Sonar, tipos y usos, sonidos, propiedades de las ondas, señal y ruido, banda ancha y estrecha

Origen de la palabra Sonar

Antecedentes históricos

Origen de la palabra Sonar

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.
 

Antecedentes históricos

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.
 

Tipos de Sonar

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.
 

Usos del Sonar

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.

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Rodrigo V A Barber
rodrigo@cienciasmisticas.com.ar
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Basado en el trabajo de Luis A. Candelas