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 subacuática 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 fondo 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 con mayor frecuencia para monitorear las características físicas y biológicas submarinas. 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 y animales submarinos [1] . La detección hidroacústica implica " acústica pasiva " (escuchar sonidos) o acústica activa que produce un sonido y escucha el eco, de ahí el nombre común del dispositivo, ecosonda o ecosonda .
Existen diversas causas de ruido en el transporte marítimo. Se pueden subdividir en las causadas por la hélice, las causadas por la maquinaria y las causadas 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.
Una de las principales causas del ruido hidroacústico de las superficies de sustentación completamente sumergidas es el flujo turbulento separado 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 de velocidad y presión fluctuantes dentro de esta TBL.
El campo de la acústica submarina está estrechamente relacionado con varios otros campos de estudio acústico, incluidos el sonar , la transducción , el procesamiento de señales , la oceanografía acústica , la bioacústica y la acústica física .
Los animales marinos probablemente han utilizado el sonido submarino 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 incluían el primer tratamiento matemático del sonido. El siguiente gran paso en el desarrollo de la acústica subacuática lo dieron Daniel Colladon , un físico suizo , y Charles Sturm , un matemático francés . En 1826, en el lago de Ginebra , midieron el tiempo transcurrido entre un destello de luz y el sonido de la campana de un barco sumergido que se escuchaba utilizando una bocina de escucha submarina. [3] Midieron una velocidad del sonido de 1435 metros por segundo en una distancia de 17 kilómetros (km), lo que proporcionó la primera medición cuantitativa de la velocidad del sonido en el agua. [4] El resultado que obtuvieron estaba 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 proporcionaron el impulso para la siguiente ola de progreso en acústica submarina. Se desarrollaron sistemas para detectar icebergs y submarinos . Entre 1912 y 1914, se otorgaron varias patentes de ecolocalización en Europa y los EE. UU., que culminaron con el eco-ranger de Reginald A. Fessenden en 1914. Durante este tiempo, Paul Langevin llevó a cabo un trabajo pionero en Francia y AB Wood y asociados en Gran Bretaña . [5] El desarrollo tanto del ASDIC activo como del sonar pasivo (SOund Navigation And Ranging) avanzó a buen ritmo 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] , en el que se 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 .
En las dos décadas siguientes se desarrollaron varias aplicaciones de la acústica submarina. El sonarómetro o sonda de profundidad se desarrolló comercialmente durante la década de 1920. En un principio, se utilizaban materiales naturales para los transductores, pero en la década de 1930 se empezaron a utilizar sistemas de sonar que incorporaban transductores piezoeléctricos fabricados con materiales sintéticos para sistemas de escucha pasiva y para sistemas de ecometría activa. Estos sistemas se utilizaron con buenos resultados durante la Segunda Guerra Mundial tanto en submarinos como en buques antisubmarinos. Se realizaron muchos avances en la acústica submarina que se resumieron más adelante 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 resultó en avances en la comprensión teórica y práctica de la acústica submarina, con la ayuda de técnicas basadas en computadora.
Una onda sonora que se propaga bajo el agua consiste en compresiones y enrarecimientos alternados del agua. Estas compresiones y enrarecimientos son detectados por un receptor, como el oído humano o un hidrófono , como cambios de presión . Estas ondas pueden ser artificiales o generadas de forma natural.
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 mediante .
Esto es diferente de la velocidad de la partícula , que se refiere al movimiento de las moléculas en el medio debido al sonido, y se relaciona con la presión de la onda plana , la densidad del fluido y la velocidad del sonido mediante .
El producto de y de la fórmula anterior se conoce como impedancia acústica característica . La potencia acústica (energía por segundo) que atraviesa el área unitaria se conoce como intensidad de la onda y, para una onda plana, la intensidad media se da por , donde es la raíz cuadrada media de la presión acústica.
A veces se utiliza el término "velocidad del sonido", pero es incorrecto porque la cantidad es 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 hacen que la superficie del mar se comporte como un reflector casi perfecto del sonido a 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 de sonido de baja frecuencia es débil. [7] (ver Guías técnicas – Cálculo de absorción de sonido en agua de mar para una calculadora en línea). La principal causa de atenuación del sonido en agua dulce y a alta frecuencia en agua de mar (por encima de 100 kHz) es la viscosidad . Contribuciones adicionales importantes a frecuencias más bajas en 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 de los fluidos. Cerca de la superficie del mar, las pérdidas pueden ocurrir en una capa de burbujas o en el hielo, mientras que en el fondo el sonido puede penetrar en el sedimento y ser absorbido.
Tanto la superficie como el fondo del agua son límites de reflexión y dispersión.
Para muchos propósitos, la superficie del aire del mar puede considerarse un reflector perfecto. El contraste de impedancia es tan grande que poca energía es capaz de cruzar este límite. Las ondas de presión acústica reflejadas desde la superficie del mar experimentan una inversión de fase, a menudo expresada como un "cambio de fase pi" o un "cambio de fase de 180 grados". Esto se representa matemáticamente asignando un coeficiente de reflexión de menos 1 en lugar de más uno a la superficie del mar. [9]
A alta frecuencia (por encima de 1 kHz aproximadamente) 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 ola rms . [10]
Una complicación adicional es la presencia de burbujas o peces generados por el viento 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 en sí. [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. Se han desarrollado teorías para predecir la propagación del sonido en el fondo en este caso, por ejemplo, por parte de Biot [13] y de 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 del objetivo de varias formas simples en función del ángulo de incidencia del sonido. Se pueden aproximar formas más complejas combinando estas formas 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 a través de la refracción, la reflexión y la dispersión. En el mar, los gradientes verticales son generalmente mucho mayores que los horizontales. La combinación de esto con una tendencia hacia el aumento de la velocidad del sonido a medida que aumenta la profundidad, debido al aumento de la presión en las profundidades marinas , provoca 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". Estas pueden encontrarse mediante métodos de trazado de rayos .
En el ecuador y en las latitudes templadas del océano, la temperatura superficial es lo suficientemente alta como para invertir el efecto de la presión, de modo que se produce un mínimo de velocidad 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 localización del sonido), que permite la propagación guiada del sonido submarino durante miles de kilómetros sin interacción con la superficie o el fondo marino. Otro fenómeno en las profundidades marinas 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 vuelve a subir. La distancia horizontal desde la fuente a la que esto ocurre depende de los gradientes de velocidad del sonido positivos y negativos. Un conducto superficial también puede producirse tanto en aguas profundas como moderadamente poco profundas cuando hay refracción ascendente, por ejemplo debido a temperaturas superficiales frías. La propagación se produce mediante rebotes repetidos del 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 en la intensidad del sonido entre dos puntos, normalmente la fuente de sonido y un receptor distante. Si es la intensidad de 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 está dada por [2] . En esta ecuación no es la intensidad acústica real en el receptor, que es una cantidad vectorial , sino un escalar igual a la intensidad de onda plana equivalente (EPWI) del campo sonoro. La EPWI se define como la magnitud de la intensidad de una onda plana de la misma presión RMS que el campo acústico real. A corto alcance, la pérdida de propagación está dominada por la propagación, mientras que a largo alcance está dominada por las pérdidas de absorción y/o dispersión.
Es posible una definición alternativa en términos de presión en lugar de intensidad, [15] dando como resultado , 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 la posición del receptor.
Estas dos definiciones no son exactamente equivalentes porque la impedancia característica en el receptor puede ser diferente de la de la fuente. Por este motivo, el uso de la definición de intensidad conduce a una ecuación de sonar diferente a la definición basada en una relación de presiones. [16] Si la fuente y el receptor están ambos en el agua, la diferencia es pequeña.
La propagación del sonido a través del agua se describe mediante la ecuación de onda, con condiciones de contorno apropiadas. Se han desarrollado varios modelos para simplificar los cálculos de propagación. Estos modelos incluyen la teoría de rayos, soluciones de modo normal y simplificaciones de la ecuación de onda mediante ecuaciones parabólicas . [17] Cada conjunto de soluciones es generalmente válido y computacionalmente eficiente en un régimen de frecuencia y rango limitados, y puede implicar también otros límites. La teoría de rayos es más apropiada en rangos cortos y frecuencias altas, mientras que las otras soluciones funcionan mejor en rangos largos y frecuencias bajas. [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 lugar a un fondo en decadencia que puede tener una duración mucho mayor que la señal transitoria original. La causa de este fondo, conocida como reverberación, se debe en parte a la dispersión de los límites irregulares y en parte a la dispersión de los peces y otros organismos . Para que una señal acústica se detecte fácilmente, debe superar el nivel de reverberación y el nivel de ruido de fondo .
Si un objeto submarino se mueve en relación con un receptor submarino, la frecuencia del sonido recibido es diferente de la del sonido radiado (o reflejado) por el objeto. Este cambio de frecuencia se conoce como desplazamiento Doppler . El desplazamiento se puede observar fácilmente en sistemas de sonar activos , en particular 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 de esto para los sistemas pasivos, ya que la propagación es solo en una dirección. El desplazamiento corresponde a un aumento de la frecuencia para un objetivo que se aproxima.
Aunque el modelado de propagación acústica generalmente predice un nivel de sonido recibido constante, en la práctica hay fluctuaciones tanto temporales como espaciales. Estas pueden deberse a fenómenos ambientales tanto de pequeña como de gran escala. Estos pueden incluir la estructura fina del perfil de velocidad del sonido y las zonas frontales, así como las ondas internas. Debido a que en general hay 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 proporcional de forma lineal. Como consecuencia, para una entrada de onda sinusoidal se generan frecuencias armónicas y subarmónicas adicionales. Cuando se introducen dos ondas sinusoidales, se generan frecuencias de suma y diferencia. El proceso de conversión es mayor en niveles de fuente altos que en niveles pequeños. Debido a la no linealidad, existe una dependencia de la velocidad del sonido con la amplitud de la presión, de modo que los cambios grandes se propagan más rápido que los pequeños. Por lo tanto, 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 con un hidrófono , que es el equivalente submarino de un micrófono . Un hidrófono mide las fluctuaciones de presión , que suelen convertirse en niveles 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 cuadrática media 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 subacuática.
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 con el aumento de la presión , la temperatura y la salinidad . [23] [24] La velocidad máxima en agua pura bajo presión atmosférica se alcanza a unos 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 absorción acústica en lagos y océanos [7] [8] (consulte Guías técnicas – Cálculo de la absorción acústica en agua de mar para obtener una calculadora en línea).
La medición de señales acústicas es posible si su amplitud supera un umbral mínimo, determinado en parte por el procesamiento de señales utilizado y en parte por el nivel de ruido de fondo. El ruido de fondo es la parte del ruido recibido que es independiente de las características de la fuente, el receptor y la plataforma. Por tanto, excluye la reverberación y el ruido de remolque, por ejemplo.
El ruido de fondo presente en el océano, o ruido ambiental, tiene muchas fuentes diferentes y varía con 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 con el aumento de la frecuencia de aproximadamente 140 dB re 1 μPa 2 /Hz a 1 Hz a 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 áreas 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, el ruido térmico de las moléculas de agua comienza a dominar. El nivel espectral de 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. Estas pueden incluir actividad geológica intermitente, como terremotos y volcanes submarinos, [30] lluvia en la superficie y actividad biológica. Las fuentes biológicas incluyen cetáceos (especialmente ballenas azules , ballenas de aleta y cachalotes ), [31] [32] ciertos tipos de peces y camarones mordedores .
La lluvia puede producir niveles elevados de ruido ambiental. Sin embargo, la relación numérica entre la intensidad de la lluvia y el nivel de ruido ambiental es difícil de determinar porque la medición de la intensidad de la lluvia es problemática en el mar.
Se han realizado muchas mediciones de la reverberación de la superficie, el fondo y el volumen del mar. A veces se han derivado modelos empíricos a partir de ellos. 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 extiende en frecuencia debido al movimiento de la superficie. Para la reverberación del fondo se encuentra que a menudo se aplica aproximadamente una ley de Lambert, por ejemplo, véase Mackenzie. [34] Se encuentra que la reverberación de volumen generalmente ocurre principalmente en capas, que cambian de profundidad con la hora del día, por ejemplo, véase Marshall y Chapman. [35] La superficie inferior del hielo puede producir una fuerte reverberación cuando es áspera, véase por ejemplo Milne. [36]
La pérdida de fondo se ha medido como una función del ángulo de rasante para muchas frecuencias en varias ubicaciones, por ejemplo, las del US Marine Geophysical Survey. [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 la pérdida que se espera en circunstancias particulares. En aguas poco profundas, la pérdida de fondo a menudo tiene el impacto dominante en la propagación de largo alcance. 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 suele expresarse en unidades de decibeles , pero existen algunas diferencias importantes que dificultan (y a menudo resultan inapropiadas) la comparación del nivel de presión sonora en el agua con el nivel de presión sonora en el aire. Estas diferencias incluyen: [38]
El nivel de presión sonora 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, más alta que el umbral en el aire (ver Mediciones anteriores).
Los niveles altos de ruido submarino crean un peligro potencial para los buceadores humanos. [41] El proyecto SOLMAR del Centro de Investigación Submarina de la OTAN ha publicado directrices sobre la exposición de los buceadores humanos al sonido submarino . [42] Se ha informado de que los buceadores humanos expuestos a un nivel de presión sonora superior a 154 dB re 1 μPa en el rango de frecuencia de 0,6 a 2,5 kHz experimentan cambios en su frecuencia cardíaca o respiratoria. La aversión de los buceadores 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 auditivos 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 frecuencia de 15 kHz), lo que corresponde a un umbral SPL de 26 dB re 1 μPa. [45]
Los altos niveles de ruido submarino crean un peligro potencial para los animales marinos y anfibios. [39] Los efectos de la exposición al ruido submarino son analizados por Southall et al. [46].
La sensibilidad auditiva de los peces ha sido analizada por Ladich y Fay. [47] El umbral auditivo del pez soldado es de 0,32 mPa (50 dB re 1 μPa) a 1,3 kHz, mientras que la langosta tiene un umbral auditivo de 1,3 Pa a 70 Hz (122 dB re 1 μPa). [45] Los efectos de la exposición al ruido submarino han sido analizados por Popper et al. [48]
Se ha observado que varias especies de aves acuáticas reaccionan a sonidos submarinos 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 que respondan a sonidos de 1 a 4 kHz con un umbral de audición más bajo (sensibilidad más alta) de 71 dB re 1 μPa [50] (cormoranes) y 105 dB re 1 μPa (patos marinos). [49] Las especies buceadoras tienen varias diferencias morfológicas en el oído en relación con las especies terrestres, lo que sugiere algunas adaptaciones del oído en las aves buceadoras a las condiciones acuáticas [51].
El equivalente acústico del radar se denomina sonar . Se utilizan pulsos de sonido para sondear el mar y luego se procesan los ecos 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 radiados 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 buceadores, etc. Una aplicación relacionada es el control remoto submarino , en el que se utiliza la telemetría acústica para activar de forma remota un interruptor o desencadenar un evento. Un ejemplo destacado de control remoto submarino son las liberaciones acústicas , dispositivos que se utilizan para devolver paquetes de instrumentos desplegados en el fondo marino u otras cargas útiles a la superficie mediante un comando remoto al final de un despliegue. Las comunicaciones acústicas forman un campo activo de investigación [52] [53] con desafíos significativos que superar, especialmente en canales horizontales de aguas poco profundas. En comparación con las telecomunicaciones por radio , 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 alargue en intervalos de retardo de tiempo de decenas o cientos de milisegundos, así como importantes desplazamientos Doppler y propagación. A menudo, los sistemas de comunicación acústica no están limitados por el ruido, sino por la reverberación y la variabilidad temporal más allá de la capacidad de los algoritmos del receptor. La fidelidad de los enlaces de comunicación submarinos se puede mejorar en gran medida 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 a gran distancia bajo el agua y a una velocidad que se puede medir o estimar con precisión. [54] Por lo tanto, se puede utilizar para medir distancias entre un objetivo rastreado y una o varias estaciones de referencia de línea base con precisión, y triangular la posición del objetivo, a veces con precisión de centímetros. A partir de la década de 1960, esto ha dado lugar a sistemas de posicionamiento acústico submarino que ahora se utilizan ampliamente.
La exploración sísmica implica el uso de sonido de baja frecuencia (<100 Hz) para sondear profundamente el lecho marino. A pesar de la resolución relativamente pobre debido a su gran longitud de onda, se prefieren los sonidos de baja frecuencia porque las frecuencias altas se atenúan considerablemente cuando viajan a través del lecho marino. Las fuentes de sonido utilizadas incluyen pistolas de aire , vibroseis y explosivos .
Los sensores acústicos se pueden utilizar para controlar el sonido producido por el viento y las precipitaciones . Por ejemplo, Nystuen describe un pluviómetro acústico. [55] También se pueden detectar los rayos. [56] La termometría acústica del clima oceánico (ATOC) utiliza sonidos 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 por desarrollar sistemas de medición por eco comenzó a surgir en serio tras el hundimiento del RMS Titanic en 1912. Según la teoría, enviando una onda sonora por delante de un barco, un eco de retorno que rebota 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. [57]
El primer ecosonda oceánica profunda fue inventado por Harvey C. Hayes, un físico de la Marina de los Estados Unidos. Por primera vez, fue posible crear un perfil casi continuo del fondo del océano a lo largo de la trayectoria de un barco. El primer perfil de este tipo lo realizó Hayes a bordo del USS Stewart, un destructor de la Marina que navegó de Newport a Gibraltar entre el 22 y el 29 de junio de 1922. Durante esa semana, se realizaron 900 sondeos oceánicos profundos. [58]
Entre 1925 y 1927, el buque de investigación alemán Meteor, que utilizaba una ecosonda perfeccionada, realizó varias pasadas por el Atlántico Sur desde el ecuador hasta la Antártida, tomando sondeos cada cinco o veinte millas. Su trabajo creó el primer mapa detallado de la dorsal mesoatlántica, que mostraba que la dorsal era una cadena montañosa escarpada y no la meseta lisa que algunos científicos habían imaginado. Desde entonces, tanto los buques de guerra como los de investigación han utilizado ecosonda casi continuamente mientras estaban en el mar. [59]
Han realizado importantes contribuciones a la oceanografía acústica:
El uso más antiguo y más extendido 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 ecosondas fueron los dispositivos utilizados para cartografiar los muchos kilómetros del fondo marino del puerto de Santa Bárbara hasta 1993.
Los sondadores miden la profundidad de las aguas. Funcionan enviando sonidos electrónicamente desde los barcos, por lo que también reciben las ondas sonoras que rebotan en el fondo del océano. Una carta de papel se mueve a través del sondador y está calibrada para registrar la profundidad.
A medida que la tecnología avanza, el desarrollo de sonares de alta resolución en la segunda mitad del siglo XX hizo posible no solo 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 submarinos robot tienen vehículos operados a distancia (ROV). Hay cámaras conectadas a estos dispositivos que brindan imágenes precisas. Los oceanógrafos pueden obtener una calidad de imágenes clara y precisa. Las "imágenes" también pueden enviarse desde sonares al hacer que el sonido se refleje en los alrededores del océano. A menudo, las ondas sonoras se reflejan en los animales, lo que proporciona información que puede documentarse en estudios más profundos del comportamiento animal. [60] [61] [62]
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, la distribución y el comportamiento de la vida marina. Las ecosondas, también conocidas como hidroacústicas, también se utilizan para conocer la ubicación, la cantidad, el tamaño y la biomasa de los peces.
La telemetría acústica también se utiliza para monitorear peces y fauna marina. Se coloca un transmisor acústico en el 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. [63]
Los camarones pistola crean burbujas de cavitación sonoluminiscentes que alcanzan hasta 5000 K (4700 °C) [64]
Un neutrino es una partícula fundamental que interactúa muy débilmente con otra materia. Por este motivo, requiere aparatos de detección a 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. [65]
Otras aplicaciones incluyen:
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