Misión Naval Venezolana en España

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ACÚSTICA SUBACUÁTICA

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Por: TN. Javier I. Roa Moncada

El presente artículo tratará la transmisión de las ondas acústicas a través del agua, teniendo en cuenta las pérdidas por transmisión, la generación y recepción de las señales, así como los fenómenos de reflexión, refracción, divergencia, absorción, ruidos y reverberación que presentan las ondas acústicas al propagarse a través de este medio.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Oficial egresado de la Escuela Superior Naval de La República del Ecuador en el año 1995, e incorporándose a la promoción “Gral. Rafael Urdaneta” egresada de la Escuela Naval de Venezuela el mismo año, diplomado como Licenciado en Ciencias Navales. Cursó estudios de ingeniería electrónica en la Universidad Nacional de las Fuerza Armada Nacional (UNEFA) de donde egresó con el titulo correspondiente en el año 2003. Actualmente se desempeña como Jefe del Área de Electrónica dentro la de la Comisión Inspectora Venezolana de los Patrulleros Oceánicos de Vigilancia de la Zona Económica Exclusiva (CIVPOVZEE).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          El presente artículo tratará la transmisión de las ondas acústicas a través del agua, teniendo en cuenta las pérdidas por transmisión, la generación y recepción de las señales, así como los fenómenos de reflexión, refracción, divergencia, absorción, ruidos y reverberación que presentan las ondas acústicas al propagarse a través de este medio.

 

         Como procedimientos de comunicación bajo el agua existen cuatro métodos generales:

    • Óptico.
    • Magnético.
    • Eléctrico.
    • Acústico.

¿Por qué usamos la acústica acuática?

 

           El agua es muy opaca a la luz infrarroja y ultravioleta, no siendo particularmente transparente para luz visible. La transmisión y detección magnética puede utilizarse para distancias relativamente cortas. Las ondas de radio o electromagnéticas se atenúan rápidamente al propagarse por el agua salada, por ser ésta buena conductora. La transmisión de información bajo el agua por medio de ondas acústicas es un mejor método que los anteriores, ya que el agua es un buen medio para transmisión de ondas acústicas, inclusive mejor que el aire.

 

           Por tanto, excepto para aplicaciones específicas, el método acústico es el más utilizado para transmisión de señales bajo el agua.

 

           Muchos factores influyen sobre la transmisión del sonido en este medio. Algunos de estos factores son:

    • Tanto la superficie como el fondo afectan a la transmisión. La superficie del mar produce una reflexión casi perfecta de las ondas acústicas, debido al cambio de impedancia de un medio a otro. No obstante, las olas hacen que la superficie no sea plana. Además la forma del fondo marino también es variable.
    • El mar no es un medio homogéneo, sino que está estratificado verticalmente mediante variaciones de temperatura y densidad.
    • El mar no es un medio isótropo debido a las variaciones de presión y densidad del agua del mar.

          Además hay otros problemas que se pueden encontrar al realizar una transmisión por el mar, como pueden ser ruidos producidos por los organismos marinos, barcos, ruido de superficie, ruido de la lluvia, ruido debido a corrientes y cambios de presión hidrostática.

          La acústica submarina tiene un gran número de aplicaciones, tanto en investigación como industriales. Es útil en oceanografía, en las marinas de guerra mercante y en el área de comunicaciones.

VELOCIDAD DEL SONIDO EN EL MAR

           Un parámetro importante es la celeridad, es decir el valor escalar de la velocidad. Tratándose del agua del mar la propagación se realiza mediante ondas esféricas y en todas direcciones.

Donde:
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.
  • La celeridad con la que el sonido se propaga en el mar no es uniforme, los rayos sonoros (las trayectorias que siguen los frentes de ondas), dependen de este hecho.
  • Teniendo esto en cuenta se puede dar un valor de la velocidad gracias a la siguiente ecuación empírica:

Donde:
c: Velocidad del sonido en m/s.
T: Temperatura del agua en grados centígrados.
S: Salinidad expresada en tanto por mil.
d: Profundidad con relación a la superficie del mar en mts.

           Se considera generalmente una velocidad estándar para estudiar los fenómenos de propagación de 1450 m/s. También suele adoptarse una impedancia característica estándar de 1,54 millones de rayls1.

           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,  los cuales 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 grado (º 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 presión a temperatura y salinidad constantes es de 0,016 mts./seg. por cada metro de aumento de profundidad.


TRAZA BATICELERIMÉTRICA

         La representación gráfica de los valores de celeridad y/o temperatura y profundidad se conoce como "TRAZA BATICELERIMÉTRICA", ver figura 1. Viendo la "traza" puede comprobarse que el océano está dividido en capas verticales o estratificaciones en razón al gradiente en cada una de ellas. Básicamente en todos los mares se da el mismo fenómeno por lo cual puede decirse que la traza se encuentra dividida en cuatro zonas:

  • Zona 1, Capa superficial o de mezcla: Abarca desde la superficie hasta los 50 metros, donde se deja sentir el calentamiento debido a la radiación solar y los efectos meteorológicos.
  • Zona 2, Termoclina estacional: Presenta un gradiente negativo cuya intensidad varía con la época del año. En verano y otoño suele ser muy pronunciada porque las aguas superficiales son muy cálidas pero en primavera e invierno puede confundirse con la capa de mezcla.
  • Zona 3, Termoclina permanente: Abarca desde el final de la termoclina estacional hasta los 1.600 metros aproximadamente. Presenta un gradiente negativo suave y uniforme de temperatura. Se ve poco afectada por los cambios estacionales.
  • Zona 4, Isoterma profunda: Abarca desde los 1.600 metros hasta el fondo. La temperatura permanece constante y la celeridad aumenta con la profundidad.

          El punto de la traza en el que se da la máxima temperatura a la mayor profundidad se denomina profundidad de capa y tiene una especial importancia en la propagación del sonido. En el aspecto horizontal no existen variaciones de presión , las de salinidad suelen ser mínimas y las de temperatura es pequeña en comparación con las del plano vertical, por lo que la traza horizontal no se considera habitualmente.

 

Figura 1: Gráfica de la Traza Baticelerimétrica

 

PROPAGACIÓN

             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:

Donde:
c: Valor de la celeridad en el punto (x,y,z)
p: Presión
t: Tiempo


MODELOS DE PROPAGACIÓN

       El punto de partida de todos los modelos es la ecuación de ondas para una fuente puntual. Hay dos aproximaciones a la solución de la ecuación de ondas: modos normales y rayos.

  • 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 físico que impone es la suposición de que tanto la superficie como el fondo sean perfectamente planos y que el medio de propagación sea homogéneo, lo cual no es exacto en el mar. Además la búsqueda de soluciones exactas a la ecuación de ondas es matemáticamente compleja y difícil de interpretar.
  • 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 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

Rayos  

Solución teórica completa

Sin solución para el problema de difracción

Presentación poco intuitiva

Presentación visualmente interpretable

De difícil aplicación para rebotes en superficie o fondo

Fácil aplicación para rebotes

Válido para todas las frecuencias 

Válido solo a altas frecuencias

Dependiente de la fuente

Independiente de la fuente

Solución matemática compleja

Solución matemática sencilla

Tabla 1: Comparación ambos modelos

 

 

 

 

 

 

 

 

 FENÓMENOS DE REFRACCIÓN Y REFLEXIÓN

            La trayectoria de una onda acústica a través de un medio en el que la velocidad varía con la profundidad se puede calcular mediante la aplicación de la ley de Snell2:

Donde:

c1: Celeridad en la capa superior.
c2: Celeridad en la capa inferior.
O1: Ángulo de entrada del rayo en la capa inferior.
O2: Ángulo de salida del rayo en la capa inferior.

TRAYECTORIAS SONORAS

        La trayectoria de un rayo sonoro al abandonar el emisor depende principalmente de:

    • El ángulo de salida del emisor.
    • La velocidad de propagación.
    • La posición del emisor.

        Las zonas en las que la celeridad es constante los rayos que salen del emisor se comportan como líneas rectas. El receptor recibirá rayos directos e indirectos (debido a rebotes), cuyo instante de llegada dependerá del camino que hayan recorrido. Suponiendo una superficie y un fondo planos:

  • Si el emisor y el receptor están cerca de la superficie desprecio los rayos que inciden sobre esta.


Figura 2: Emisor y receptor cerca de la superficie

 

  •  Si ambos están situados a una profundidad media, estos rayos si deben ser tenidos en cuenta.

 
Figura 3: Emisor y receptor a una profundidad media de la superficie.

          Rayo límite: Es aquel que sale del emisor con un ángulo tal que llega a ser horizontal justo en la línea imaginaria que separa estratos de distinta celeridad. La importancia del mismo reside en que rayos con ángulos mayores o menores que él son refractados según la Ley de Snell, produciéndose una separación entre las trayectorias que definen una zona de sombra en la que los rayos se encuentran tan separados que no es posible una buena recepción de los mismos y puede considerarse que hay silencio. Ver la figura 4.

 


Figura 4: Gráfica comportamiento del rayo límite.

            En la gráfica anterior se puede apreciar la capa de agua caliente del océano y como el sonido se refracta hacia la superficie. A medida que las ondas sonoras se desplazan hacia el fondo donde el agua es mas fría, la velocidad del sonido disminuye y se refracta hacia abajo, creando una zona de sombra en la que un submarino puede esconderse.

______________________________________
1Rayls: es una de las dos unidades de impedancia acústica, que equivale a la presión del sonido de una DINA/cm2, dividida por la velocidad de 1 cm/seg.
2Willebrord Snell Van Royen (1580-1626), matemático holandés que propuso la fórmula para calcular el ángulo de refracción de la luz al atravesar la superficie de separación entre dos medios de índice de refracción distinto.

 

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

  1. Física Recreativa I, disponible en: www.geocities.com/yakov_perelman/FisicaRecreativa_I/capitulo10.html#cinco
  2. Sondear los Secretos del Océano, disponible en: www7.nationalacademies.org/spanishbeyonddiscovery/ear_007522-03.html
  3. Acústica Subacuática, disponible en:  http://www.lpi.tel.uva.es/~nacho/docencia/ing_ond_1/trabajos_03_04/subacuatica/

 

Notas editoriales:

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Última actualización el Miércoles, 19 de Noviembre de 2008 08:53