El sonar ( navegación y alcance sonoros o navegación y alcance sónicos ) [2] es una técnica que utiliza la propagación del sonido (generalmente bajo el agua, como en la navegación submarina ) para navegar , medir distancias ( alcance ), comunicarse o detectar objetos sobre o debajo de la superficie. del agua, como otros buques. [3]
"Sónar" puede referirse a uno de dos tipos de tecnología: sonar pasivo significa escuchar el sonido emitido por los buques; Sonar activo significa emitir pulsos de sonidos y escuchar ecos. El sonar puede utilizarse como medio de localización acústica y de medición de las características del eco de los "objetivos" en el agua. La localización acústica en el aire se utilizaba antes de la introducción del radar . El sonar también se puede utilizar para la navegación de robots, [4] y el sodar (un sonar en el aire que mira hacia arriba) se utiliza para investigaciones atmosféricas. El término sonar también se utiliza para el equipo utilizado para generar y recibir el sonido. Las frecuencias acústicas utilizadas en los sistemas de sonar varían desde muy bajas ( infrasónicas ) hasta extremadamente altas ( ultrasónicas ). El estudio del sonido submarino se conoce como acústica submarina o hidroacústica .
El primer uso registrado de esta técnica fue en 1490 por Leonardo da Vinci , quien utilizó un tubo insertado en el agua para detectar vasos de oído. [5] Fue desarrollado durante la Primera Guerra Mundial para contrarrestar la creciente amenaza de la guerra submarina , con un sistema de sonar pasivo operativo en uso en 1918. [3] Los sistemas de sonar activo modernos utilizan un transductor acústico para generar una onda de sonido que se refleja desde objetos objetivo. [3]
Aunque algunos animales ( delfines , murciélagos , algunas musarañas y otros) han utilizado el sonido para comunicarse y detectar objetos durante millones de años, el uso por parte de los humanos en el agua fue registrado inicialmente por Leonardo da Vinci en 1490: se insertaba un tubo en el agua. Se dice que se utiliza para detectar vasos colocando una oreja en el tubo. [5]
A finales del siglo XIX, se utilizaba una campana submarina como auxiliar de los faros o barcos faro para advertir de peligros. [6]
El uso del sonido para "ecolocalizar" bajo el agua de la misma manera que los murciélagos usan el sonido para la navegación aérea parece haber sido impulsado por el desastre del Titanic de 1912. [7] Se presentó la primera patente del mundo para un dispositivo submarino de medición de ecos en la Oficina Británica de Patentes por el meteorólogo inglés Lewis Fry Richardson un mes después del hundimiento del Titanic , [8] y el físico alemán Alexander Behm obtuvo una patente para una ecosonda en 1913. [9]
El ingeniero canadiense Reginald Fessenden , mientras trabajaba para la Submarine Signal Company en Boston , Massachusetts, construyó un sistema experimental a partir de 1912, un sistema probado más tarde en el puerto de Boston, y finalmente en 1914 en el Revenue Cutter Miami de los Estados Unidos en los Grand Banks frente a Terranova. . [8] [10] En esa prueba, Fessenden demostró sondeos de profundidad, comunicaciones submarinas ( código Morse ) y alcance del eco (detectando un iceberg en un rango de 2 millas (3,2 km)). [11] [12] El " oscilador Fessenden ", operado a una frecuencia de aproximadamente 500 Hz, no pudo determinar el rumbo del iceberg debido a la longitud de onda de 3 metros y la pequeña dimensión de la cara radiante del transductor (menos de 1 ⁄ 3 longitud de onda en diámetro). Los diez submarinos británicos clase H construidos en Montreal y lanzados en 1915 estaban equipados con osciladores Fessenden. [13]
Durante la Primera Guerra Mundial, la necesidad de detectar submarinos impulsó más investigaciones sobre el uso del sonido. Los británicos hicieron uso temprano de dispositivos de escucha subacuática llamados hidrófonos , mientras que el físico francés Paul Langevin , trabajando con un ingeniero eléctrico inmigrante ruso Constantin Chilowsky, trabajó en el desarrollo de dispositivos de sonido activo para detectar submarinos en 1915. Aunque los transductores piezoeléctricos y magnetoestrictivos reemplazaron más tarde Los transductores electrostáticos que utilizaron, este trabajo influyó en diseños futuros. Para los hidrófonos se han utilizado películas plásticas livianas sensibles al sonido y fibra óptica, mientras que para los proyectores se han desarrollado terfenol-D y niobato de plomo y magnesio (PMN).
En 1916, bajo la Junta Británica de Invenciones e Investigación , el físico canadiense Robert William Boyle asumió el proyecto de detección activa de sonido con AB Wood , produciendo un prototipo para realizar pruebas a mediados de 1917. Este trabajo para la División Antisubmarina del Estado Mayor Naval Británico se llevó a cabo en el máximo secreto y utilizó cristales piezoeléctricos de cuarzo para producir el primer aparato práctico de detección de sonido activo bajo el agua del mundo. Para mantener el secreto, no se hizo ninguna mención a la experimentación con sonido o al cuarzo: la palabra utilizada para describir los primeros trabajos ("supersónicos") se cambió a "ASD"ics, y el material de cuarzo a "ASD"ivite: "ASD" por " División Antisubmarina", de ahí el acrónimo británico ASDIC . En 1939, en respuesta a una pregunta del Oxford English Dictionary , el Almirantazgo inventó la historia de que significaba "Comité Aliado de Investigación de Detección de Submarinos", y esto todavía se cree ampliamente, [14] aunque no se ha creado ningún comité que lleve este nombre. encontrado en los archivos del Almirantazgo. [15]
En 1918, Gran Bretaña y Francia habían construido prototipos de sistemas activos. Los británicos probaron su ASDIC en el HMS Antrim en 1920 y comenzaron la producción en 1922. La 6.ª Flotilla de Destructores tenía buques equipados con ASDIC en 1923. En 1924 se establecieron en Portland una escuela antisubmarina HMS Osprey y una flotilla de entrenamiento de cuatro buques .
Al estallar la Segunda Guerra Mundial , la Royal Navy tenía cinco conjuntos para diferentes clases de buques de superficie, y otros para submarinos, incorporados en un sistema antisubmarino completo. La eficacia de los primeros ASDIC se vio obstaculizada por el uso de cargas de profundidad como arma antisubmarina. Esto requirió que un barco atacante pasara sobre un contacto sumergido antes de lanzar cargas sobre la popa, lo que resultó en una pérdida de contacto ASDIC en los momentos previos al ataque. El cazador estaba efectivamente disparando a ciegas, tiempo durante el cual un comandante de submarino podía realizar acciones evasivas. Esta situación se remedió con nuevas tácticas y nuevas armas.
Las mejoras tácticas desarrolladas por Frederic John Walker incluyeron el ataque progresivo. Para ello se necesitaban dos barcos antisubmarinos (normalmente balandras o corbetas). El "barco director" siguió al submarino objetivo en ASDIC desde una posición de entre 1.500 y 2.000 yardas detrás del submarino. El segundo barco, con su ASDIC apagado y navegando a 5 nudos, inició un ataque desde una posición entre el barco director y el objetivo. Este ataque fue controlado por radioteléfono desde el barco director, en función de su ASDIC y el alcance (por telémetro) y rumbo del barco atacante. Tan pronto como se soltaron las cargas de profundidad, el barco atacante abandonó la zona inmediata a toda velocidad. Luego, el barco director entró en el área objetivo y también lanzó una serie de cargas de profundidad. La baja velocidad de aproximación significaba que el submarino no podía predecir cuándo se lanzarían las cargas de profundidad. Cualquier acción evasiva fue detectada por el barco director y las órdenes de gobierno dadas al barco atacante en consecuencia. La baja velocidad del ataque tuvo la ventaja de que el torpedo acústico alemán no fue efectivo contra un buque de guerra que viajaba tan lentamente. Una variación del ataque progresivo fue el ataque de "yeso", en el que tres barcos atacantes que trabajaban en una línea cercana eran dirigidos sobre el objetivo por el barco director. [dieciséis]
Las nuevas armas para hacer frente al punto ciego de ASDIC eran "armas que lanzan hacia adelante", como Hedgehogs y más tarde Squids , que proyectaban ojivas hacia un objetivo delante del atacante y aún en contacto con ASDIC. Estos permitieron que una sola escolta realizara ataques mejor dirigidos a los submarinos. Los avances durante la guerra dieron como resultado conjuntos ASDIC británicos que utilizaban varias formas diferentes de haz, cubriendo continuamente los puntos ciegos. Posteriormente se utilizaron torpedos acústicos .
A principios de la Segunda Guerra Mundial (septiembre de 1940), la tecnología ASDIC británica se transfirió gratuitamente a los Estados Unidos. La investigación sobre ASDIC y el sonido submarino se amplió en el Reino Unido y Estados Unidos. Se desarrollaron muchos tipos nuevos de detección de sonido militar. Estos incluían sonoboyas , desarrolladas por primera vez por los británicos en 1944 con el nombre en clave High Tea , sonares de inmersión/sumergimiento y sonares de detección de minas . Este trabajo formó la base para los desarrollos de posguerra relacionados con la lucha contra los submarinos nucleares .
Durante la década de 1930, los ingenieros estadounidenses desarrollaron su propia tecnología de detección de sonido submarino y se hicieron importantes descubrimientos, como la existencia de termoclinas y sus efectos sobre las ondas sonoras. [17] Los estadounidenses comenzaron a utilizar el término SONAR para sus sistemas, acuñado por Frederick Hunt para ser el equivalente de RADAR . [18]
En 1917, la Marina de los Estados Unidos adquirió por primera vez los servicios de J. Warren Horton. Durante su licencia en los Laboratorios Bell , trabajó para el gobierno como experto técnico, primero en la estación experimental de Nahant, Massachusetts , y más tarde en el Cuartel General Naval de los Estados Unidos, en Londres , Inglaterra. En Nahant aplicó el tubo de vacío recientemente desarrollado , entonces asociado con las etapas formativas del campo de la ciencia aplicada ahora conocido como electrónica, a la detección de señales submarinas. Como resultado, el micrófono de botón de carbón, que se había utilizado en equipos de detección anteriores, fue reemplazado por el precursor del hidrófono moderno . También durante este período experimentó con métodos de detección de remolque. Esto se debió a la mayor sensibilidad de su dispositivo. Los principios todavía se utilizan en los sistemas de sonar remolcados modernos.
Para satisfacer las necesidades de defensa de Gran Bretaña, fue enviado a Inglaterra para instalar en el Mar de Irlanda hidrófonos montados en el fondo conectados a un puesto de escucha en la costa mediante un cable submarino. Mientras se cargaba este equipo en el barco tendido de cables, terminó la Primera Guerra Mundial y Horton regresó a casa.
Durante la Segunda Guerra Mundial, continuó desarrollando sistemas de sonar que podían detectar submarinos, minas y torpedos. Publicó Fundamentals of Sonar en 1957 como consultor jefe de investigación en el Laboratorio de Sonido Submarino de la Marina de los EE. UU. Ocupó este cargo hasta 1959 cuando asumió como director técnico, cargo que ocupó hasta su jubilación forzosa en 1963. [19] [20]
Hubo pocos avances en el sonar estadounidense entre 1915 y 1940. En 1940, los sonares estadounidenses normalmente consistían en un transductor magnetoestrictivo y una serie de tubos de níquel conectados a una placa de acero de 1 pie de diámetro unida espalda con espalda a un cristal de sal de Rochelle . en una carcasa esférica. Este conjunto penetró en el casco del barco y se giró manualmente hasta el ángulo deseado. El cristal de sal piezoeléctrico de Rochelle tenía mejores parámetros, pero la unidad magnetoestrictiva era mucho más confiable. Las grandes pérdidas sufridas por los buques mercantes estadounidenses a principios de la Segunda Guerra Mundial llevaron a una investigación estadounidense de alta prioridad a gran escala en este campo, persiguiendo mejoras en los parámetros de los transductores magnetoestrictivos y la confiabilidad de la sal de Rochelle. Se encontró que el dihidrógeno fosfato de amonio (ADP), una alternativa superior, reemplaza a la sal de Rochelle; La primera aplicación fue la sustitución de los transductores de sal de Rochelle de 24 kHz. Al cabo de nueve meses, la sal de Rochelle quedó obsoleta. Las instalaciones de fabricación de ADP crecieron de unas pocas docenas de empleados a principios de 1940 a varios miles en 1942.
Una de las primeras aplicaciones de los cristales de ADP fueron los hidrófonos para minas acústicas ; los cristales fueron especificados para un corte de baja frecuencia a 5 Hz, resistiendo golpes mecánicos para su despliegue desde aviones desde 3000 m (10,000 pies) y capacidad para sobrevivir a explosiones de minas vecinas. Una de las características clave de la confiabilidad del ADP es su característica de envejecimiento cero; el cristal mantiene sus parámetros incluso tras un almacenamiento prolongado.
Otra aplicación fue para torpedos guiados acústicos. Se montaron dos pares de hidrófonos direccionales en la punta del torpedo, en el plano horizontal y vertical; las señales diferentes de los pares se utilizaron para dirigir el torpedo de izquierda a derecha y de arriba a abajo. Se desarrolló una contramedida: el submarino objetivo descargó una sustancia química efervescente y el torpedo fue tras el señuelo efervescente más ruidoso. La contramedida fue un torpedo con sonar activo: se añadió un transductor a la punta del torpedo y los micrófonos escuchaban las ráfagas periódicas de tonos reflejadas. Los transductores comprendían placas de cristal rectangulares idénticas dispuestas en áreas con forma de diamante en filas escalonadas.
Los conjuntos de sonares pasivos para submarinos se desarrollaron a partir de cristales ADP. Se dispusieron varios conjuntos de cristal en un tubo de acero, se llenaron al vacío con aceite de ricino y se sellaron. Luego los tubos se montaron en series paralelas.
El sonar de exploración estándar de la Marina de los EE. UU. al final de la Segunda Guerra Mundial operaba a 18 kHz, utilizando una serie de cristales ADP. Sin embargo, el alcance más largo deseado requería el uso de frecuencias más bajas. Las dimensiones requeridas eran demasiado grandes para los cristales de ADP, por lo que a principios de la década de 1950 se desarrollaron sistemas piezoeléctricos magnetoestrictivos y de titanato de bario , pero estos tuvieron problemas para lograr características de impedancia uniformes y el patrón del haz se vio afectado. Luego, el titanato de bario se reemplazó por titanato de circonato de plomo (PZT) más estable y la frecuencia se redujo a 5 kHz. La flota estadounidense utilizó este material en el sonar AN/SQS-23 durante varias décadas. El sonar SQS-23 utilizó por primera vez transductores magnetoestrictivos de níquel, pero pesaban varias toneladas y el níquel era caro y se consideraba un material crítico; Por tanto, se sustituyeron los transductores piezoeléctricos. El sonar era una gran variedad de 432 transductores individuales. Al principio, los transductores no eran confiables, mostraban fallas mecánicas y eléctricas y se deterioraban poco después de la instalación; también fueron producidos por varios proveedores, tenían diferentes diseños y sus características eran lo suficientemente diferentes como para afectar el rendimiento de la matriz. Luego se sacrificó la política de permitir la reparación de transductores individuales y en su lugar se eligió el "diseño modular prescindible", módulos sellados no reparables, eliminando el problema con los sellos y otras piezas mecánicas extrañas. [21]
La Armada Imperial Japonesa al inicio de la Segunda Guerra Mundial utilizó proyectores basados en cuarzo . Eran grandes y pesados, especialmente si estaban diseñados para frecuencias más bajas; el del conjunto Tipo 91, que operaba a 9 kHz, tenía un diámetro de 30 pulgadas (760 mm) y estaba impulsado por un oscilador con 5 kW de potencia y 7 kV de amplitud de salida. Los proyectores Tipo 93 consistían en sándwiches sólidos de cuarzo, ensamblados en cuerpos esféricos de hierro fundido . Los sonares Tipo 93 fueron reemplazados posteriormente por los Tipo 3, que siguieron el diseño alemán y utilizaron proyectores magnetoestrictivos; Los proyectores consistían en dos unidades independientes rectangulares idénticas en un cuerpo rectangular de hierro fundido de aproximadamente 16 por 9 pulgadas (410 mm × 230 mm). El área expuesta tenía la mitad de la longitud de onda de ancho y tres longitudes de onda de alto. Los núcleos magnetoestrictivos se fabricaron a partir de piezas estampadas de níquel de 4 mm, y posteriormente de una aleación de hierro y aluminio con un contenido de aluminio entre 12,7% y 12,9%. La energía se proporcionó desde 2 kW a 3,8 kV, con polarización desde una fuente de CC de 20 V y 8 A.
Los hidrófonos pasivos de la Armada Imperial Japonesa se basaban en un diseño de bobina móvil, transductores piezoeléctricos de sal de Rochelle y micrófonos de carbono . [22]
Después de la Segunda Guerra Mundial se utilizaron transductores magnetoestrictivos como alternativa a los piezoeléctricos. Se utilizaron transductores de anillo enrollados de níquel para operaciones de alta potencia y baja frecuencia, con un tamaño de hasta 13 pies (4,0 m) de diámetro, probablemente los transductores de sonar individuales más grandes jamás creados. La ventaja de los metales es su alta resistencia a la tracción y su baja impedancia eléctrica de entrada, pero tienen pérdidas eléctricas y un coeficiente de acoplamiento más bajo que el PZT, cuya resistencia a la tracción se puede aumentar mediante pretensado . También se probaron otros materiales; Las ferritas no metálicas eran prometedoras por su baja conductividad eléctrica, lo que resultaba en bajas pérdidas por corrientes parásitas , Metglas ofrecía un alto coeficiente de acoplamiento, pero eran inferiores al PZT en general. En la década de 1970 se descubrieron compuestos de tierras raras y hierro con propiedades magnetomecánicas superiores: la aleación Terfenol-D . Esto hizo posibles nuevos diseños, por ejemplo, un transductor híbrido magnetoestrictivo-piezoeléctrico. El más reciente de estos materiales magnetoestrictivos mejorados es el Galfenol .
Otros tipos de transductores incluyen transductores de reluctancia variable (o de armadura móvil o electromagnéticos), donde la fuerza magnética actúa sobre las superficies de los espacios, y transductores de bobina móvil (o electrodinámicos), similares a los altavoces convencionales; estos últimos se utilizan en la calibración del sonido subacuático, debido a sus muy bajas frecuencias de resonancia y sus características de banda ancha plana sobre ellas. [23]
La sonda activa utiliza un transmisor (o proyector) de sonido y un receptor. Cuando los dos están en el mismo lugar se trata de funcionamiento monoestático . Cuando el transmisor y el receptor están separados, se trata de un funcionamiento biestático . [24] Cuando se utilizan más transmisores (o más receptores), nuevamente separados espacialmente, se trata de operación multiestática . La mayoría de los sonares se utilizan de forma monoestática y a menudo se utiliza el mismo conjunto para transmisión y recepción. [25] Los campos de sonoboyas activas pueden funcionar de forma multiestática.
El sonar activo crea un pulso de sonido, a menudo llamado "ping", y luego escucha los reflejos ( eco ) del pulso. Este pulso de sonido generalmente se crea electrónicamente utilizando un proyector de sonar que consta de un generador de señal, un amplificador de potencia y un transductor/matriz electroacústica. [26] Un transductor es un dispositivo que puede transmitir y recibir señales acústicas ("pings"). Generalmente se emplea un formador de haz para concentrar la potencia acústica en un haz, que puede ser barrido para cubrir los ángulos de búsqueda requeridos. Generalmente, los transductores electroacústicos son del tipo Tonpilz y su diseño puede optimizarse para lograr la máxima eficiencia en el ancho de banda más amplio, con el fin de optimizar el rendimiento del sistema en general. Ocasionalmente, el pulso acústico puede crearse por otros medios, por ejemplo mediante explosivos químicos, pistolas de aire comprimido o fuentes de sonido de plasma.
Para medir la distancia a un objeto, se mide el tiempo desde la transmisión de un pulso hasta la recepción y se convierte en un alcance utilizando la velocidad conocida del sonido. [27] Para medir el rumbo , se utilizan varios hidrófonos , y el conjunto mide el tiempo de llegada relativo a cada uno, o con una serie de hidrófonos, midiendo la amplitud relativa en los haces formados mediante un proceso llamado beamforming . El uso de una matriz reduce la respuesta espacial, por lo que para proporcionar una cobertura amplia se utilizan sistemas multihaz . La señal objetivo (si está presente) junto con el ruido pasa luego a través de varias formas de procesamiento de señal , [28] que para sonares simples puede ser simplemente una medición de energía. Luego se presenta a algún tipo de dispositivo de decisión que llama a la salida la señal requerida o el ruido. Este dispositivo de decisión puede ser un operador con auriculares o una pantalla, o en sonares más sofisticados esta función puede realizarse mediante software. Se pueden llevar a cabo procesos adicionales para clasificar el objetivo y localizarlo, así como medir su velocidad.
El pulso puede tener una frecuencia constante o un chirrido de frecuencia cambiante (para permitir la compresión del pulso en la recepción). Los sonares simples generalmente utilizan la primera técnica con un filtro lo suficientemente amplio como para cubrir posibles cambios Doppler debido al movimiento del objetivo, mientras que los más complejos generalmente incluyen la última técnica. Desde que el procesamiento digital estuvo disponible, la compresión de pulsos generalmente se ha implementado utilizando técnicas de correlación digital. Los sonares militares suelen tener múltiples haces para proporcionar una cobertura completa, mientras que los simples sólo cubren un arco estrecho, aunque el haz puede girarse, relativamente lentamente, mediante escaneo mecánico.
Particularmente cuando se utilizan transmisiones de frecuencia única, el efecto Doppler se puede utilizar para medir la velocidad radial de un objetivo. La diferencia de frecuencia entre la señal transmitida y recibida se mide y se convierte en velocidad. Dado que los desplazamientos Doppler pueden ser introducidos por el movimiento del receptor o del objetivo, se debe tener en cuenta la velocidad radial de la plataforma de búsqueda.
Un pequeño sonar útil tiene una apariencia similar a una linterna resistente al agua. La cabeza apunta al agua, se presiona un botón y el dispositivo muestra la distancia hasta el objetivo. Otra variante es una " sonda " que muestra una pequeña pantalla con bancos de peces. Algunos sonares civiles (que no están diseñados para ser sigilosos) se acercan en capacidad a los sonares militares activos, con visualizaciones tridimensionales del área cercana al barco.
Cuando se utiliza un sonar activo para medir la distancia desde el transductor hasta el fondo, se conoce como sondeo por eco . Se pueden utilizar métodos similares mirando hacia arriba para medir las olas.
El sonar activo también se utiliza para medir la distancia a través del agua entre dos transductores de sonar o una combinación de un hidrófono (micrófono acústico subacuático) y un proyector (altavoz acústico subacuático). Cuando un hidrófono/transductor recibe una señal de interrogación específica, responde transmitiendo una señal de respuesta específica. Para medir la distancia, un transductor/proyector transmite una señal de interrogación y mide el tiempo entre esta transmisión y la recepción de la respuesta del otro transductor/hidrófono. La diferencia horaria, escalada por la velocidad del sonido a través del agua y dividida por dos, es la distancia entre las dos plataformas. Esta técnica, cuando se utiliza con múltiples transductores/hidrófonos/proyectores, puede calcular las posiciones relativas de objetos estáticos y en movimiento en el agua.
En situaciones de combate, un enemigo puede detectar un pulso activo y revelará la posición de un submarino al doble de la distancia máxima a la que el submarino puede detectar un contacto y dará pistas sobre la identidad del submarino en función de las características del ping saliente. Por estas razones, los submarinos militares no utilizan con frecuencia el sonar activo.
Un tipo de sonar muy direccional, pero de baja eficiencia (utilizado en la pesca, el ejército y para la seguridad portuaria) utiliza una característica compleja no lineal del agua conocida como sonar no lineal, y el transductor virtual se conoce como matriz paramétrica .
El Proyecto Artemis fue un proyecto experimental de investigación y desarrollo entre finales de los años 50 y mediados de los 60 para examinar la propagación acústica y el procesamiento de señales de un sistema de sonar activo de baja frecuencia que podría usarse para la vigilancia de los océanos. Un objetivo secundario fue el examen de los problemas de ingeniería de los sistemas de fondo activo fijo. [29] El conjunto receptor estaba ubicado en la ladera del Banco Plantagnet frente a las Bermudas. La matriz de fuente activa se desplegó desde el petrolero USNS Mission Capistrano reconvertido de la Segunda Guerra Mundial . [30] Los elementos de Artemisa se utilizaron experimentalmente una vez finalizado el experimento principal.
Se trata de un dispositivo de sonar activo que recibe un estímulo específico e inmediatamente (o con un retraso) retransmite la señal recibida o una predeterminada. Los transpondedores se pueden utilizar para activar o recuperar equipos submarinos de forma remota. [31]
Un objetivo de sonar es pequeño en relación con la esfera , centrada alrededor del emisor, en la que se encuentra. Por tanto, la potencia de la señal reflejada es muy baja, varios órdenes de magnitud menor que la señal original. Incluso si la señal reflejada fuera de la misma potencia, el siguiente ejemplo (usando valores hipotéticos) muestra el problema: Supongamos que un sistema de sonar es capaz de emitir una señal de 10.000 W/m 2 a 1 m y detectar una señal de 0,001 W/m 2 señal. A 100 m la señal será de 1 W/m 2 (debido a la ley del cuadrado inverso ). Si toda la señal se refleja desde un objetivo de 10 m 2 , será de 0,001 W/m 2 cuando llegue al emisor, es decir, apenas detectable. Sin embargo, la señal original permanecerá por encima de 0,001 W/m 2 hasta los 3000 m. Cualquier objetivo de 10 m 2 entre 100 y 3000 m que utilice un sistema similar o mejor sería capaz de detectar el pulso, pero no sería detectado por el emisor. Los detectores deben ser muy sensibles para captar los ecos. Dado que la señal original es mucho más potente, se puede detectar muchas veces más allá del doble del alcance del sonar (como en el ejemplo).
La sonda activa tiene dos limitaciones de rendimiento: por ruido y por reverberación. En general, uno u otro de ellos dominará, de modo que los dos efectos pueden considerarse inicialmente por separado.
En condiciones de ruido limitado en la detección inicial: [32]
donde SL es el nivel de fuente , PL es la pérdida de propagación (a veces denominada pérdida de transmisión ), TS es la intensidad del objetivo , NL es el nivel de ruido , AG es la ganancia del conjunto receptor (a veces aproximada por su índice de directividad) y DT es el umbral de detección .
En condiciones de reverberación limitada en la detección inicial (despreciando la ganancia del conjunto):
donde RL es el nivel de reverberación y los demás factores son como antes.
Un sonar mirando hacia arriba (ULS) es un dispositivo de sonar que apunta hacia arriba y mira hacia la superficie del mar. Se utiliza para propósitos similares al sonar que mira hacia abajo, pero tiene algunas aplicaciones únicas, como medir el espesor, la rugosidad y la concentración del hielo marino , [33] [34] o medir el arrastre de aire de las columnas de burbujas durante mares agitados. A menudo está amarrado en el fondo del océano o flota en una línea tensa amarrada a una profundidad constante de quizás 100 m. También pueden ser utilizados por submarinos , AUV y flotadores como el flotador Argo . [35]
El sonar pasivo escucha sin transmitir. [36] A menudo se emplea en entornos militares, aunque también se utiliza en aplicaciones científicas, por ejemplo , en la detección de peces para estudios de presencia/ausencia en diversos entornos acuáticos; consulte también acústica pasiva y radar pasivo . En su uso más amplio, este término puede abarcar prácticamente cualquier técnica analítica que implique sonido generado de forma remota, aunque normalmente se limita a técnicas aplicadas en un entorno acuático.
El sonar pasivo tiene una amplia variedad de técnicas para identificar la fuente de un sonido detectado. Por ejemplo, los buques estadounidenses suelen operar con sistemas de energía de corriente alterna de 60 Hertz (Hz) . Si los transformadores o generadores se montan sin el aislamiento adecuado contra vibraciones del casco o se inundan, el sonido de 60 Hz de los devanados puede emitirse desde el submarino o el barco. Esto puede ayudar a identificar su nacionalidad, ya que todos los submarinos europeos y casi todos los submarinos de otras naciones tienen sistemas de energía de 50 Hz. Las fuentes de sonido intermitentes (como la caída de una llave inglesa ), llamadas "transitorias", también pueden ser detectables por el sonar pasivo. Hasta hace poco, [ ¿cuándo? ] un operador experimentado y capacitado identificó las señales, pero ahora las computadoras pueden hacer esto.
Los sistemas de sonar pasivos pueden tener grandes bases de datos sónicas , pero el operador del sonar generalmente finalmente clasifica las señales manualmente. Un sistema informático utiliza con frecuencia estas bases de datos para identificar clases de barcos, acciones (es decir, la velocidad de un barco o el tipo de arma lanzada y las contramedidas más efectivas a emplear) e incluso barcos en particular.
El sonar pasivo en vehículos suele estar muy limitado debido al ruido generado por el vehículo. Por esta razón, muchos submarinos operan reactores nucleares que pueden enfriarse sin bombas, mediante convección silenciosa , o pilas de combustible o baterías , que también pueden funcionar en silencio. Las hélices de los vehículos también están diseñadas y mecanizadas con precisión para emitir un ruido mínimo. Las hélices de alta velocidad a menudo crean pequeñas burbujas en el agua y esta cavitación tiene un sonido distintivo.
Los hidrófonos del sonar pueden remolcarse detrás del barco o submarino para reducir el efecto del ruido generado por la propia embarcación. Las unidades remolcadas también combaten la termoclina , ya que la unidad puede ser remolcada por encima o por debajo de la termoclina.
La visualización de la mayoría de los sonares pasivos solía ser una visualización en cascada bidimensional . La dirección horizontal de la pantalla marca el rumbo. La vertical es la frecuencia o, a veces, el tiempo. Otra técnica de visualización consiste en codificar con colores la información frecuencia-tiempo para la demora. Las pantallas más recientes son generadas por las computadoras, e imitan las pantallas indicadoras de posición del plano tipo radar .
A diferencia del sonar activo, sólo se trata de propagación en un sentido. Debido al diferente procesamiento de señal utilizado, la relación señal-ruido mínima detectable será diferente. La ecuación para determinar el rendimiento de un sonar pasivo es [37] [32]
donde SL es el nivel de la fuente, PL es la pérdida de propagación, NL es el nivel de ruido, AG es la ganancia del conjunto y DT es el umbral de detección. La figura de mérito de un sonar pasivo es
El rendimiento de detección, clasificación y localización de un sonar depende del entorno y del equipo receptor, así como del equipo transmisor en un sonar activo o del ruido irradiado al objetivo en un sonar pasivo.
El funcionamiento del sonar se ve afectado por las variaciones en la velocidad del sonido , particularmente en el plano vertical. El sonido viaja más lentamente en agua dulce que en agua de mar , aunque la diferencia es pequeña. La velocidad está determinada por el módulo volumétrico y la densidad de masa del agua . El módulo volumétrico se ve afectado por la temperatura, las impurezas disueltas (generalmente salinidad ) y la presión . El efecto de densidad es pequeño. La velocidad del sonido (en pies por segundo) es aproximadamente:
Esta ecuación de aproximación derivada empíricamente es razonablemente precisa para temperaturas normales, concentraciones de salinidad y el rango de la mayoría de las profundidades del océano. La temperatura del océano varía con la profundidad, pero entre 30 y 100 metros suele haber un cambio marcado, llamado termoclina , que divide el agua superficial más cálida de las aguas frías y tranquilas que forman el resto del océano. Esto puede frustrar el sonar, porque un sonido que se origina en un lado de la termoclina tiende a doblarse o refractarse a través de la termoclina. La termoclina puede estar presente en aguas costeras menos profundas. Sin embargo, la acción de las olas a menudo mezclará la columna de agua y eliminará la termoclina. La presión del agua también afecta la propagación del sonido: una presión más alta aumenta la velocidad del sonido, lo que hace que las ondas sonoras se refracten lejos del área de mayor velocidad del sonido. El modelo matemático de refracción se llama ley de Snell .
Si la fuente de sonido es profunda y las condiciones son adecuadas, puede producirse propagación en el ' canal de sonido profundo '. Esto proporciona una pérdida de propagación extremadamente baja para un receptor en el canal. Esto se debe a la captura del sonido en el canal sin pérdidas en los límites. Una propagación similar puede ocurrir en el "conducto de superficie" en condiciones adecuadas. Sin embargo, en este caso se producen pérdidas por reflexión en la superficie.
En aguas poco profundas, la propagación se produce generalmente por reflexión repetida en la superficie y el fondo, donde pueden producirse pérdidas considerables.
La propagación del sonido se ve afectada por la absorción en el agua misma, así como en la superficie y el fondo. Esta absorción depende de la frecuencia, existiendo varios mecanismos diferentes en el agua de mar. El sonar de largo alcance utiliza bajas frecuencias para minimizar los efectos de absorción.
El mar contiene muchas fuentes de ruido que interfieren con el eco o la firma del objetivo deseado. Las principales fuentes de ruido son las olas y el transporte marítimo . El movimiento del receptor a través del agua también puede provocar ruidos de baja frecuencia que dependen de la velocidad.
Cuando se utiliza un sonar activo, la dispersión se produce desde pequeños objetos en el mar, así como desde el fondo y la superficie. Esta puede ser una fuente importante de interferencia. Esta dispersión acústica es análoga a la dispersión de la luz de los faros de un automóvil en la niebla: un haz de lápiz de alta intensidad penetrará la niebla hasta cierto punto, pero los faros de haz más amplio emiten mucha luz en direcciones no deseadas, gran parte de la cual se dispersa hacia atrás. para el observador, abrumador que se refleja en el objetivo ("white-out"). Por razones análogas, el sonar activo necesita transmitir en un haz estrecho para minimizar la dispersión.
La dispersión del sonar procedente de objetos (minas, oleoductos, zooplancton, accidentes geológicos, peces, etc.) es la forma en que el sonar activo los detecta, pero esta capacidad puede quedar enmascarada por una fuerte dispersión procedente de objetivos falsos o "desorden". Cuando ocurren (bajo olas rompientes; [39] en las estelas de los barcos; en el gas emitido por filtraciones y fugas del fondo marino [40], etc.), las burbujas de gas son poderosas fuentes de confusión y pueden ocultar fácilmente sus objetivos. TWIPS (sonar de pulso doble invertido) [41] [42] [43] es actualmente el único sonar que puede superar este problema de desorden.
Esto es importante ya que muchos conflictos recientes han ocurrido en aguas costeras, y la incapacidad de detectar si hay minas presentes o no presenta peligros y retrasos para los buques militares, y también para ayudar a los convoyes y barcos mercantes que intentan apoyar a la región mucho después de que el conflicto haya terminado. cesado. [41]
Las características de reflexión del sonido del objetivo de un sonar activo, como un submarino, se conocen como fuerza del objetivo . Una complicación es que también se obtienen ecos de otros objetos del mar como ballenas, estelas, bancos de peces y rocas.
El sonar pasivo detecta las características del ruido irradiado del objetivo . El espectro radiado comprende un espectro continuo de ruido con picos en determinadas frecuencias que pueden utilizarse para la clasificación.
Un buque atacado puede lanzar contramedidas activas (motorizadas) para elevar el nivel de ruido, proporcionar un gran objetivo falso y oscurecer la firma del propio buque.
Las contramedidas pasivas (es decir, sin motor) incluyen:
La guerra naval moderna hace un uso extensivo del sonar tanto pasivo como activo desde embarcaciones, aviones e instalaciones fijas. Aunque las embarcaciones de superficie utilizaron el sonar activo en la Segunda Guerra Mundial , los submarinos evitaron el uso del sonar activo debido a la posibilidad de revelar su presencia y posición a las fuerzas enemigas. Sin embargo, la llegada del procesamiento de señales moderno permitió el uso del sonar pasivo como medio principal para las operaciones de búsqueda y detección. Según se informa , en 1987 una división de la empresa japonesa Toshiba [44] vendió maquinaria a la Unión Soviética que permitía fresar las palas de las hélices de sus submarinos para que se volvieran radicalmente más silenciosas, lo que hacía que la nueva generación de submarinos fuera más difícil de detectar.
El uso de un sonar activo por parte de un submarino para determinar el rumbo es extremadamente raro y no necesariamente brindará información de rumbo o alcance de alta calidad al equipo de control de incendios del submarino. Sin embargo, el uso de sonar activo en buques de superficie es muy común y lo utilizan los submarinos cuando la situación táctica dicta que es más importante determinar la posición de un submarino hostil que ocultar su propia posición. En el caso de los barcos de superficie, se podría suponer que la amenaza ya está rastreando el barco con datos satelitales, ya que cualquier barco alrededor del sonar emisor detectará la emisión. Una vez escuchada la señal, es fácil identificar el equipo de sonar utilizado (normalmente por su frecuencia) y su posición (por la energía de la onda sonora). El sonar activo es similar al radar en que, si bien permite la detección de objetivos a una cierta distancia, también permite detectar el emisor a una distancia mucho mayor, lo cual no es deseable.
Dado que el sonar activo revela la presencia y la posición del operador y no permite una clasificación exacta de los objetivos, es utilizado por plataformas rápidas (aviones, helicópteros) y ruidosas (la mayoría de los barcos de superficie), pero rara vez por submarinos. Cuando los barcos de superficie o los submarinos utilizan el sonar activo, normalmente se activa muy brevemente en períodos intermitentes para minimizar el riesgo de detección. En consecuencia, el sonar activo normalmente se considera un respaldo del sonar pasivo. En los aviones, el sonar activo se utiliza en forma de sonoboyas desechables que se lanzan en el área de patrulla del avión o en las proximidades de posibles contactos del sonar enemigo.
El sonar pasivo tiene varias ventajas, la más importante es que es silencioso. Si el nivel de ruido irradiado por el objetivo es lo suficientemente alto, puede tener un alcance mayor que el sonar activo y permite identificar el objetivo. Dado que cualquier objeto motorizado produce algún ruido, en principio puede detectarse, dependiendo del nivel de ruido emitido y del nivel de ruido ambiental de la zona, así como de la tecnología utilizada. Para simplificar, el sonar pasivo "ve" alrededor del barco que lo utiliza. En un submarino, el sonar pasivo montado en el morro detecta en direcciones de aproximadamente 270°, centrado en la alineación del barco, el conjunto montado en el casco de aproximadamente 160° a cada lado y el conjunto remolcado de 360° completos. Las zonas invisibles se deben a la propia interferencia del barco. Una vez que se detecta una señal en una dirección determinada (lo que significa que algo emite un sonido en esa dirección, esto se llama detección de banda ancha) es posible hacer zoom y analizar la señal recibida (análisis de banda estrecha). Generalmente, esto se hace mediante una transformada de Fourier para mostrar las diferentes frecuencias que componen el sonido. Dado que cada motor emite un sonido específico, es sencillo identificar el objeto. Las bases de datos de sonidos únicos de motores forman parte de lo que se conoce como inteligencia acústica o ACINT.
Otro uso del sonar pasivo es determinar la trayectoria del objetivo . Este proceso se denomina análisis del movimiento del objetivo (TMA) y la "solución" resultante es el alcance, el rumbo y la velocidad del objetivo. TMA se realiza marcando de qué dirección proviene el sonido en diferentes momentos y comparando el movimiento con el del propio barco del operador. Los cambios en el movimiento relativo se analizan utilizando técnicas geométricas estándar junto con algunas suposiciones sobre casos límite.
El sonar pasivo es sigiloso y muy útil. Sin embargo, requiere componentes electrónicos de alta tecnología y es costoso. Generalmente se implementa en barcos costosos en forma de conjuntos para mejorar la detección. Los barcos de superficie lo utilizan con buenos resultados; Es incluso mejor utilizado por submarinos , y también por aviones y helicópteros, principalmente con un "efecto sorpresa", ya que los submarinos pueden esconderse bajo capas térmicas. Si el comandante de un submarino cree que está solo, puede acercar su barco a la superficie y ser más fácil de detectar, o ir más profundo y más rápido, y así hacer más sonido.
A continuación se dan ejemplos de aplicaciones de sonar en uso militar. Muchos de los usos civiles que se indican en la siguiente sección también pueden ser aplicables al uso naval.
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Hasta hace poco, los sonares para barcos se fabricaban normalmente con conjuntos montados en el casco, ya sea en el centro del barco o en la proa. Poco después de su uso inicial se descubrió que se necesitaba un medio para reducir el ruido del flujo. Los primeros eran de lona sobre armazón, luego se utilizaron los de acero. Ahora las cúpulas suelen estar hechas de plástico reforzado o caucho presurizado. Estos sonares funcionan principalmente de forma activa. Un ejemplo de sonar convencional montado en el casco es el SQS-56.
Debido a los problemas de ruido de los barcos, también se utilizan sonares remolcados. Tienen la ventaja de poder colocarse a mayor profundidad en el agua, pero tienen limitaciones en su uso en aguas poco profundas. Se denominan sistemas remolcados (lineales) o sonares de profundidad variable (VDS) con sistemas 2/3D. Un problema es que los cabrestantes necesarios para desplegarlos/recuperarlos son grandes y costosos. Los conjuntos VDS tienen un funcionamiento principalmente activo, mientras que los conjuntos remolcados son pasivos.
Un ejemplo de sonar moderno activo-pasivo remolcado para barcos es el Sonar 2087 fabricado por Thales Underwater Systems .
Los torpedos modernos generalmente están equipados con un sonar activo/pasivo. Esto se puede utilizar para apuntar directamente al objetivo, pero también se utilizan torpedos de estela . Un ejemplo temprano de un jonrón acústico fue el torpedo Mark 37 .
Las contramedidas de torpedos pueden ser remolcadas o libres. Un ejemplo temprano fue el dispositivo alemán Sieglinde, mientras que el Bold era un dispositivo químico. Un dispositivo estadounidense ampliamente utilizado fue el AN/SLQ-25 Nixie remolcado , mientras que el simulador de submarino móvil (MOSS) era un dispositivo gratuito. Una alternativa moderna al sistema Nixie es el sistema de defensa contra torpedos de buques de superficie S2170 de la Royal Navy del Reino Unido .
Las minas pueden estar equipadas con un sonar para detectar, localizar y reconocer el objetivo requerido. Un ejemplo es la mina CAPTOR .
El sonar de contramedidas de minas (MCM), a veces llamado "sónar para evitar minas y obstáculos (MOAS)", es un tipo especializado de sonar que se utiliza para detectar objetos pequeños. La mayoría de los sonares MCM están montados en el casco, pero algunos tipos tienen diseño VDS. Un ejemplo de sonar MCM montado en el casco es el Tipo 2193, mientras que el sonar de caza de minas SQQ-32 y los sistemas Tipo 2093 son diseños VDS.
Los submarinos dependen del sonar en mayor medida que los barcos de superficie, ya que no pueden utilizar el radar en el agua. Los conjuntos de sonar pueden montarse en el casco o remolcarse. La información sobre ajustes típicos se proporciona en el submarino clase Oyashio y en el submarino clase Swiftsure .
Los helicópteros se pueden utilizar para la guerra antisubmarina mediante el despliegue de campos de sonoboyas activas-pasivas o pueden operar sonares de inmersión, como el AQS-13 . Los aviones de ala fija también pueden desplegar sonoboyas y tienen mayor resistencia y capacidad para desplegarlas. El procesamiento mediante sonoboyas o sonares de inmersión puede realizarse en un avión o en un barco. El sonar de inmersión tiene la ventaja de poder desplegarse a profundidades apropiadas para las condiciones diarias. También se han utilizado helicópteros para misiones de contramedidas de minas utilizando sonares remolcados como el AQS-20A .
Se pueden instalar sonares dedicados a barcos y submarinos para comunicaciones submarinas.
Estados Unidos inició un sistema de sistemas fijos y pasivos de vigilancia oceánica en 1950 con el nombre clasificado Sound Surveillance System (SOSUS) con American Telephone and Telegraph Company (AT&T), y sus entidades de investigación Bell Laboratories y Western Electric fueron contratadas para el desarrollo y instalación. Los sistemas explotaron el canal SOFAR , también conocido como canal de sonido profundo, donde una velocidad mínima del sonido crea una guía de ondas en la que el sonido de baja frecuencia viaja miles de kilómetros. El análisis se basó en un espectrógrafo de sonido de AT&T, que convirtió el sonido en un espectrograma visual que representa un análisis de tiempo-frecuencia del sonido que se desarrolló para el análisis del habla y se modificó para analizar sonidos submarinos de baja frecuencia. Ese proceso fue Análisis y Registro de Bajas Frecuencias y el equipo se denominó Analizador y Registrador de Bajas Frecuencias, ambos con las siglas LOFAR. La investigación LOFAR se denominó Jezabel y condujo a su uso en sistemas aéreos y de superficie, particularmente en sonoboyas que utilizan el proceso y, a veces, usan "Jezabel" en su nombre. [45] [46] [47] [48] El sistema propuesto ofrecía tal promesa de detección de submarinos de largo alcance que la Armada ordenó medidas inmediatas para su implementación. [46] [49]
Entre la instalación de una matriz de prueba seguida de una matriz operativa prototipo de cuarenta elementos a gran escala en 1951 y 1958, se instalaron sistemas en el Atlántico y luego en el Pacífico bajo el nombre no clasificado Proyecto César . Los sistemas originales se terminaron en estaciones costeras clasificadas designadas como Instalación Naval (NAVFAC), que se explica que se dedican a la "investigación oceánica" para cubrir su misión clasificada. El sistema se actualizó varias veces con un cable más avanzado que permitió instalar los conjuntos en cuencas oceánicas y mejorar el procesamiento. Las estaciones costeras fueron eliminadas en un proceso de consolidación y redireccionamiento de los conjuntos a centros centrales de procesamiento en la década de 1990. En 1985, con la entrada en funcionamiento de nuevos conjuntos móviles y otros sistemas, el nombre del sistema colectivo se cambió a Sistema Integrado de Vigilancia Submarina (IUSS). En 1991 se desclasifica la misión del sistema. El año anterior a que se autorizara el uso de las insignias de la IUSS. Se concedió acceso a algunos sistemas para la investigación científica. [45] [46]
Se cree que la Unión Soviética utilizó un sistema similar.
El sonar se puede utilizar para detectar hombres rana y otros buceadores . Esto puede aplicarse alrededor de barcos o en las entradas de puertos. El sonar activo también se puede utilizar como mecanismo de disuasión y/o desactivación. Uno de esos dispositivos es el sistema Cerberus .
El sonar de imágenes de minas de lapa (LIMIS) es un sonar de imágenes portátil o montado en un ROV diseñado para que los buzos de patrulla ( hombres rana de combate o buzos de limpieza ) busquen minas de lapa en aguas de baja visibilidad .
El LUIS es otro sonar de imágenes para uso de un buceador.
El sistema de sonda de navegación integrada (INSS) es una pequeña sonda portátil con forma de linterna para buceadores que muestra el alcance. [50] [51]
Este es un sonar diseñado para detectar y localizar las transmisiones de sonares activos hostiles. Un ejemplo de esto es el Tipo 2082 instalado en los submarinos británicos de clase Vanguard .
La pesca es una industria importante que está experimentando una demanda creciente, pero el tonelaje de captura mundial está disminuyendo como resultado de graves problemas de recursos. La industria se enfrenta a un futuro de continua consolidación a nivel mundial hasta que se pueda alcanzar un punto de sostenibilidad . Sin embargo, la consolidación de las flotas pesqueras está impulsando una mayor demanda de dispositivos electrónicos sofisticados para la localización de peces, como sensores, sondas y sonares. Históricamente, los pescadores han utilizado muchas técnicas diferentes para encontrar y capturar peces. Sin embargo, la tecnología acústica ha sido una de las fuerzas impulsoras más importantes detrás del desarrollo de la pesca comercial moderna.
Las ondas sonoras viajan de manera diferente a través de los peces que a través del agua porque la vejiga natatoria llena de aire de un pez tiene una densidad diferente a la del agua de mar. Esta diferencia de densidad permite la detección de bancos de peces mediante el uso de sonido reflejado. La tecnología acústica es especialmente adecuada para aplicaciones submarinas, ya que el sonido viaja más lejos y más rápido bajo el agua que en el aire. Hoy en día, los buques pesqueros comerciales dependen casi por completo del sonar acústico y las sondas para detectar peces. Los pescadores también utilizan tecnología de sonar activo y ecosonda para determinar la profundidad del agua, el contorno del fondo y la composición del fondo.
Empresas como eSonar, Raymarine , Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp y Simrad fabrican una variedad de instrumentos acústicos y de sonar para la industria de la pesca comercial en alta mar . Por ejemplo, los sensores de red toman diversas mediciones bajo el agua y transmiten la información a un receptor a bordo de un barco. Cada sensor está equipado con uno o más transductores acústicos según su función específica. Los datos se transmiten desde los sensores mediante telemetría acústica inalámbrica y se reciben mediante un hidrófono montado en el casco. Las señales analógicas son decodificadas y convertidas por un receptor acústico digital en datos que se transmiten a una computadora puente para su visualización gráfica en un monitor de alta resolución.
El ecosondeo es un proceso utilizado para determinar la profundidad del agua debajo de barcos y embarcaciones. Un tipo de sonar activo, el ecosondeo es la transmisión de un pulso acústico directamente hacia el fondo marino, midiendo el tiempo entre la transmisión y el retorno del eco, después de haber tocado el fondo y rebotado de regreso a su barco de origen. El impulso acústico es emitido por un transductor que también recibe el eco de retorno. La medición de la profundidad se calcula multiplicando la velocidad del sonido en el agua (una media de 1.500 metros por segundo) por el tiempo entre la emisión y el retorno del eco. [52]
El valor de la acústica submarina para la industria pesquera ha llevado al desarrollo de otros instrumentos acústicos que funcionan de manera similar a las ecosondas pero, debido a que su función es ligeramente diferente del modelo inicial de ecosonda, se les han dado diferentes términos.
La sonda de red es una ecosonda con un transductor montado en el cabezal de la red en lugar de en el fondo del barco. Sin embargo, para adaptar la distancia entre el transductor y la unidad de visualización, que es mucho mayor que en una ecosonda normal, es necesario realizar varias mejoras. Hay dos tipos principales disponibles. El primero es el tipo de cable en el que las señales se envían a lo largo de un cable. En este caso, es necesario disponer de un tambor de cable sobre el que transportar, tirar y estibar el cable durante las diferentes fases de la operación. El segundo tipo es la sonda de red sin cables, como la Trawl Explorer de Marport, en la que las señales se envían acústicamente entre la red y el receptor-hidrófono montado en el casco del barco. En este caso, no se requiere ningún tambor de cable, pero sí una electrónica sofisticada en el transductor y el receptor.
La pantalla de una sonda de red muestra la distancia de la red desde el fondo (o la superficie), en lugar de la profundidad del agua como ocurre con el transductor montado en el casco de la ecosonda . Fijada a la cabecera de la red, normalmente se puede ver la relinga, lo que da una indicación del rendimiento de la red. También se puede ver cualquier pez que entre en la red, lo que permite realizar ajustes finos para capturar la mayor cantidad de peces posible. En otras pesquerías, donde la cantidad de peces en la red es importante, los transductores del sensor de captura se montan en varias posiciones en el copo de la red. A medida que el copo se llena, estos transductores sensores de captura se activan uno por uno y esta información se transmite acústicamente a los monitores en el puente del barco. El patrón puede entonces decidir cuándo izar la red.
Las versiones modernas de la sonda de red, que utilizan transductores de elementos múltiples, funcionan más como un sonar que como una ecosonda y muestran secciones del área frente a la red y no simplemente la vista vertical que usaban las sondas de red iniciales.
El sonar es una ecosonda con capacidad direccional que puede mostrar peces u otros objetos alrededor del barco.
Se han instalado pequeños sonares en vehículos operados a distancia (ROV) y vehículos submarinos no tripulados (UUV) para permitir su funcionamiento en condiciones turbias. Estos sonares se utilizan para mirar hacia delante del vehículo. El Sistema de Reconocimiento de Minas a Largo Plazo es un UUV para propósitos de MCM.
Los aviones están equipados con sonares que actúan como balizas para permitir su localización en caso de accidente en el mar. Se pueden utilizar sonares de línea de base corta y larga para determinar la ubicación, como LBL .
En 2013, un inventor estadounidense presentó un traje con "sentido de araña", equipado con sensores ultrasónicos y sistemas de retroalimentación háptica , que alerta al usuario de amenazas entrantes; permitiéndoles responder a los atacantes incluso con los ojos vendados. [53]
Detección de peces y otras formas de vida marina y acuática, y estimación de sus tamaños individuales o biomasa total mediante técnicas de sonar activo. Los pulsos de sonido se reflejan en cualquier objeto que tenga una densidad diferente a la del medio circundante. Esto incluye a los peces, o más específicamente, a la vejiga natatoria llena de aire de los peces. [54] Estos ecos proporcionan información sobre el tamaño, la ubicación, la abundancia y el comportamiento de los peces. Esto es especialmente eficaz para los peces con vejiga natatoria (por ejemplo, arenque, bacalao y abadejo) y menos útil para peces sin vejiga (por ejemplo, tiburones, caballa y platija). [55] Los datos de la columna de agua generalmente se procesan de manera diferente a los datos de detección del fondo marino o de objetos; este tipo de datos se puede procesar con software especializado. [54]
Se puede utilizar una ecosonda que mira hacia arriba montada en el fondo o en una plataforma para realizar mediciones de la altura y el período de las olas. A partir de esto se pueden derivar estadísticas de las condiciones de la superficie en un lugar.
Se han desarrollado sonares especiales de corto alcance para permitir mediciones de la velocidad del agua.
Se han desarrollado sonares que pueden usarse para caracterizar el fondo del mar en, por ejemplo, barro, arena y grava. Sonares relativamente simples, como las ecosondas, pueden convertirse en sistemas de clasificación del fondo marino mediante módulos adicionales, convirtiendo los parámetros del eco en tipos de sedimentos. Existen diferentes algoritmos, pero todos se basan en cambios en la energía o la forma de los sonidos de la sirena reflejados. Se puede lograr un análisis avanzado de clasificación de sustratos utilizando ecosondas calibradas (científicas) y análisis paramétricos o de lógica difusa de los datos acústicos.
Los sonares de barrido lateral se pueden utilizar para obtener mapas de la topografía del fondo marino ( batimetría ) moviendo el sonar justo por encima del fondo. Se han utilizado sonares de baja frecuencia como el GLORIA para estudios de toda la plataforma continental, mientras que los sonares de alta frecuencia se utilizan para estudios más detallados de áreas más pequeñas.
Se han desarrollado potentes ecosondas de baja frecuencia para proporcionar perfiles de las capas superiores del fondo del océano. Uno de los dispositivos más recientes es el SBP paramétrico multitransductor quattro SES-2000 de Innomar, utilizado, por ejemplo, en Puck Bay con fines arqueológicos submarinos [56].
Las burbujas de gas pueden filtrarse desde el fondo marino, o cerca de él, desde múltiples fuentes. Estos pueden detectarse tanto con el sonar pasivo [57] como con el sonar activo [40] (que se muestran en la figura esquemática [57] mediante sistemas amarillo y rojo respectivamente).
Se producen filtraciones naturales de metano y dióxido de carbono. [40] Los gasoductos pueden tener fugas, y es importante poder detectar si se producen fugas en las instalaciones de captura y almacenamiento de carbono (CCSF; por ejemplo, pozos de petróleo agotados en los que se almacena el carbono atmosférico extraído). [58] [59] [60] [61] La cuantificación de la cantidad de gas que se escapa es difícil, y aunque se pueden hacer estimaciones utilizando sonares activos y pasivos, es importante cuestionar su precisión debido a las suposiciones inherentes a la realización de tales estimaciones. a partir de datos de sonar. [57] [62]
En el laboratorio se han construido varios sonares de apertura sintética y algunos han comenzado a utilizarse en sistemas de búsqueda y caza de minas. En el sonar de apertura sintética se da una explicación de su funcionamiento .
Las fuentes paramétricas utilizan la no linealidad del agua para generar la diferencia de frecuencia entre dos frecuencias altas. Se forma una matriz virtual de disparo final. Un proyector de este tipo tiene las ventajas de un ancho de banda amplio, un ancho de haz estrecho y, cuando está completamente desarrollado y medido cuidadosamente, no tiene lóbulos laterales obvios: consulte Matriz paramétrica . Su principal desventaja es una eficiencia muy baja, de sólo un pequeño porcentaje. [63] PJ Westervelt resume las tendencias involucradas. [64]
Se ha propuesto el uso de sonar tanto activo como pasivo para diversos entornos extraterrestres. [65] Un ejemplo es Titán , donde se podría usar un sonar activo para determinar la profundidad de sus mares de hidrocarburos , [66] y un sonar pasivo podría usarse para detectar caídas de metano . [67]
Las propuestas que no tengan debidamente en cuenta la diferencia entre entornos terrestres y extraterrestres podrían dar lugar a mediciones erróneas. [68] [69] [70] [71] [72] [73]
Las investigaciones han demostrado que el uso de un sonar activo puede provocar varamientos masivos de mamíferos marinos . [74] Se ha demostrado que los zifios , la víctima más común de los varamientos, son muy sensibles al sonar activo de frecuencia media. [75] Otros mamíferos marinos como la ballena azul también huyen de la fuente del sonar, [76] mientras que se sugirió que la actividad naval era la causa más probable de un varamiento masivo de delfines. [77] La Marina de los EE. UU., que financió parcialmente algunos de los estudios, dijo que los hallazgos sólo mostraban respuestas conductuales al sonar, no daños reales, pero que "evaluarán la eficacia de [sus] medidas de protección de los mamíferos marinos a la luz de las nuevas resultados de la investigación". [74] Un fallo de la Corte Suprema de Estados Unidos de 2008 sobre el uso de sonar por parte de la Marina de Estados Unidos señaló que no había habido casos en los que se hubiera demostrado de manera concluyente que el sonar hubiera dañado o matado a un mamífero marino. [78]
Algunos animales marinos, como las ballenas y los delfines , utilizan sistemas de ecolocalización , a veces llamados biosonar, para localizar depredadores y presas. La investigación sobre los efectos del sonar en las ballenas azules en la ensenada del sur de California muestra que el uso del sonar de frecuencia media altera el comportamiento alimentario de las ballenas. Esto indica que la interrupción de la alimentación inducida por el sonar y el desplazamiento de áreas de presas de alta calidad podrían tener impactos significativos y previamente no documentados en la ecología de alimentación de las ballenas barbadas , la aptitud individual y la salud de la población. [79]
En 2019 se publicó una revisión de la evidencia sobre los varamientos masivos de zifios relacionados con ejercicios navales en los que se utilizó sonar. Se concluyó que los efectos del sonar activo de frecuencia media son más fuertes en los zifios de Cuvier, pero varían entre individuos o poblaciones. La revisión sugirió que la fuerza de la respuesta de los animales individuales puede depender de si tuvieron exposición previa al sonar, y que se han encontrado síntomas de enfermedad por descompresión en ballenas varadas que pueden ser el resultado de dicha respuesta al sonar. Señaló que en las Islas Canarias, donde se habían notificado múltiples varamientos anteriormente, no se habían producido más varamientos masivos una vez que se prohibieron en la zona los ejercicios navales durante los cuales se utilizó el sonar, y recomendó que la prohibición se extendiera a otras áreas donde los varamientos masivos continúan. ocurrir. [80] [81]
El sonar de baja frecuencia puede crear un pequeño cambio temporal en el umbral auditivo de algunos peces. [82] [83] [un]
Las frecuencias de los sonares van desde infrasónicas hasta más de un megahercio. Generalmente, las frecuencias más bajas tienen un alcance más largo, mientras que las frecuencias más altas ofrecen mejor resolución y un tamaño más pequeño para una direccionalidad determinada.
Para lograr una direccionalidad razonable, las frecuencias inferiores a 1 kHz generalmente requieren un tamaño grande, que generalmente se logra como conjuntos remolcados. [84]
Los sonares de baja frecuencia se definen vagamente como 1 a 5 kHz, aunque algunas armadas consideran de 5 a 7 kHz también como baja frecuencia. La frecuencia media se define como 5 a 15 kHz. Otro estilo de división considera que la frecuencia baja está por debajo de 1 kHz y la frecuencia media entre 1 y 10 kHz. [84]
Los sonares estadounidenses de la época de la Segunda Guerra Mundial operaban a una frecuencia relativamente alta de 20 a 30 kHz, para lograr direccionalidad con transductores razonablemente pequeños, con un rango operativo máximo típico de 2500 yardas. Los sonares de posguerra utilizaron frecuencias más bajas para lograr un alcance más largo; por ejemplo, el SQS-4 funciona a 10 kHz con un alcance de hasta 5000 yardas. SQS-26 y SQS-53 operaron a 3 kHz con un alcance de hasta 20 000 yardas; sus cúpulas tenían un tamaño de aprox. un barco de personal de 60 pies, un límite de tamaño superior para los sonares de casco convencionales. Hasta ahora no ha sido eficaz conseguir tamaños más grandes mediante un sistema de sonar conformado distribuido sobre el casco, ya que se utilizan sistemas lineales o remolcados para frecuencias más bajas. [84]
Los sonares japoneses de la Segunda Guerra Mundial funcionaron en una variedad de frecuencias. El Type 91, con proyector de cuarzo de 30 pulgadas, trabajaba a 9 kHz. El Tipo 93, con proyectores de cuarzo más pequeños, funcionaba a 17,5 kHz (modelo 5 a 16 o 19 kHz magnetostrictivo) a potencias de entre 1,7 y 2,5 kilovatios, con un alcance de hasta 6 km. El último Tipo 3, con transductores magnetoestrictivos de diseño alemán, operaba a 13, 14,5, 16 o 20 kHz (según modelo), utilizando transductores gemelos (excepto el modelo 1 que tenía tres individuales), de 0,2 a 2,5 kilovatios. El tipo simple utilizaba transductores magnetoestrictivos de 14,5 kHz a 0,25 kW, accionados por descarga capacitiva en lugar de osciladores, con un alcance de hasta 2,5 km. [22]
La resolución del sonar es angular; Los objetos más alejados se muestran con resoluciones más bajas que los cercanos.
Otra fuente enumera rangos y resoluciones versus frecuencias para sonares de barrido lateral. 30 kHz proporciona una resolución baja con un rango de 1000 a 6000 m, 100 kHz proporciona una resolución media de 500 a 1000 m, 300 kHz proporciona una resolución alta de 150 a 500 m y 600 kHz proporciona una resolución alta de 75 a 150 m. Los sonares de mayor alcance se ven más afectados por la falta de homogeneidad del agua. Algunos ambientes, típicamente aguas poco profundas cerca de las costas, tienen un terreno complicado con muchas características; Allí se necesitan frecuencias más altas. [85]
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