1. TRANSMISIÓN DEL SONIDO EN EL AGUA DE
MAR
ESCUELA PROFESIONAL DE
INGENIERÍA PESQUERA
SEMESTRE ACADÉMICO 2020B
CURSO: ELECTRONICA Y ACUSTICA
PESQUERA
DOCENTE: Dr. Rodolfo Cornejo Urbina
29 de diciembre del 2020
3. La Acústica Submarina, como disciplina científica y herramienta tecnológica, implica la
utilización de equipos, dispositivos y programas informáticos en soporte de los principios y
teorías de la propagación del sonido utilizado para detectar objetos u organismos sumergidos, es
decir, para conocer la ubicación de los objetos de interés en el espacio geográfico horizontal y
vertical en base al conocimiento previo de ciertas propiedades de dichos organismos.
El conocimiento de las características reflectivas de un cuerpo u objeto permite la
ecointegración (o estimación de la densidad de objetos por unidad de área evaluada), análisis de
series de tiempo y análisis de cambios en la morfología de los grupos que congregan organismos
vivos tales como los peces. Sin embargo, estos métodos también presentan dificultades y
limitaciones. Todas las variables mencionadas serán objeto de revisión durante el curso,
incluyendo la experimentación práctica a través de ejercicios de laboratorio.
Son cinco los aspectos principales que pueden ser estudiados utilizando la Acústica para
aplicaciones Submarinas: (1) la detección de características oceanográficas particulares tales
termoclinas, oxiclinas, ondas internas etc; (2) la obtención de información de carácter hidrográfico
tales como el relieve del fondo marino, detección del tipo de fondo, hidratos de gas etc; (3) la
determinación de la distribución espacial de las especies marinas tanto a nivel de población como
por categorías de abundancia relativa; (4) la estimación de la abundancia de plancton y biomasa de
peces a través de índices relativos y absolutos; y (5) el estudio del comportamiento agregativo de
los stocks desde una condición individual hasta el máximo nivel de organización (población) en
distintas escalas de tiempo y espacio.
4. El carácter no invasivo del sonido, y el alto poder de muestreo de los sistemas
sonar digitales de emisión y recepción del sonido, ponen al alcance de ecólogos,
biólogos marinos e ingenieros pesqueros, un valioso conjunto de herramienta de
detección y análisis. Sin embargo, en el presente curso nos enfocaremos en los
métodos de evaluación.
Los aspectos específicos a tratar son: la abundancia relativa, biomasa,
distribución, demografía, comportamiento y análisis de series de tiempo de datos
acústicos empleados en el monitoreo y diagnóstico de la situación de ciertas
especies, principalmente las pelágicas.
I. Objetivos
Estudiar las características, propiedades y aplicaciones de la propagación
del sonido en el medio acuático incluyendo la definición de símbolos y
cantidades empleadas en Acústica Submarina.
Proporcionar conocimiento teórico y práctico sobre las metodologías y
tecnologías relacionadas con la detección submarina a través de métodos
acústicos.
Revisar los métodos de diseño y muestreo acústico orientado a la
evaluación de recursos.
6. Parlante–micrófono = transductor
(transforma la electricidad en sonido
y viceversa)
Objeto
Pulso transmitido
Eco
Demora del eco (“T”)
Espacio = Velocidad / Tiempo (T)
Espacio = 1,500 m/seg / T seg
Eco = (retro)dispersión o “rebote” del sonido
Si se conoce la velocidad del sonido se puede conocer la distancia entre el parlante y el objeto
que provocó la “retrodispersión” (es decir, que el sonido vuelva hacia atrás, hacia la fuente que
lo originó)
7. Onda incidente
Onda reflejada
(ó “dispersada”)
Objeto grande
Primera forma de dispersión : geométrica
“La magnitud del eco resultante depende del área ofrecida por el objeto si la longitud
de onda es pequeña comparada con el objeto”
8. Onda incidente
Luego el sonido se dispersa
Segunda forma de dispersión : ‘Rayleigh’
“La magnitud del eco depende del volumen del objeto si éste es pequeño comparado
con la longitud de onda”
Objeto pequeño
9. El sonido que se propaga en realidad es un volumen
El volumen es el espacio “insonificado” por el sonido, el cual es más amplio en tanto la distancia
a la fuente sea más lejana. El sonido se propaga en “pulsos”, y en cada momento el volumen
que se propaga en un medio tiene aproximadamente la forma de un cono truncado.
10. Frecuencias y alcances del sonido en el agua
Esta es una aproximación relativa, pues la potencia también determinará el alcance aunque es
inútil aumentar desproporcionadamente la potencia
12
cm
8.3
cm
5.5
cm
4
cm
3
cm
2
cm
1.2
cm
0.75
cm
15. • Potencia acústica (SL)
• Directividad del haz de transmisión (DIT)
• Umbral de detección (DT):
(Nivel de Señal respecto al nivel de Ruido)
• Directividad del haz de recepción (DIR)
(Contraresta el ruido ambiental)
(Eleva el nivel de la Potencia acústica)
17. Haces angostos (mayor “directividad” del haz) incrementan la
resolución vertical y mejoran la capacidad de separar los ecos de
peces individuales
Resolución Horizontal del Transductor
20. Sistemas Sonar : (Sound, Navigation and Ranging)
Activos o pasivos construidos, para detectar cuerpos u objetos sumergidos.
Dos tipos básicos
• Ecosonda, que transmite solo verticalmente
• Sonar, que transmite en cualquier dirección bajo el agua
ECOSONDA SONAR
DIAGRAMA
BÁSICO
DISPLAY
EMISOR RECEPTOR
TRANSDUCTOR
21. Transductores
• Dispositivos para convertir una forma de energía en otra (un micrófono, un foco de luz etc)
• Entre los que convierten la energía eléctrica en mecánica (sonido) los hay piezoeléctricos
(placas de niquel o cobre) y magneto-estrictivos (cuarzo montado entre elecrtroimanes)
Transductor
Haz
acústico
Transmisor
electricidad
22. Ecosonda “Split-beam” – Principio de Operación
La cantidad de
energía recibida
por los contactos
dependerá de su
ubicación en
relación al patrón
de irradiación
23. Ecosonda “Split-beam” – Principio de Operación
Los elementos
piezoeléctricos
del transductor
son dispuestos
en 4
cuadrantes,
permitiendo la
ubicación de
los contactos
en 3
dimensiones.
Transductor
25. Elementos de un ecograma de ecosonda
Línea de superficie Plancton de la
zona epipelágica
Líneas imaginarias
de división
cardúmenes
Fondo marino
Doble fondo
Fondo blando
Escala logarítmica
de colores
29. Haz acústico y lóbulos laterales
• El haz acústico de un transductor es el producto de la vibración de todas las placas o
elementos de cuarzo que lo componen. La energía acústica se propaga
tridimensionalmente en pulsos volumétricos.
• El haz acústico tiene lóbulos laterales (es decir, otros haces más pequeños) con los que
también se detectan peces, lo que introduce un problema porque la energía de estos es
relativamente impredecible.
• El problema se anula al haberse introducido los conceptos de “haz equivalente en dos
vías” y el “patrón de directividad”.
30. Ecograma de ecosonda
Los ecogramas de ecosonda son matrices de dos dimensiones.
Cada pulso emitido es unidimensional.
La segunda dimensión se obtiene con la transmisión sucesiva de pulsos.
31. Ecograma de ecosonda
La ecosonda determina la energía de cada eco (pez, plancton, fondo marino etc)
calculando el nivel sonoro que habría tenido de haber estado localizado en el eje acústico.
Un ecograma es en realidad una matriz de datos.
Eje acústico
32. Ecograma de sonar
Los ecogramas de sonar tienen dos dimensiones. Es posible construir una tercera dimensión.
33. Ecograma de sonar
Por razones prácticas el sonar tiene que dar una imagen contínua, de allí que la resolución
es alta a cortas distancias, pero disminuye con la distancia.
El “volumen” representado por cada “voxel” se incrementa con la distancia.
34.
35. La unidad decibel
Es un estándar internacional el expresar las mediciones de sonido en “decibeles” (dB).
NdB = 10 log (R1 / R2)
Para qué ?
Porque en acústica las relaciones entre dos cantidades pueden ser muy pequeñas o muy
grandes, de allí que es poco práctico utilizar sus magnitudes originales. Ejemplo:
N = R1 / R2 ; R1 = 1 ; R2 = 1,000² = 1 / 1’000,000 = 0.000001
Pero…..
Ndb = 10 x log (N) = -60 dB
También….
2 x N = 2 x 0.000001 = 0.000002
2.Ndb = 10 x log (2 x N) = -57 dB ó NdB/2 = 10 x log (N / 2) = -63 dB
Siempre hay una diferencia de 3 dB cuando se duplican o dividen entre dos las cantidades.
36. Ángulo sólido
Los haces acústicos emitidos por los Sistemas Sonar están inscritos en una esfera.
El volúmen de agua “insonificada” se incrementa con la distancia, por ello se necesita
conocer el ángulo sólido del haz o cono acústico.
R
T = c . t / 2
R = distancia del transductor al
extremo del haz.
c = velocidad del sonido (m/s)
t = duración del pulso (miliseg.)
T = largo del haz (m)
Por analogía con la ecuación
del área de una esfera:
θ
Θ es el ángulo plano del haz
(es específico para cada
transductor) , y Ω es el ángulo
sólido que le corresponde.
Ω = 2π [1 – Cos (Θ/2)]
Ψ = 10.log(Ω)
Volumen de muestreo“Vm” del
pulso acústico:
Vm = R². Ω.T
37. Rango dinámico y patrón de directividad
Rango Dinámico (RD) es la medida de la capacidad de
un Sistema Sonar para procesar información.
RD = 10.log(energía emitida / energía recibida)
En una ecosonda científica RD = 140 dB, lo que
equivale a 1x10E14 veces el eco más débil respecto al
más fuerte que el equipo puede detectar.
El patrón de directividad (b) es el valor por el cual se
multiplican todos los ecos que no están en el eje de
manera de restituirles la energía que serían capaces de
reflejar si estuvieran en esa ubicación.
b nunca es menor a la unidad (1).
Algunos transductores poseen haces acústicos
ovalados (como en los transductores tipo split beam).
En estos la función de directividad (b) es más compleja,
ya que depende de la ubicación de los cardúmenes u
otros objetos respecto al transductor.
Eje acústico
39. Señal digital y análoga
La transmisión de sonido es siempre mecánica.
La emisión/recepción de sonido puede ser efectuada por medios analógicos o digitales.
El procesamiento analógico se refiere al tipo de circuitos diseñados para cumplir procesos
matemáticos constantes.
El procesamiento digital transfiere todos los cálculos a una computadora que forma parte
del sistema.
El sistema digital es mucho más preciso.
Amplitud
Tiempo
Emisión digital
Emisión análoga
Período
de emisión
Período
de escucha
40. 2.11. Ondas
La cara radiante del transductor vibra de manera alternada produciendo sonido.
Emisión de sonido implica el desplazamiento de una perturbación, no un traslado de masa
El sonido se propaga en el agua a una velocidad promedio de 1,500 m/seg.
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Amplitud (A)
Longitud
de onda (λ)
Ecuación de onda: Y = A.Cos (kx – wt)
λ = velocidad / frecuencia
Frecuencia (f) es el número de ondas que se producen por unidad de tiempo (segundo)
Momento angular k = 2 π / λ
Velocidad angular w = 2π f
41. Intensidad sonora
La vibración mecánica que da origen al sonido se produce cuando una fuerza F actúa
sobre una superficie dada de manera alternada u ondulatoria.
Al nivel que alcanza una oscilación se le denomina “intensidad” (I).
I = P2 / z (watts/m2)
P es presión acústica ó Fuerza / Area (N/m2)
z es impedancia o resistencia a la perturbación.
Z = velocidad x densidad (rayls)
I = Potencia2 / Area (del transductor)
La ecuación de la velocidad del sonido es (según MacKenzie):
c = 1,449.2 + 4.6T – 0.055T² + 0.00029T³ + (1.34 – 0.01T)(S – 35) + 0.016R
T es temperatura (°C)
S es salinidad (ups)
R es profundidad
42. Interferencia
Cuando dos o más conjuntos de ondas tienen similar longitud y amplitud de onda, y
además se hallan en oposición se produce una interferencia completa.
La interferencia es la atenuación o anulación de la onda que propaga la perturbación
mecánica.
Tres casos básicos:
Tren de ondas Hidrófonos
Interferencia
positiva
Tren de ondas Hidrófonos
Interferencia
negativa
Tren de ondas Hidrófonos
Sin efecto
