La acústica subacuática (también conocida como hidroacústica ) es el estudio de la propagación del sonido en el agua y la interacción de las ondas mecánicas que constituyen el sonido con el agua, su contenido y sus límites. El agua puede estar en el océano, un lago, un río o un tanque . Las frecuencias típicas asociadas con la acústica submarina están entre 10 Hz y 1 MHz . La propagación del sonido en el océano a frecuencias inferiores a 10 Hz normalmente no es posible sin penetrar profundamente en el lecho marino, mientras que las frecuencias superiores a 1 MHz rara vez se utilizan porque se absorben muy rápidamente.
La hidroacústica, que utiliza tecnología de sonar , se utiliza más comúnmente para monitorear las características físicas y biológicas bajo el agua. La hidroacústica se puede utilizar para detectar la profundidad de un cuerpo de agua ( batimetría ), así como la presencia o ausencia, abundancia, distribución, tamaño y comportamiento de plantas [1] y animales submarinos. La detección hidroacústica implica " acústica pasiva " (escuchar sonidos) o acústica activa que emite un sonido y escucha el eco, de ahí el nombre común del dispositivo, ecosonda o ecosonda .
Hay varias causas diferentes del ruido del transporte marítimo. Estos se pueden subdividir en los provocados por la hélice, los provocados por la maquinaria y los provocados por el movimiento del casco a través del agua. La importancia relativa de estas tres categorías diferentes dependerá, entre otras cosas, del tipo de barco [a]
Una de las principales causas del ruido hidroacústico proveniente de superficies de elevación completamente sumergidas es el flujo turbulento separado e inestable cerca del borde de salida de la superficie que produce fluctuaciones de presión en la superficie y un flujo oscilatorio inestable en la estela cercana. El movimiento relativo entre la superficie y el océano crea una capa límite turbulenta (TBL) que rodea la superficie. El ruido es generado por los campos fluctuantes de velocidad y presión dentro de este TBL.
El campo de la acústica subacuática está estrechamente relacionado con otros campos del estudio acústico, incluidos el sonar , la transducción , el procesamiento de señales , la oceanografía acústica , la bioacústica y la acústica física .
El sonido submarino probablemente ha sido utilizado por los animales marinos durante millones de años. La ciencia de la acústica submarina comenzó en 1490, cuando Leonardo da Vinci escribió lo siguiente, [2]
En 1687 Isaac Newton escribió sus Principios matemáticos de la filosofía natural, que incluía el primer tratamiento matemático del sonido. El siguiente gran paso en el desarrollo de la acústica submarina lo dieron Daniel Colladon , un físico suizo , y Charles Sturm , un matemático francés . En 1826, en el lago Lemán , midieron el tiempo transcurrido entre un destello de luz y el sonido de la campana de un barco sumergido que se escuchaba mediante una bocina de escucha submarina. [3] Midieron una velocidad del sonido de 1435 metros por segundo en una distancia de 17 kilómetros (km), proporcionando la primera medición cuantitativa de la velocidad del sonido en el agua. [4] El resultado que obtuvieron estuvo dentro de aproximadamente el 2% de los valores actualmente aceptados. En 1877, Lord Rayleigh escribió la Teoría del Sonido y estableció la teoría acústica moderna.
El hundimiento del Titanic en 1912 y el inicio de la Primera Guerra Mundial impulsaron la siguiente ola de progreso en acústica submarina. Se desarrollaron sistemas para detectar icebergs y submarinos . Entre 1912 y 1914, se concedieron varias patentes de ecolocalización en Europa y Estados Unidos, que culminaron con el eco-ranger de Reginald A. Fessenden en 1914. Durante esta época , Paul Langevin llevó a cabo un trabajo pionero en Francia y AB en Gran Bretaña. Madera y asociados. [5] El desarrollo tanto del ASDIC activo como del sonar pasivo (Sound Navigation And Ranging) avanzó rápidamente durante la guerra, impulsado por los primeros despliegues a gran escala de submarinos . Otros avances en acústica submarina incluyeron el desarrollo de minas acústicas .
En 1919 se publicó el primer artículo científico sobre acústica submarina [6] , que describía teóricamente la refracción de las ondas sonoras producidas por los gradientes de temperatura y salinidad en el océano. Las predicciones de alcance del artículo se validaron experimentalmente mediante mediciones de pérdida de propagación .
Las siguientes dos décadas vieron el desarrollo de varias aplicaciones de la acústica subacuática. El sonómetro , o sonda de profundidad, se desarrolló comercialmente durante la década de 1920. Originalmente se utilizaban materiales naturales para los transductores, pero en la década de 1930 los sistemas de sonar que incorporaban transductores piezoeléctricos hechos de materiales sintéticos se utilizaban para sistemas de escucha pasiva y para sistemas activos de medición de eco. Estos sistemas fueron utilizados con buenos resultados durante la Segunda Guerra Mundial tanto por submarinos como por buques antisubmarinos. Se realizaron muchos avances en acústica submarina que se resumieron posteriormente en la serie Física del sonido en el mar , publicada en 1946.
Después de la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo de sistemas de sonar fue impulsado en gran medida por la Guerra Fría , lo que dio lugar a avances en la comprensión teórica y práctica de la acústica submarina, con la ayuda de técnicas informáticas.
Una onda sonora que se propaga bajo el agua consiste en compresiones y rarefacciones alternas del agua. Estas compresiones y rarefacciones son detectadas por un receptor, como el oído humano o un hidrófono , como cambios de presión . Estas ondas pueden ser provocadas por el hombre o generadas naturalmente.
La velocidad del sonido (es decir, el movimiento longitudinal de los frentes de onda) está relacionada con la frecuencia y la longitud de onda de una onda .
Esto es diferente de la velocidad de las partículas , que se refiere al movimiento de las moléculas en el medio debido al sonido, y relaciona la presión de la onda plana con la densidad del fluido y la velocidad del sonido .
El producto de y de la fórmula anterior se conoce como impedancia acústica característica . El área unitaria de cruce de potencia acústica (energía por segundo) se conoce como intensidad de la onda y, para una onda plana, la intensidad promedio está dada por , donde es la raíz cuadrática media de la presión acústica.
A veces se utiliza el término "velocidad del sonido", pero es incorrecto ya que la cantidad es un escalar.
El gran contraste de impedancia entre el aire y el agua (la relación es de aproximadamente 3600) y la escala de rugosidad de la superficie significa que la superficie del mar se comporta como un reflector casi perfecto del sonido en frecuencias inferiores a 1 kHz. La velocidad del sonido en el agua supera a la del aire en un factor de 4,4 y la relación de densidad es de aproximadamente 820.
La absorción del sonido de baja frecuencia es débil. [7] (ver Guías técnicas – Cálculo de la absorción de sonido en agua de mar para obtener una calculadora en línea). La principal causa de la atenuación del sonido en agua dulce y a alta frecuencia en agua de mar (por encima de 100 kHz) es la viscosidad . Importantes contribuciones adicionales a menor frecuencia en el agua de mar están asociadas con la relajación iónica del ácido bórico (hasta c. 10 kHz) [7] y el sulfato de magnesio (c. 10 kHz-100 kHz). [8]
El sonido puede ser absorbido por pérdidas en los límites del fluido. Cerca de la superficie del mar pueden producirse pérdidas en una capa de burbujas o en el hielo, mientras que en el fondo el sonido puede penetrar en los sedimentos y ser absorbido.
Tanto la superficie del agua como el fondo son límites reflectantes y de dispersión.
Para muchos propósitos, la superficie del aire del mar puede considerarse como un reflector perfecto. El contraste de impedancia es tan grande que poca energía puede cruzar este límite. Las ondas de presión acústica reflejadas desde la superficie del mar experimentan una inversión de fase, a menudo denominada "cambio de fase pi" o "cambio de fase de 180 grados". Esto se representa matemáticamente asignando a la superficie del mar un coeficiente de reflexión de menos 1 en lugar de más uno. [9]
A alta frecuencia (por encima de aproximadamente 1 kHz) o cuando el mar está agitado, parte del sonido incidente se dispersa, y esto se tiene en cuenta asignando un coeficiente de reflexión cuya magnitud es menor que uno. Por ejemplo, cerca de la incidencia normal, el coeficiente de reflexión se convierte en , donde h es la altura de onda rms . [10]
Otra complicación es la presencia de burbujas generadas por el viento o peces cerca de la superficie del mar. [11] Las burbujas también pueden formar columnas que absorben parte del sonido incidente y disperso, y dispersan parte del sonido ellos mismos. [12]
El desajuste de impedancia acústica entre el agua y el fondo es generalmente mucho menor que en la superficie y es más complejo. Depende del tipo de material del fondo y de la profundidad de las capas. Para predecir la propagación del sonido en el fondo se han desarrollado teorías, por ejemplo, por Biot [13] y Buckingham. [14]
La reflexión del sonido en un objetivo cuyas dimensiones son grandes en comparación con la longitud de onda acústica depende de su tamaño y forma, así como de la impedancia del objetivo en relación con la del agua. Se han desarrollado fórmulas para la intensidad objetivo de varias formas simples en función del ángulo de incidencia del sonido. Se pueden aproximar formas más complejas combinando estas simples. [2]
La propagación acústica submarina depende de muchos factores. La dirección de propagación del sonido está determinada por los gradientes de velocidad del sonido en el agua. Estos gradientes de velocidad transforman la onda sonora mediante refracción, reflexión y dispersión. En el mar los gradientes verticales son generalmente mucho mayores que los horizontales. Combinando esto con una tendencia a aumentar la velocidad del sonido a medida que aumenta la profundidad, debido al aumento de la presión en las profundidades del mar , se produce una inversión del gradiente de velocidad del sonido en la termoclina , creando una guía de ondas eficiente en la profundidad, correspondiente a la velocidad mínima del sonido. El perfil de velocidad del sonido puede causar regiones de baja intensidad de sonido llamadas "Zonas de Sombra" y regiones de alta intensidad llamadas "Cáusticas". Estos se pueden encontrar mediante métodos de trazado de rayos .
En el ecuador y en las latitudes templadas del océano, la temperatura de la superficie es lo suficientemente alta como para revertir el efecto de la presión, de modo que se produce una velocidad mínima del sonido a una profundidad de unos pocos cientos de metros. La presencia de este mínimo crea un canal especial conocido como canal de sonido profundo, o canal SOFAR (fijación y alcance del sonido), que permite la propagación guiada del sonido submarino a lo largo de miles de kilómetros sin interacción con la superficie o el fondo del mar. Otro fenómeno en las profundidades del mar es la formación de áreas de concentración del sonido, conocidas como zonas de convergencia. En este caso, el sonido se refracta hacia abajo desde una fuente cercana a la superficie y luego regresa hacia arriba. La distancia horizontal desde la fuente en la que esto ocurre depende de los gradientes positivos y negativos de la velocidad del sonido. Un conducto superficial también puede ocurrir tanto en aguas profundas como moderadamente poco profundas cuando hay refracción hacia arriba, por ejemplo debido a temperaturas frías de la superficie. La propagación se produce mediante repetidos rebotes de sonido en la superficie.
En general, a medida que el sonido se propaga bajo el agua hay una reducción en la intensidad del sonido en rangos crecientes, aunque en algunas circunstancias se puede obtener una ganancia debido al enfoque. La pérdida de propagación (a veces denominada pérdida de transmisión ) es una medida cuantitativa de la reducción de la intensidad del sonido entre dos puntos, normalmente la fuente del sonido y un receptor distante. Si es la intensidad del campo lejano de la fuente referida a un punto a 1 m de su centro acústico y es la intensidad en el receptor, entonces la pérdida de propagación viene dada por [2] . En esta ecuación no está la verdadera intensidad acústica en el receptor, que es una cantidad vectorial , sino un escalar igual a la intensidad de onda plana equivalente (EPWI) del campo sonoro. El EPWI se define como la magnitud de la intensidad de una onda plana de la misma presión RMS que el campo acústico verdadero. A corta distancia, la pérdida de propagación está dominada por la dispersión, mientras que a larga distancia está dominada por las pérdidas por absorción y/o dispersión.
Es posible una definición alternativa en términos de presión en lugar de intensidad, [15] dando , donde es la presión acústica RMS en el campo lejano del proyector, escalada a una distancia estándar de 1 m, y es la presión RMS en el receptor. posición.
Estas dos definiciones no son exactamente equivalentes porque la impedancia característica en el receptor puede ser diferente de la de la fuente. Debido a esto, el uso de la definición de intensidad conduce a una ecuación de sonar diferente a la definición basada en una relación de presión. [16] Si la fuente y el receptor están ambos en agua, la diferencia es pequeña.
La propagación del sonido a través del agua se describe mediante la ecuación de ondas, con las condiciones límite adecuadas. Se han desarrollado varios modelos para simplificar los cálculos de propagación. Estos modelos incluyen teoría de rayos, soluciones en modo normal y simplificaciones de ecuaciones parabólicas de la ecuación de onda. [17] Cada conjunto de soluciones es generalmente válido y computacionalmente eficiente en un régimen de frecuencia y rango limitado, y también puede implicar otros límites. La teoría de rayos es más apropiada a corto alcance y alta frecuencia, mientras que las otras soluciones funcionan mejor a largo alcance y baja frecuencia. [18] [19] [20] También se han derivado varias fórmulas empíricas y analíticas a partir de mediciones que son aproximaciones útiles. [21]
Los sonidos transitorios dan como resultado un fondo decadente que puede tener una duración mucho mayor que la señal transitoria original. La causa de este fondo, conocido como reverberación, se debe en parte a la dispersión desde límites irregulares y en parte a la dispersión de peces y otra biota . Para que una señal acústica se detecte fácilmente debe superar el nivel de reverberación así como el nivel de ruido de fondo .
Si un objeto submarino se mueve con respecto a un receptor submarino, la frecuencia del sonido recibido es diferente de la del sonido irradiado (o reflejado) por el objeto. Este cambio de frecuencia se conoce como desplazamiento Doppler . El cambio se puede observar fácilmente en sistemas de sonar activos , particularmente en los de banda estrecha, porque se conoce la frecuencia del transmisor y se puede calcular el movimiento relativo entre el sonar y el objeto. A veces también se puede conocer la frecuencia del ruido radiado (un tonal ), en cuyo caso se puede realizar el mismo cálculo para el sonar pasivo. Para los sistemas activos, el cambio de frecuencia es de 0,69 Hz por nudo por kHz y la mitad para los sistemas pasivos, ya que la propagación es en un solo sentido. El cambio corresponde a un aumento en la frecuencia de un objetivo que se acerca.
Aunque los modelos de propagación acústica generalmente predicen un nivel de sonido recibido constante, en la práctica existen fluctuaciones tanto temporales como espaciales. Estos pueden deberse a fenómenos ambientales tanto de pequeña como de gran escala. Estos pueden incluir perfil de velocidad del sonido, estructura fina y zonas frontales, así como ondas internas. Debido a que, en general, existen múltiples caminos de propagación entre una fuente y un receptor, pequeños cambios de fase en el patrón de interferencia entre estos caminos pueden provocar grandes fluctuaciones en la intensidad del sonido.
En el agua, especialmente con burbujas de aire, el cambio de densidad debido a un cambio de presión no es exactamente linealmente proporcional. Como consecuencia de una entrada de onda sinusoidal, se generan frecuencias armónicas y subarmónicas adicionales. Cuando se ingresan dos ondas sinusoidales, se generan frecuencias suma y diferencia. El proceso de conversión es mayor en niveles de fuente altos que en niveles pequeños. Debido a la no linealidad, la velocidad del sonido depende de la amplitud de la presión, de modo que los cambios grandes viajan más rápido que los pequeños. Así, una forma de onda sinusoidal se convierte gradualmente en una forma de diente de sierra con un ascenso pronunciado y una cola gradual. Este fenómeno se utiliza en el sonar paramétrico y se han desarrollado teorías para explicarlo, por ejemplo, por Westerfield.
El sonido en el agua se mide utilizando un hidrófono , que es el equivalente submarino de un micrófono . Un hidrófono mide las fluctuaciones de presión y, por lo general, estas se convierten en nivel de presión sonora (SPL), que es una medida logarítmica de la presión acústica cuadrática media .
Las mediciones generalmente se informan en una de dos formas:
La escala de presión acústica en el agua difiere de la utilizada para el sonido en el aire. En el aire, la presión de referencia es de 20 μPa en lugar de 1 μPa. Para el mismo valor numérico de SPL, la intensidad de una onda plana (potencia por unidad de área, proporcional a la presión sonora media cuadrática dividida por la impedancia acústica) en el aire es aproximadamente 20 2 × 3600 = 1 440 000 veces mayor que en el agua. De manera similar, la intensidad es aproximadamente la misma si el SPL es 61,6 dB mayor en el agua.
La norma ISO 18405 de 2017 define términos y expresiones utilizados en el campo de la acústica subacuática, incluido el cálculo de los niveles de presión sonora bajo el agua.
Los valores aproximados para agua dulce y agua de mar , respectivamente, a presión atmosférica son 1450 y 1500 m/s para la velocidad del sonido, y 1000 y 1030 kg/m 3 para la densidad. [22] La velocidad del sonido en el agua aumenta al aumentar la presión , la temperatura y la salinidad . [23] [24] La velocidad máxima en agua pura bajo presión atmosférica se alcanza a aproximadamente 74 °C; el sonido viaja más lento en agua más caliente después de ese punto; el máximo aumenta con la presión. [25]
Se han realizado muchas mediciones de la absorción del sonido en lagos y océanos [7] [8] (consulte Guías técnicas – Cálculo de la absorción del sonido en el agua de mar para obtener una calculadora en línea).
La medición de señales acústicas es posible si su amplitud excede un umbral mínimo, determinado en parte por el procesamiento de señales utilizado y en parte por el nivel de ruido de fondo. El ruido ambiental es la parte del ruido recibido que es independiente de las características de la fuente, el receptor y la plataforma. De este modo se excluyen, por ejemplo, las reverberaciones y los ruidos de remolque.
El ruido de fondo presente en el océano, o ruido ambiental, tiene muchas fuentes diferentes y varía según la ubicación y la frecuencia. [26] En las frecuencias más bajas, de aproximadamente 0,1 Hz a 10 Hz, la turbulencia oceánica y los microsismos son los principales contribuyentes al ruido de fondo. [27] Los niveles típicos del espectro de ruido disminuyen al aumentar la frecuencia desde aproximadamente 140 dB re 1 μPa 2 /Hz a 1 Hz hasta aproximadamente 30 dB re 1 μPa 2 /Hz a 100 kHz. El tráfico de barcos distantes es una de las fuentes de ruido dominantes [28] en la mayoría de las zonas para frecuencias de alrededor de 100 Hz, mientras que el ruido de superficie inducido por el viento es la fuente principal entre 1 kHz y 30 kHz. A frecuencias muy altas, por encima de 100 kHz, comienza a dominar el ruido térmico de las moléculas de agua. El nivel espectral del ruido térmico a 100 kHz es de 25 dB re 1 μPa 2 /Hz. La densidad espectral del ruido térmico aumenta 20 dB por década (aproximadamente 6 dB por octava ). [29]
Las fuentes de sonido transitorias también contribuyen al ruido ambiental. Estos pueden incluir actividad geológica intermitente, como terremotos y volcanes submarinos, [30] lluvias en la superficie y actividad biológica. Las fuentes biológicas incluyen cetáceos (especialmente cachalotes azules , de aleta y de esperma ), [31] [32] ciertos tipos de peces y camarones mordedores .
La lluvia puede producir altos niveles de ruido ambiental. Sin embargo, la relación numérica entre la tasa de lluvia y el nivel de ruido ambiental es difícil de determinar porque la medición de la tasa de lluvia es problemática en el mar.
Se han realizado muchas mediciones de la superficie del mar, del fondo y del volumen de reverberación. A veces se han derivado modelos empíricos de estos. Una expresión comúnmente utilizada para la banda de 0,4 a 6,4 kHz es la de Chapman y Harris. [33] Se ha descubierto que una forma de onda sinusoidal se propaga en frecuencia debido al movimiento de la superficie. Para la reverberación del fondo, a menudo se aplica aproximadamente la ley de Lambert; por ejemplo, consulte Mackenzie. [34] La reverberación de volumen suele ocurrir principalmente en capas, que cambian de profundidad con la hora del día, por ejemplo, ver Marshall y Chapman. [35] La superficie inferior del hielo puede producir una fuerte reverberación cuando es rugosa, véase, por ejemplo, Milne. [36]
La pérdida del fondo se ha medido en función del ángulo rasante para muchas frecuencias en diversos lugares, por ejemplo, los del Servicio Geofísico Marino de EE. UU. [37] La pérdida depende de la velocidad del sonido en el fondo (que se ve afectada por gradientes y capas) y por la rugosidad. Se han elaborado gráficos para las pérdidas esperables en circunstancias particulares. En aguas poco profundas, la pérdida del fondo suele tener el impacto dominante en la propagación a larga distancia. A bajas frecuencias, el sonido puede propagarse a través del sedimento y luego regresar al agua.
Al igual que con el sonido aéreo , el nivel de presión sonora bajo el agua generalmente se informa en unidades de decibeles , pero existen algunas diferencias importantes que hacen que sea difícil (y a menudo inapropiado) comparar el SPL en el agua con el SPL en el aire. Estas diferencias incluyen: [38]
El SPL audible más bajo para un buceador humano con audición normal es de aproximadamente 67 dB re 1 μPa, y la mayor sensibilidad se produce en frecuencias de alrededor de 1 kHz. [40] Esto corresponde a una intensidad de sonido 5,4 dB, o 3,5 veces, mayor que el umbral en el aire (ver Medidas arriba).
Los altos niveles de sonido submarino crean un peligro potencial para los buceadores humanos. [41] El proyecto SOLMAR del Centro de Investigación Submarina de la OTAN informa sobre directrices para la exposición de los buceadores humanos al sonido submarino . [42] Se informa que los buceadores humanos expuestos a SPL por encima de 154 dB re 1 μPa en el rango de frecuencia de 0,6 a 2,5 kHz experimentan cambios en su frecuencia cardíaca o frecuencia respiratoria. La aversión de los buzos a los sonidos de baja frecuencia depende del nivel de presión sonora y de la frecuencia central . [43]
Los delfines y otras ballenas dentadas son conocidos por su aguda sensibilidad auditiva, especialmente en el rango de frecuencia de 5 a 50 kHz. [39] [44] Varias especies tienen umbrales de audición entre 30 y 50 dB re 1 μPa en este rango de frecuencia. Por ejemplo, el umbral auditivo de la orca se produce a una presión acústica RMS de 0,02 mPa (y una frecuencia de 15 kHz), correspondiente a un umbral SPL de 26 dB re 1 μPa. [45]
Los altos niveles de sonido submarino crean un peligro potencial para los animales marinos y anfibios. [39] Los efectos de la exposición al ruido submarino son revisados por Southall et al. [46]
Ladich y Fay revisan la sensibilidad auditiva de los peces. [47] El umbral de audición del pez soldado es de 0,32 mPa (50 dB re 1 μPa) a 1,3 kHz, mientras que la langosta tiene un umbral de audición de 1,3 Pa a 70 Hz (122 dB re 1 μPa). [45] Los efectos de la exposición al ruido submarino son revisados por Popper et al. [48]
Se ha observado que varias especies de aves acuáticas reaccionan al sonido submarino en el rango de 1 a 4 kHz, [49] que sigue el rango de frecuencia de mejor sensibilidad auditiva de las aves en el aire. Se ha entrenado a patos marinos y cormoranes para responder a sonidos de 1 a 4 kHz con un umbral auditivo más bajo (sensibilidad más alta) de 71 dB re 1 μPa [50] (cormoranes) y 105 dB re 1 μPa (pacos). [51] Las especies buceadoras tienen varias diferencias morfológicas en la oreja en relación con las especies terrestres, lo que sugiere algunas adaptaciones de la oreja en las aves buceadoras a las condiciones acuáticas [52]
Sonar es el nombre que recibe el equivalente acústico del radar . Se utilizan pulsos de sonido para sondear el mar y luego los ecos se procesan para extraer información sobre el mar, sus límites y los objetos sumergidos. Un uso alternativo, conocido como sonar pasivo , intenta hacer lo mismo escuchando los sonidos irradiados por los objetos submarinos.
La necesidad de telemetría acústica submarina existe en aplicaciones como la recolección de datos para el monitoreo ambiental, la comunicación con y entre vehículos submarinos tripulados y no tripulados , la transmisión del habla de los buzos, etc. Una aplicación relacionada es el control remoto submarino , en el que se utiliza la telemetría acústica para controlar de forma remota accionar un interruptor o desencadenar un evento. Un ejemplo destacado de control remoto submarino son las liberaciones acústicas , dispositivos que se utilizan para devolver a la superficie paquetes de instrumentos desplegados en el fondo del mar u otras cargas útiles mediante un comando remoto al final de un despliegue. Las comunicaciones acústicas constituyen un campo activo de investigación [53] [54] con importantes desafíos que superar, especialmente en canales horizontales de aguas poco profundas. En comparación con las radiotelecomunicaciones , el ancho de banda disponible se reduce en varios órdenes de magnitud. Además, la baja velocidad del sonido hace que la propagación por trayectos múltiples se extienda en intervalos de tiempo de decenas o cientos de milisegundos, así como importantes desplazamientos y dispersión Doppler . A menudo, los sistemas de comunicación acústica no están limitados por el ruido, sino por la reverberación y la variabilidad del tiempo más allá de la capacidad de los algoritmos del receptor. La fidelidad de los enlaces de comunicación submarinos se puede mejorar enormemente mediante el uso de conjuntos de hidrófonos, que permiten técnicas de procesamiento como la formación de haces adaptativa y la combinación de diversidad .
La navegación y el seguimiento submarinos son un requisito común para la exploración y el trabajo de buzos, ROV , vehículos submarinos autónomos (AUV) , sumergibles tripulados y submarinos por igual. A diferencia de la mayoría de las señales de radio, que se absorben rápidamente, el sonido se propaga muy lejos bajo el agua y a una velocidad que puede medirse o estimarse con precisión. [55] Por lo tanto, se puede utilizar para medir distancias entre un objetivo rastreado y una o varias referencias de estaciones de referencia con precisión, y triangular la posición del objetivo, a veces con una precisión centimétrica. A partir de los años 60, esto dio origen a los sistemas de posicionamiento acústico submarino que hoy en día se utilizan ampliamente.
La exploración sísmica implica el uso de sonido de baja frecuencia (< 100 Hz) para sondear profundamente el fondo marino. A pesar de la resolución relativamente pobre debido a su larga longitud de onda, se prefieren los sonidos de baja frecuencia porque las altas frecuencias se atenúan mucho cuando viajan a través del fondo marino. Las fuentes sonoras utilizadas incluyen pistolas de aire comprimido , vibroseis y explosivos .
Se pueden utilizar sensores acústicos para controlar el sonido producido por el viento y las precipitaciones . Nystuen describe, por ejemplo, un pluviómetro acústico . [56] También se pueden detectar rayos. [57] La termometría acústica del clima oceánico (ATOC) utiliza sonido de baja frecuencia para medir la temperatura global del océano.
La oceanografía acústica es el uso del sonido submarino para estudiar el mar , sus límites y su contenido.
El interés en el desarrollo de sistemas de medición de ecos comenzó en serio después del hundimiento del RMS Titanic en 1912. Según la teoría, al enviar una onda de sonido delante de un barco, un eco de retorno que rebotara en la parte sumergida de un iceberg debería dar una advertencia temprana de colisiones. . Dirigiendo el mismo tipo de haz hacia abajo, se podría calcular la profundidad del fondo del océano. [58]
La primera ecosonda práctica de aguas profundas fue inventada por Harvey C. Hayes, un físico de la Marina de los EE. UU. Por primera vez fue posible crear un perfil casi continuo del fondo del océano a lo largo del rumbo de un barco. El primer perfil de este tipo lo realizó Hayes a bordo del USS Stewart, un destructor de la Armada que navegó de Newport a Gibraltar entre el 22 y el 29 de junio de 1922. Durante esa semana, se realizaron 900 sondeos en las profundidades del océano. [59]
Utilizando una refinada ecosonda, el barco de investigación alemán Meteor realizó varios pases a través del Atlántico Sur desde el ecuador hasta la Antártida entre 1925 y 1927, realizando sondeos cada 5 a 20 millas. Su trabajo creó el primer mapa detallado de la Cordillera del Atlántico Medio. Demostró que Ridge era una cadena montañosa escarpada y no la meseta lisa que algunos científicos habían imaginado. Desde entonces, tanto los buques navales como los de investigación han utilizado ecosondas casi continuamente en el mar. [60]
Han realizado importantes contribuciones a la oceanografía acústica:
El primer y más extendido uso de la tecnología de sonido y sonar para estudiar las propiedades del mar es el uso de una ecosonda de arco iris para medir la profundidad del agua. Las sondas fueron los dispositivos utilizados para mapear las muchas millas del fondo del océano del puerto de Santa Bárbara hasta 1993.
Los sonómetros miden la profundidad de las aguas. Funciona enviando electrónicamente sonidos desde los barcos y, por lo tanto, también recibe las ondas sonoras que rebotan desde el fondo del océano. Una carta de papel se mueve a través del sonómetro y se calibra para registrar la profundidad.
A medida que avanza la tecnología, el desarrollo de sonares de alta resolución en la segunda mitad del siglo XX hizo posible no sólo detectar objetos submarinos sino también clasificarlos e incluso obtener imágenes de ellos. Los sensores electrónicos ahora están conectados a los ROV, ya que hoy en día los barcos o los submarinos robot tienen vehículos operados a distancia (ROV). Hay cámaras conectadas a estos dispositivos que brindan imágenes precisas. Los oceanógrafos pueden obtener imágenes de calidad clara y precisa. Las 'imágenes' también pueden enviarse desde sonares reflejando el sonido en el entorno del océano. A menudo, las ondas sonoras se reflejan en los animales, proporcionando información que puede documentarse en estudios más profundos del comportamiento animal. [61] [62] [63]
Debido a sus excelentes propiedades de propagación, el sonido submarino se utiliza como herramienta para ayudar al estudio de la vida marina, desde el microplancton hasta la ballena azul . Las ecosondas se utilizan a menudo para proporcionar datos sobre la abundancia, distribución y comportamiento de la vida marina. Las ecosondas, también conocidas como hidroacústicas , también se utilizan para determinar la ubicación, cantidad, tamaño y biomasa de los peces.
La telemetría acústica también se utiliza para monitorear peces y fauna marina. Se adjunta un transmisor acústico al pez (a veces internamente) mientras una serie de receptores escuchan la información transmitida por la onda sonora. Esto permite a los investigadores rastrear los movimientos de los individuos a pequeña y mediana escala. [64]
Los camarones pistola crean burbujas de cavitación sonoluminiscentes que alcanzan hasta 5000 K (4700 °C) [65]
Un neutrino es una partícula fundamental que interactúa muy débilmente con otra materia. Por esta razón, se necesitan aparatos de detección a muy gran escala, y a veces se utiliza el océano para este fin. En particular, se cree que los neutrinos de energía ultraalta en el agua de mar pueden detectarse acústicamente. [66]
Otras aplicaciones incluyen:
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