A diferencia del SONAR ACTIVO, el
SONAR PASIVO no permite obtener distancia al contacto (existen
telémetros acústicos pasivos en la actualidad, que permiten conocer este
datos con algunas restriccciones), pero las distancias de detección son
mayores y permiten obtener gráficos de tiempo-dirección a partir de los
cuales y mediante un elaborado proceso, algunas veces asistido por
ordenador, obtener la dirección, velocidad y distancia del contacto.
Además del ruido procedente de los contacto es posible asimismo analizar
las emisiones sonar procedentes de otros equipos, y que llegan a nuestro
receptor. En este caso es posible conocer todos los datos de la emisión
como la frecuencia, la longitud del pulso, el intervalo entre emisiones,
la dirección de la que proviene, el tipo de emisión (frecuencia modulada
o pulsos de frecuencia pura, tanto por ciento de modulación), e incluso
la distancia en algunos casos, bien por el nivel de la señal recibida, o
bien por la diferencia de tiempo en que tarda en llegar al receptor el
rayo directo desde el emisor y el o los rayos reflejados en el fondo.
Cuando la profundidad en la zona en mayor de cierta cantidad y siempre
que las pérdidas por rebote en el fondo no sean tan cuantiosas que
debiliten en exceso la señal reflejada, es posible medir el tiempo entre
la recepción del rayo directo desde el emisor y el rayo reflejado, que
llegará más tarde al receptor. A partir de esta diferencia y conociendo
la profundidad del emisor y la del fondo se puede calcular
matemáticamente la distancia al emisor.
Se llama 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.
Básicamente el análisis espectral trata de descomponer una banda de
ruido recibida en los tonos fundamentales que la forman para
presentarlos en un gráfico que permita su interpretación. Existen varias
técnicas para lograrlo, pero las dos más usuales son el FILTRADO y la
TRANSFORMACION.
El FILTRADO consiste en la elaboración de una serie de filtros de paso
de banda adyacentes, con lo cual se descompone la señal en sus
componentes individuales de frecuencia. La TRANSFORMACIÓN es el método
más utilizado y se basa en el Teorema de Fourier y en su transformada
rápida que permite expresar una señal obtenida en el dominio del tiempo
descompuesta en sus frecuencias constitutivas y almacenando la amplitud
de cada componente en el dominio de la frecuencia.
Las frecuencias obtenidas tras el proceso de filtrado o transformación
se representan gráficamente al objeto de poder analizarlas de forma
visual. Existen dos tipos básicos de presentación en ejes coordenados:
La presentación frecuencia/amplitud o ALI y la presentación en
frecuencia/intensidad/tiempo o CASCADA. El primer tipo es adecuado para
ver las señales en tiempo real, es decir, en el mismo tiempo en que se
producen, por lo que resulta especialmente útil en el análisis de
transitorios, mientras que el segundo tipo es ideal para analizar
señales de larga duración como los ruidos de la planta propulsora, ya
que puede apreciarse la evolución de la señal.
Normalmente la señal que se analiza espectralmente no se presenta en
tiempo real sino promediada, esto es, la señal se muestrea o descompone
en sus frecuencias cada cierto tiempo y posteriormente se promedian al
objeto de poder detectar más fácilmente las frecuencias fundamentales
que la componen, ya que resaltan sobre el ruido de fondo.
Independientemente de la presentación utilizada, existen dos formas de
análisis: en la primera la señal que se analiza proviene directamente
del transductor, tal y como se halla presente en el medio; en la segunda
se realiza una DEMODULACION. Esta técnica se basa en que cualquier
objeto sumergido que tenga un movimiento de rotación es capaz de
producir una modulación en amplitud del ruido ambiente. Demodulando pues
el ruido, pueden aparecer frecuencias representativas de la velocidad de
giro del objeto; aplicándolo al caso de las hélices de un barco, podemos
obtener sus revoluciones por minuto.
Mediante el proceso de análisis podemos obtener las frecuencias
predominantes de la señal que se recibe y que por su medida y por la
existencia de armónicos (múltiplos enteros de las mismas) servirán para
obtener características del objeto detectado.
Las frecuencias producidas por máquinas rotatorias o alternativas
permiten obtener su velocidad de giro o desplazamiento de sus émbolos;
otras identificaran ruidos hidrodinámicos. Si las líneas de las
frecuencias son estables indican, en el caso de que sean producidas por
maquinaria rotativa, que la velocidad de giro es constante, por el
contrario si las líneas presentan desplazamientos en frecuencia
indicarán los cambios en la velocidad de giro. Un estudio detallado
puede reconocer el origen de cada una de las frecuencias detectadas en
un contacto; así es posible reconocer el tipo de propulsión que lo
mueve, el número de cilindros de su motor o la frecuencia de giro de su
turbina y generadores, el número de palas de su hélice y el número de
ejes que posee, la reducción entre el motor y el eje, la frecuencia de
sus generadores eléctricos, el tipo de bombas y compresores que utiliza
y sus características principales, etc.
El conjunto de sonido radiado por un barco se llama FIRMA ACÚSTICA
porque lo identifica únicamente, es como una huella digital. La FIRMA
ACÚSTICA describe con mayor o menor precisión todas las frecuencias
radiadas con su fuente originadora. Debido a que la maquinaria de un
buque no se haya en el mismo lugar, la intensidad de cada una de las
frecuencias de la firma no es la misma para todos los aspectos que el
buque presente respecto al receptor de la señal. A la expresión de las
frecuencias con sus intensidades en relación al aspecto del contacto se
le denomina MAPA TONAL.
Debido a que la mayoría de las frecuencias características de la firma
se producen por efecto de la propulsión y del ruido hidrodinámico, son
muy bajas, por lo cual pueden ser detectadas a grandes distancias. Esto
hace que el análisis espectral y la banda estrecha sean de interés
estratégico en la Guerra Acústica. La obtención de inteligencia
acústica, es decir, las firmas acústicas de buques enemigos en potencia,
es especial preocupación de la mayoría de las armadas de todos países.
Los resultados obtenidos son celosamente guardados en secreto, para su
utilización en caso de conflicto.
Rodrigo V A Barber
rodrigo@cienciasmisticas.com.ar
www.cienciasmisticas.com.ar
Basado en el trabajo de Luis A. Candelas
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