El sonar ( navegación y medición de sonido o navegación y medición de distancia sónica ) [2] es una técnica que utiliza la propagación del sonido (generalmente bajo el agua, como en la navegación submarina ) para navegar , medir distancias ( medición de distancia ), comunicarse con o detectar objetos en o debajo de la superficie del agua, como otras embarcaciones. [3]
El término "sonar" puede referirse a uno de dos tipos de tecnología: el sonar pasivo significa escuchar el sonido que hacen los barcos; el sonar activo significa emitir pulsos de sonidos y escuchar ecos. El sonar puede usarse como un medio de ubicación acústica y de medición de las características del eco de los "objetivos" en el agua. [4] La ubicación acústica en el aire se utilizó antes de la introducción del radar . El sonar también puede usarse para la navegación de robots, [5] y el sodar (un sonar en el aire que mira hacia arriba) se usa para investigaciones atmosféricas. El término sonar también se usa 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 la técnica fue en 1490 por Leonardo da Vinci , quien utilizó un tubo insertado en el agua para detectar barcos de oído. [6] 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 en los 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 decía que un tubo insertado en el agua se usaba para detectar embarcaciones colocando una oreja en el tubo. [6]
A finales del siglo XIX, se utilizaba una campana submarina como complemento de los faros o barcos faro para advertir de peligros. [7]
El uso del sonido para "eco-localizar" 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. [8] La primera patente del mundo para un dispositivo de eco-localización submarino fue presentada en la Oficina de Patentes Británica por el meteorólogo inglés Lewis Fry Richardson un mes después del hundimiento del Titanic , [9] y un físico alemán, Alexander Behm, obtuvo una patente para una ecosonda en 1913. [10]
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 desde el US Revenue Cutter Miami en los Grandes Bancos frente a Terranova . [9] [11] En esa prueba, Fessenden demostró el sondeo de profundidad, las comunicaciones submarinas ( código Morse ) y la medición de ecos (detectando un iceberg a una distancia de 2 millas (3,2 km)). [12] [13] El " oscilador Fessenden ", operado a una frecuencia de aproximadamente 500 Hz, no pudo determinar la orientación 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 de longitud de onda en diámetro). Los diez submarinos británicos de clase H construidos en Montreal botados en 1915 estaban equipados con osciladores Fessenden. [14]
Durante la Primera Guerra Mundial, la necesidad de detectar submarinos impulsó más investigaciones sobre el uso del sonido. Los británicos hicieron un uso temprano de dispositivos de escucha submarina 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 activos para detectar submarinos en 1915. Aunque los transductores piezoeléctricos y magnetoestrictivos reemplazaron más tarde a los transductores electrostáticos que usaban, este trabajo influyó en los diseños futuros. Se han utilizado películas de plástico ligeras sensibles al sonido y fibras ópticas para los hidrófonos, mientras que se han desarrollado Terfenol-D y niobato de magnesio y plomo (PMN) para proyectores.
En 1916, bajo la dirección de la Junta Británica de Invención e Investigación , el físico canadiense Robert William Boyle se hizo cargo del proyecto de detección activa de sonido con AB Wood , produciendo un prototipo para pruebas a mediados de 1917. Este trabajo para la División Antisubmarina del Estado Mayor Naval Británico se llevó a cabo en el más absoluto secreto, y se utilizaron cristales piezoeléctricos de cuarzo para producir el primer aparato práctico de detección activa de sonido submarino del mundo. Para mantener el secreto, no se hizo ninguna mención de la experimentación con sonido ni del cuarzo: la palabra utilizada para describir el trabajo inicial ("supersonics") se cambió a "ASD"ics, y el material de cuarzo a "ASD"ivite: "ASD" significa "Anti-Submarine Division", 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 "Allied Submarine Detection Investigation Committee", y esto todavía se cree ampliamente, [15] aunque no se ha encontrado ningún comité con este nombre en los archivos del Almirantazgo. [16]
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 contaba con buques equipados con ASDIC en 1923. En 1924 se estableció en Portland una escuela antisubmarina, el HMS Osprey , y una flotilla de entrenamiento de cuatro buques .
Al estallar la Segunda Guerra Mundial , la Marina Real Británica 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 la carga de profundidad como arma antisubmarina. Esto requería que un buque atacante pasara sobre un contacto sumergido antes de lanzar cargas sobre la popa, lo que resultaba 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 tomar medidas evasivas. Esta situación se remedió con nuevas tácticas y nuevas armas.
Las mejoras tácticas desarrolladas por Frederic John Walker incluían el ataque sigiloso. Para ello se necesitaban dos buques antisubmarinos (normalmente balandras o corbetas). El "buque director" seguía al submarino objetivo en ASDIC desde una posición de entre 1.500 y 2.000 yardas detrás del submarino. El segundo buque, con su ASDIC apagado y funcionando a 5 nudos, iniciaba un ataque desde una posición entre el buque director y el objetivo. Este ataque se controlaba por radioteléfono desde el buque director, basándose en su ASDIC y la distancia (mediante telémetro) y el rumbo del buque atacante. Tan pronto como se habían lanzado las cargas de profundidad, el buque atacante abandonaba el área inmediata a toda velocidad. El buque director entraba entonces en el área objetivo y también lanzaba un patrón de cargas de profundidad. La baja velocidad de aproximación significaba que el submarino no podía predecir cuándo se iban a lanzar las cargas de profundidad. Cualquier acción evasiva era detectada por el buque director y se daban las órdenes de dirección al buque atacante en consecuencia. La baja velocidad del ataque tenía la ventaja de que el torpedo acústico alemán no era eficaz contra un buque de guerra que navegaba tan lentamente. Una variante del ataque de avance lento era el ataque de "yeso", en el que tres buques atacantes trabajaban en una línea cerrada uno al lado del otro y eran dirigidos hacia el objetivo por el buque director. [17]
Las nuevas armas para hacer frente al punto ciego ASDIC eran "armas de lanzamiento hacia adelante", como los Hedgehogs y más tarde los Squids , que proyectaban ojivas a un objetivo que se encontraba por delante del atacante y que aún estaba en contacto ASDIC. Esto permitía 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. Más tarde, se utilizaron torpedos acústicos .
A principios de la Segunda Guerra Mundial (septiembre de 1940), la tecnología ASDIC británica se transfirió de forma gratuita a los Estados Unidos. La investigación sobre ASDIC y el sonido submarino se expandió en el Reino Unido y en los EE. UU. Se desarrollaron muchos tipos nuevos de detección de sonido militar. Estos incluyeron sonoboyas , desarrolladas por primera vez por los británicos en 1944 con el nombre en código High Tea , sonares de inmersión y sonares de detección de minas . Este trabajo formó la base para los desarrollos de posguerra relacionados con la lucha contra el submarino nuclear .
Durante la década de 1930, los ingenieros estadounidenses desarrollaron su propia tecnología de detección de sonido submarino y se hicieron descubrimientos importantes, como la existencia de termoclinas y sus efectos sobre las ondas sonoras. [18] Los estadounidenses comenzaron a utilizar el término SONAR para sus sistemas, acuñado por Frederick Hunt para ser el equivalente de RADAR . [19]
En 1917, la Marina de los Estados Unidos adquirió por primera vez los servicios de J. Warren Horton. De licencia de los Laboratorios Bell , sirvió al gobierno como experto técnico, primero en la estación experimental de Nahant, Massachusetts , y más tarde en el Cuartel General de la Marina 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 carbono , que se había utilizado en equipos de detección anteriores, fue reemplazado por el precursor del hidrófono moderno . También durante este período, experimentó con métodos para la 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 tierra 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 Subacuático de la Armada de los EE. UU . Ocupó este puesto hasta 1959, cuando se convirtió en director técnico, cargo que ocupó hasta su jubilación obligatoria en 1963. [20] [21]
Entre 1915 y 1940, los sonares estadounidenses no hicieron grandes progresos. En 1940, los sonares estadounidenses consistían normalmente en un transductor magnetoestrictivo y una serie de tubos de níquel conectados a una placa de acero de 30 cm de diámetro unida por detrás a un cristal de sal de Rochelle en una carcasa esférica. Este conjunto penetraba en el casco del barco y se giraba manualmente hasta alcanzar el ángulo deseado. El cristal de sal de Rochelle piezoeléctrico tenía mejores parámetros, pero la unidad magnetoestrictiva era mucho más fiable. Las elevadas pérdidas sufridas por los buques mercantes estadounidenses a principios de la Segunda Guerra Mundial dieron lugar a una investigación de gran prioridad en este campo en Estados Unidos, que perseguía tanto mejoras en los parámetros de los transductores magnetoestrictivos como la fiabilidad de la sal de Rochelle. Se encontró que el fosfato de dihidrógeno de amonio (ADP), una alternativa superior, podía sustituir a la sal de Rochelle; la primera aplicación fue la sustitución de los transductores de sal de Rochelle de 24 kHz. En nueve meses, la sal de Rochelle estaba obsoleta. Las instalaciones de fabricación de ADP crecieron desde unas pocas docenas de empleados a principios de 1940 a varios miles en 1942.
Una de las primeras aplicaciones de los cristales ADP fueron los hidrófonos para minas acústicas ; los cristales se especificaron para un corte de baja frecuencia de 5 Hz, soportando choques mecánicos para el despliegue desde aeronaves desde 3000 m (10 000 pies) y la capacidad de sobrevivir a explosiones de minas cercanas. Una de las características clave de la confiabilidad de los cristales ADP es su capacidad de envejecimiento cero; el cristal mantiene sus parámetros incluso después de un almacenamiento prolongado.
Otra aplicación fue la de los torpedos autoguiados acústicos. Se montaron dos pares de hidrófonos direccionales en la punta del torpedo, en el plano horizontal y vertical; las señales diferenciales 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 descargaba una sustancia química efervescente y el torpedo se dirigía hacia el señuelo efervescente más ruidoso. La contramedida era un torpedo con un sonar activo: se añadió un transductor a la punta del torpedo y los micrófonos escuchaban sus ráfagas de tonos periódicos reflejados. 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 de ADP. Se dispusieron varios conjuntos de cristales en un tubo de acero, se llenaron al vacío con aceite de ricino y se sellaron. Luego, los tubos se montaron en conjuntos paralelos.
El sonar de exploración estándar de la Armada de los EE. UU. al final de la Segunda Guerra Mundial operaba a 18 kHz, utilizando una matriz 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 ADP, por lo que a principios de la década de 1950 se desarrollaron sistemas magnetoestrictivos y piezoeléctricos de titanato de bario , pero estos tenían 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 zirconato 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 primero transductores magnetoestrictivos de níquel, pero estos pesaban varias toneladas y el níquel era caro y se consideraba un material crítico; por lo tanto, se sustituyeron por transductores piezoeléctricos. El sonar era una gran matriz de 432 transductores individuales. Al principio, los transductores no eran fiables, presentaban fallos mecánicos y eléctricos y se deterioraban poco después de su instalación; además, los fabricaban varios proveedores, tenían diseños diferentes y sus características eran lo suficientemente diferentes como para perjudicar el rendimiento del conjunto. Entonces se abandonó la política de permitir la reparación de transductores individuales y se optó por un "diseño modular descartable", módulos sellados no reparables, que eliminaba el problema de los sellos y otras piezas mecánicas extrañas. [22]
La Armada Imperial Japonesa al comienzo de la Segunda Guerra Mundial utilizaba proyectores basados en cuarzo . Estos 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 más tarde por el Tipo 3, que seguía el diseño alemán y utilizaba 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 estaban hechos de estampaciones de níquel de 4 mm, y más tarde de una aleación de hierro y aluminio con un contenido de aluminio entre 12,7% y 12,9%. La energía fue suministrada desde 2 kW a 3,8 kV, con polarización de una fuente de 20 V, 8 A DC.
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 . [23]
Los transductores magnetoestrictivos se utilizaron después de la Segunda Guerra Mundial como una alternativa a los piezoeléctricos. Los transductores de anillo enrollado en espiral de níquel se utilizaron para operaciones de baja frecuencia y alta potencia, con un tamaño de hasta 13 pies (4,0 m) de diámetro, probablemente los transductores de sonar individuales más grandes de la historia. La ventaja de los metales es su alta resistencia a la tracción y baja impedancia eléctrica de entrada, pero tienen pérdidas eléctricas y un coeficiente de acoplamiento menor 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 que resulta 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, a saber, 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 de sonido submarino, debido a sus frecuencias de resonancia muy bajas y características de banda ancha plana por encima de ellas. [24]
El sonar activo utiliza un transmisor (o proyector) de sonido y un receptor. Cuando los dos están en el mismo lugar, se trata de un funcionamiento monostático . Cuando el transmisor y el receptor están separados, se trata de un funcionamiento biestático . [25] Cuando se utilizan más transmisores (o más receptores), también separados espacialmente, se trata de un funcionamiento multiestático . La mayoría de los sonares se utilizan de forma monoestática, y a menudo se utiliza el mismo conjunto para la transmisión y la recepción. [26] 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 las reflexiones ( eco ) del pulso. Este pulso de sonido generalmente se crea electrónicamente utilizando un proyector de sonar que consta de un generador de señales, un amplificador de potencia y un transductor/matriz electroacústico. [27] Un transductor es un dispositivo que puede transmitir y recibir señales acústicas ("pings"). Por lo general, se emplea un formador de haz para concentrar la potencia acústica en un haz, que puede barrerse 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 general. Ocasionalmente, el pulso acústico puede crearse por otros medios, por ejemplo, químicamente utilizando explosivos, pistolas de aire 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 rango utilizando la velocidad conocida del sonido. [28] Para medir el rumbo , se utilizan varios hidrófonos , y el conjunto mide el tiempo relativo de llegada a cada uno, o con una matriz de hidrófonos, midiendo la amplitud relativa en haces formados a través de un proceso llamado formación de haz . El uso de una matriz reduce la respuesta espacial de modo que para proporcionar una amplia cobertura se utilizan sistemas multihaz . La señal del objetivo (si está presente) junto con el ruido se pasa entonces a través de varias formas de procesamiento de señales , [29] que para sonares simples puede ser simplemente medición de energía. Luego se presenta a alguna forma 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 ser realizada por 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 ser un chirrido de frecuencia cambiante (para permitir la compresión del pulso en la recepción). Los sonares simples generalmente utilizan el primero 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 segunda técnica. Desde que el procesamiento digital se hizo disponible, la compresión de pulsos generalmente se ha implementado utilizando técnicas de correlación digital. Los sonares militares a menudo tienen múltiples haces para proporcionar una cobertura completa, mientras que los simples solo cubren un arco estrecho, aunque el haz puede rotarse, relativamente lentamente, mediante escaneo mecánico.
En particular, cuando se utilizan transmisiones de frecuencia única, se puede utilizar el efecto Doppler para medir la velocidad radial de un objetivo. La diferencia de frecuencia entre la señal transmitida y la 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 muy útil tiene un aspecto similar al de una linterna resistente al agua. Se apunta la cabeza hacia el agua, se presiona un botón y el dispositivo muestra la distancia al objetivo. Otra variante es un " sonda de peces " que muestra una pequeña pantalla con bancos de peces. Algunos sonares civiles (que no están diseñados para el sigilo) se acercan a los sonares militares activos en cuanto a capacidad, con pantallas tridimensionales del área cercana al barco.
Cuando se utiliza un sonar activo para medir la distancia desde el transductor hasta el fondo, se denomina 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 de tiempo, 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 varios transductores/hidrófonos/proyectores, puede calcular las posiciones relativas de objetos estáticos y en movimiento en el agua.
En situaciones de combate, un pulso activo puede ser detectado por un enemigo y revelará la posición de un submarino a una distancia dos veces mayor que la máxima a la que el propio submarino puede detectar un contacto y dará pistas sobre la identidad del submarino en función de las características del pulso saliente. Por estas razones, el sonar activo no se utiliza con frecuencia en submarinos militares.
Un tipo de sonar muy direccional, pero de baja eficiencia (utilizado en la pesca, en el ámbito militar y para la seguridad portuaria) utiliza una característica no lineal compleja del agua conocida como sonar no lineal, en el que el transductor virtual se conoce como matriz paramétrica .
El Proyecto Artemis fue un proyecto de investigación y desarrollo experimental que se desarrolló a fines de la década de 1950 y mediados de la década de 1960 para examinar la propagación acústica y el procesamiento de señales para un sistema de sonar activo de baja frecuencia que pudiera usarse para la vigilancia oceánica. Un objetivo secundario fue el examen de los problemas de ingeniería de los sistemas de fondo activos fijos. [30] El conjunto receptor estaba ubicado en la pendiente del Banco Plantagnet frente a las Bermudas. El conjunto de fuentes activas se desplegó desde el petrolero USNS Mission Capistrano de la Segunda Guerra Mundial reconvertido . [31] Los elementos de Artemis se usaron experimentalmente después de que se terminó el experimento principal.
Se trata de un dispositivo sonar activo que recibe un estímulo específico y retransmite inmediatamente (o con un retraso) la señal recibida o una predeterminada. Los transpondedores pueden utilizarse para activar o recuperar equipos submarinos de forma remota. [32]
Un objetivo de sonar es pequeño en relación con la esfera , centrada alrededor del emisor, en la que se encuentra. Por lo 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. 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 m2 entre 100 y 3000 m que utilice un sistema similar o mejor podría detectar el pulso, pero no sería detectado por el emisor. Los detectores deben ser muy sensibles para captar los ecos. Como la señal original es mucho más potente, puede detectarse muchas veces más lejos que el doble del alcance del sonar (como en el ejemplo).
El sonar activo tiene dos limitaciones de rendimiento: el ruido y la reverberación. En general, predominará uno u otro de estos, por lo que inicialmente se pueden considerar los dos efectos por separado.
En condiciones de ruido limitado en la detección inicial: [33]
donde SL es el nivel de la 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 de la matriz receptora (a veces aproximada por su índice de directividad) y DT es el umbral de detección .
En condiciones de reverberación limitada en la detección inicial (sin tener en cuenta la ganancia del conjunto):
donde RL es el nivel de reverberación y los demás factores son como antes.
Un sonar de observación hacia arriba (ULS) es un dispositivo de sonar que apunta hacia arriba y mira hacia la superficie del mar. Se utiliza para fines similares a los del sonar de observación hacia abajo, pero tiene algunas aplicaciones únicas, como la medición del espesor, la rugosidad y la concentración del hielo marino [34] [35] o la medición del arrastre de aire de las columnas de burbujas durante mares agitados. A menudo se amarra en el fondo del océano o flota en una línea de amarre tensa a una profundidad constante de quizás 100 m. También pueden ser utilizados por submarinos , AUV y flotadores como el flotador Argo . [36]
El sonar pasivo escucha sin transmitir. [37] A menudo se emplea en entornos militares, aunque también se utiliza en aplicaciones científicas, por ejemplo , para detectar peces para estudios de presencia/ausencia en varios entornos acuáticos; consulte también acústica pasiva y radar pasivo . En el uso más amplio, este término puede abarcar prácticamente cualquier técnica analítica que implique sonido generado de forma remota, aunque normalmente se limita a las 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 alimentación de corriente alterna de 60 hercios (Hz) . Si los transformadores o generadores están montados sin un aislamiento adecuado de las vibraciones del casco o se inundan, el sonido de 60 Hz de los bobinados 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 alimentación de 50 Hz. Las fuentes de sonido intermitentes (como una llave inglesa que se cae), llamadas "transitorios", también pueden ser detectables por el sonar pasivo. Hasta hace relativamente poco, [¿ cuándo? ] un operador experimentado y capacitado identificaba las señales, pero ahora las computadoras pueden hacerlo.
Los sistemas de sonar pasivo pueden tener grandes bases de datos sónicas , pero el operador del sonar suele clasificar 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 eficaces a emplear) e incluso barcos concretos.
El sonar pasivo de los vehículos suele estar muy limitado debido al ruido que genera el vehículo. Por este motivo, muchos submarinos utilizan 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 suelen crear pequeñas burbujas en el agua, y esta cavitación tiene un sonido característico.
Los hidrófonos sonares 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 remolcarse por encima o por debajo de la termoclina.
La mayoría de los sonares pasivos solían tener una pantalla de cascada bidimensional . La dirección horizontal de la pantalla es el rumbo. La vertical es la frecuencia o, a veces, el tiempo. Otra técnica de visualización es codificar por colores la información de frecuencia y tiempo para el rumbo. Las pantallas más recientes son generadas por computadoras e imitan las pantallas de indicadores de posición de planos de tipo radar .
A diferencia del sonar activo, solo se utiliza propagación unidireccional. Debido al diferente procesamiento de señales utilizado, la relación señal-ruido mínima detectable será diferente. La ecuación para determinar el rendimiento de un sonar pasivo es [38] [33]
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. El factor 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 radiado del 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 la salinidad ) y la presión . El efecto de la 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 oceánicas. La temperatura del océano varía con la profundidad, pero entre 30 y 100 metros a menudo hay un cambio marcado, llamado termoclina , que divide el agua superficial más cálida de las aguas frías y tranquilas que componen el resto del océano. Esto puede frustrar al 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 la refracción se llama ley de Snell .
Si la fuente de sonido es profunda y las condiciones son las 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 que el sonido queda atrapado en el canal sin pérdidas en los límites. Una propagación similar puede producirse en el "conducto de superficie" en condiciones adecuadas. Sin embargo, en este caso hay 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 y existen varios mecanismos diferentes en el agua de mar. El sonar de largo alcance utiliza frecuencias bajas para minimizar los efectos de la absorción.
El mar contiene muchas fuentes de ruido que interfieren con el eco o la señal del objetivo deseado. Las principales fuentes de ruido son las olas y los barcos . El movimiento del receptor a través del agua también puede causar ruido de baja frecuencia dependiente de la velocidad.
Cuando se utiliza un sonar activo, se produce una dispersión de luz proveniente de objetos pequeños en el mar, así como del fondo y la superficie. Esto puede ser una fuente importante de interferencias. Esta dispersión acústica es análoga a la dispersión de la luz de los faros de un automóvil en la niebla: un haz de luz muy fino y 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 de vuelta al observador, abrumando la luz reflejada desde el objetivo ("deslumbramiento"). Por razones análogas, el sonar activo necesita transmitir en un haz estrecho para minimizar la dispersión.
La dispersión del sonar de los objetos (minas, tuberías, zooplancton, características geológicas, peces, etc.) es la forma en que el sonar activo los detecta, pero esta capacidad puede verse enmascarada por una fuerte dispersión de objetivos falsos, o "distorsión". Donde ocurren (bajo las olas rompientes; [40] en las estelas de los barcos; en el gas emitido por filtraciones y fugas del fondo marino [41] etc.), las burbujas de gas son fuentes poderosas de distorsiones y pueden ocultar fácilmente los objetivos. TWIPS (Twin Inverted Pulse Sonar) [42] [43] [44] es actualmente el único sonar que puede superar este problema de distorsiones.
Esto es importante porque muchos conflictos recientes han ocurrido en aguas costeras y la incapacidad de detectar si hay minas o no presenta peligros y demoras 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 cesado. [42]
Las características de reflexión del sonido del objetivo de un sonar activo, como un submarino, se conocen como su intensidad de objetivo . Una complicación es que también se obtienen ecos de otros objetos en el mar, como ballenas, estelas, bancos de peces y rocas.
El sonar pasivo detecta las características del ruido emitido por el objetivo . El espectro emitido comprende un espectro continuo de ruido con picos en determinadas frecuencias que pueden utilizarse para la clasificación.
Un buque bajo ataque puede lanzar contramedidas activas (propulsadas) para aumentar el nivel de ruido, proporcionar un objetivo falso de gran tamaño y ocultar la firma del propio buque.
Las contramedidas pasivas (es decir, sin energía) incluyen:
La guerra naval moderna hace un uso extensivo del sonar pasivo y activo desde buques, aeronaves e instalaciones fijas. Aunque el sonar activo fue utilizado por embarcaciones de superficie en la Segunda Guerra Mundial , los submarinos evitaron el uso del sonar activo debido al potencial 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 operaciones de búsqueda y detección. En 1987, una división de la empresa japonesa Toshiba , según se informa [45], vendió maquinaria a la Unión Soviética que permitió fresar las palas de las hélices de sus submarinos para que se volvieran radicalmente más silenciosas, lo que hizo que la nueva generación de submarinos fuera más difícil de detectar.
El uso de un sonar activo por parte de un submarino para determinar la orientación es extremadamente raro y no necesariamente proporcionará información de alta calidad sobre la orientación o la distancia al equipo de control de tiro del submarino. Sin embargo, el uso de un 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 buques de superficie, se podría suponer que la amenaza ya está rastreando al buque con datos satelitales, ya que cualquier buque que se encuentre alrededor del sonar emisor detectará la emisión. Una vez escuchada la señal, es fácil identificar el equipo de sonar utilizado (normalmente con su frecuencia) y su posición (con 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 que no es deseable.
Dado que el sonar activo revela la presencia y la posición del operador y no permite la clasificación exacta de los objetivos, lo utilizan plataformas rápidas (aviones, helicópteros) y ruidosas (la mayoría de los buques de superficie), pero rara vez lo utilizan los submarinos. Cuando el sonar activo lo utilizan los buques de superficie o los submarinos, 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 las aeronaves, el sonar activo se utiliza en forma de sonoboyas desechables que se lanzan en el área de patrulla de la aeronave 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 hace algún ruido, en principio puede detectarse, dependiendo del nivel de ruido emitido y del nivel de ruido ambiental en el área, así como de la tecnología utilizada. Para simplificar, el sonar pasivo "ve" alrededor del barco utilizándolo. En un submarino, el sonar pasivo montado en la nariz 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 áreas 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 sonido en esa dirección, esto se llama detección de banda ancha) es posible hacer zoom y analizar la señal recibida (análisis de banda estrecha). Esto generalmente se hace utilizando una transformada de Fourier para mostrar las diferentes frecuencias que componen el sonido. Como cada motor produce un sonido específico, es fácil identificar el objeto. Las bases de datos de sonidos de motores únicos 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, por sus siglas en inglés) y la "solución" resultante es el alcance, el rumbo y la velocidad del objetivo. El 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, pero requiere componentes electrónicos de alta tecnología y es costoso. Generalmente se despliega en barcos caros en forma de conjuntos para mejorar la detección. Los barcos de superficie lo utilizan con buenos resultados; los submarinos lo utilizan aún mejor , y también lo utilizan los aviones y helicópteros, sobre todo con un "efecto sorpresa", ya que los submarinos pueden ocultarse 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 ruido.
A continuación se ofrecen ejemplos de aplicaciones de sonares en el ámbito militar. Muchos de los usos civiles que se indican en la siguiente sección también pueden aplicarse al ámbito naval.
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Hasta hace poco, los sonares de los 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 era necesario encontrar un medio para reducir el ruido del flujo. Los primeros estaban hechos de lona sobre un armazón, luego se utilizaron los de acero. Ahora las cúpulas suelen estar hechas de plástico reforzado o caucho presurizado. Estos sonares son principalmente activos en funcionamiento. Un ejemplo de un sonar convencional montado en el casco es el SQS-56.
Debido a los problemas del ruido de los barcos, también se utilizan sonares remolcados. Estos tienen la ventaja de poder colocarse a mayor profundidad en el agua, pero tienen limitaciones en su uso en aguas poco profundas. Estos se denominan sonares remolcados (lineales) o sonares de profundidad variable (VDS) con conjuntos 2/3D. Un problema es que los cabrestantes necesarios para desplegarlos/recuperarlos son grandes y costosos. Los equipos VDS son principalmente activos en funcionamiento, mientras que los conjuntos remolcados son pasivos.
Un ejemplo de un moderno sonar activo-pasivo remolcado por un barco es el Sonar 2087 fabricado por Thales Underwater Systems .
Los torpedos modernos suelen estar equipados con un sonar activo/pasivo. Este puede utilizarse para apuntar directamente al objetivo, pero también se utilizan torpedos autoguiados por estela . Un ejemplo temprano de un autoguiado acústico fue el torpedo Mark 37 .
Los contramedidas de torpedos pueden ser remolcados 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 submarino móvil (MOSS) era un dispositivo libre. Una alternativa moderna al sistema Nixie es el sistema de defensa contra torpedos de buques de superficie S2170 de la Marina Real británica .
Las minas pueden estar equipadas con un sonar para detectar, localizar y reconocer el objetivo deseado. Un ejemplo es la mina CAPTOR .
El sonar de detección de minas (MCM), a veces llamado "sonar de prevención de minas y obstáculos (MOAS)", es un tipo especializado de sonar que se utiliza para detectar objetos pequeños. La mayoría de los sonares MCM se montan en el casco, pero algunos tipos son de diseño VDS. Un ejemplo de un sonar MCM montado en el casco es el Tipo 2193, mientras que el sonar de detección de minas SQQ-32 y los sistemas Tipo 2093 son de diseño VDS.
Los submarinos dependen del sonar en mayor medida que los buques de superficie, ya que no pueden utilizar el radar en el agua. Los conjuntos de sonares pueden estar montados en el casco o remolcados. La información sobre los ajustes típicos se proporciona en los submarinos de clase Oyashio y en los submarinos de clase Swiftsure .
Los helicópteros pueden utilizarse para la guerra antisubmarina desplegando campos de sonoboyas activas-pasivas o pueden operar sonares de inmersión, como el AQS-13 . Las aeronaves de ala fija también pueden desplegar sonoboyas y tienen mayor resistencia y capacidad para desplegarlas. El procesamiento de las sonoboyas o el sonar de inmersión puede realizarse en la aeronave o en el barco. El sonar de inmersión tiene la ventaja de poder desplegarse a profundidades adecuadas a las condiciones diarias. Los helicópteros también se han utilizado para misiones de contramedidas de minas utilizando sonares remolcados como el AQS-20A .
Se pueden instalar sonares dedicados en barcos y submarinos para la comunicación submarina.
En 1950, Estados Unidos inició un sistema de sistemas pasivos y fijos de vigilancia oceánica con el nombre clasificado Sound Surveillance System (SOSUS) con la American Telephone and Telegraph Company (AT&T), y contrató a sus entidades de investigación Bell Laboratories y de fabricación Western Electric para el desarrollo e instalación. Los sistemas explotaban el canal SOFAR , también conocido como canal de sonido profundo, donde un mínimo de velocidad del sonido crea una guía de ondas en la que el sonido de baja frecuencia viaja miles de millas. El análisis se basaba en un espectrógrafo de sonido de AT&T, que convertía el sonido en un espectrograma visual que representaba un análisis de tiempo-frecuencia del sonido que se desarrolló para el análisis del habla y se modificó para analizar los sonidos submarinos de baja frecuencia. Ese proceso se denominaba Low Frequency Analysis and Recording (Análisis y grabación de baja frecuencia) y el equipo se denominó Low Frequency Analyzer and Recorder (Analizador y grabador de baja frecuencia), ambos con el acrónimo LOFAR. La investigación LOFAR se denominó Jezebel y condujo a su uso en sistemas aéreos y de superficie, en particular en sonoboyas que utilizaban el proceso y, a veces, utilizaban "Jezebel" en su nombre. [46] [47] [48] [49] El sistema propuesto ofrecía tal promesa de detección de submarinos de largo alcance que la Armada ordenó medidas inmediatas para su implementación. [47] [50]
Entre la instalación de un conjunto de prueba seguido de un conjunto operativo a escala real de cuarenta elementos, en 1951 y 1958, se instalaron sistemas en el Atlántico y luego en el Pacífico bajo el nombre no clasificado de Proyecto César . Los sistemas originales se terminaron en estaciones costeras clasificadas designadas como Instalaciones Navales (NAVFAC), explicadas como dedicadas 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 se eliminaron en un proceso de consolidación y redireccionamiento de los conjuntos a centros de procesamiento central en la década de 1990. En 1985, con nuevos conjuntos móviles y otros sistemas que se volvieron operativos, el nombre colectivo del sistema se cambió a Sistema Integrado de Vigilancia Submarina (IUSS). En 1991, se desclasificó la misión del sistema. El año anterior se autorizó el uso de las insignias IUSS. Se concedió acceso a algunos sistemas para investigación científica. [46] [47]
Se cree que la Unión Soviética utilizó un sistema similar.
El sonar se puede utilizar para detectar hombres rana y otros buceadores . Esto se puede aplicar alrededor de los barcos o en las entradas de los puertos. El sonar activo también se puede utilizar como mecanismo de disuasión y/o desactivación. Uno de estos dispositivos es el sistema Cerberus .
El sonar de imágenes de minas lapa (LIMIS) es un sonar de imágenes portátil o montado en un ROV diseñado para que los buzos de patrulla ( buzos rana de combate o buzos de limpieza ) busquen minas lapa en aguas con baja visibilidad .
El LUIS es otro sonar de imágenes para uso del buceador.
El sistema de sonar de navegación integrado (INSS) es un pequeño sonar portátil con forma de linterna para buceadores que muestra el alcance. [51] [52]
Se trata de un sonar diseñado para detectar y localizar las transmisiones de sonares activos hostiles. Un ejemplo de ello es el Tipo 2082 instalado en los submarinos británicos de la clase Vanguard .
La pesca es una industria importante que está experimentando una creciente demanda, 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 mundial hasta que se pueda alcanzar un punto de sostenibilidad . Sin embargo, la consolidación de las flotas pesqueras está impulsando una mayor demanda de sofisticados dispositivos electrónicos 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 se propagan de forma diferente a través de los peces que a través del agua, porque la vejiga natatoria de los peces, llena de aire , tiene una densidad diferente a la del agua de mar. Esta diferencia de densidad permite detectar bancos de peces mediante el 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 barcos de pesca comercial dependen casi por completo de sonares y sondas acústicas para detectar peces. Los pescadores también utilizan tecnología de sonares activos y ecosonda para determinar la profundidad del agua, el contorno del fondo y la composición del mismo.
Empresas como eSonar, Raymarine , Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp y Simrad fabrican una variedad de sonares e instrumentos acústicos para la industria de la pesca comercial en aguas profundas . Por ejemplo, los sensores de red toman varias mediciones submarinas 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 son recibidos por 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 de puente para su visualización gráfica en un monitor de alta resolución.
El ecosondeo es un proceso que se utiliza para determinar la profundidad del agua debajo de barcos y embarcaciones. El ecosondeo, un tipo de sonar activo, consiste en 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 vuelta al barco de origen. El pulso 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. [53]
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 la ecosonda, se les han dado términos diferentes.
La sonda de red es una ecosonda con un transductor montado en la línea de cabeza de la red en lugar de en el fondo del buque. Sin embargo, para adaptarse a la distancia desde el transductor hasta la unidad de visualización, que es mucho mayor que en una ecosonda normal, se deben 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, debe proporcionarse un tambor de cable en el que se hala, suelta y estiba el cable durante las diferentes fases de la operación. El segundo tipo es la sonda de red sin cable, 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 buque. En este caso, no se requiere un tambor de cable, pero se necesita 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 . Fijado a la línea de cabeza de la red, normalmente se puede ver la relinga inferior, que da una indicación del rendimiento de la red. También se puede ver cualquier pez que pase por 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, se montan transductores de sensores de captura en varias posiciones en el copo de la red. A medida que el copo se llena, estos transductores de sensores de captura se activan uno por uno y esta información se transmite acústicamente a los monitores de visualización en el puente del barco. El capitán puede entonces decidir cuándo recoger 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 utilizaban 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 observar hacia delante del vehículo. El sistema de reconocimiento de minas a largo plazo es un UUV para fines de MCM.
Los sonares que actúan como balizas se instalan en las aeronaves para permitir su localización en caso de accidente en el mar. Se pueden utilizar sonares de línea base corta y larga para determinar la ubicación, como el LBL .
En 2013, un inventor de Estados Unidos presentó un traje con "sentido arácnido", equipado con sensores ultrasónicos y sistemas de retroalimentación háptica que alertan al usuario de amenazas entrantes, lo que le permite responder a los atacantes incluso con los ojos vendados. [54]
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, la vejiga natatoria llena de aire de los peces. [55] Estos ecos proporcionan información sobre el tamaño, la ubicación, la abundancia y el comportamiento de los peces. Esto es especialmente eficaz para las vejigas natatorias de los peces (por ejemplo, arenque, bacalao y abadejo), y menos útil para los peces que no las tienen (por ejemplo, tiburones, caballa y platija). [56] Los datos de la columna de agua generalmente se procesan de manera diferente a los datos del fondo marino o de detección de objetos; este tipo de datos se puede procesar con software especializado. [55]
Se puede utilizar una ecosonda orientada 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 obtener 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 se pueden utilizar para caracterizar el fondo marino en, por ejemplo, lodo, arena y grava. Sonares relativamente simples, como las ecosondas, se pueden convertir en sistemas de clasificación del fondo marino mediante módulos complementarios, convirtiendo los parámetros del eco en tipo de sedimento. Existen diferentes algoritmos, pero todos se basan en cambios en la energía o la forma de los pulsos reflejados por la ecosonda. Se puede lograr un análisis avanzado de la clasificación del sustrato 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 sobre él justo por encima del fondo. Los sonares de baja frecuencia, como GLORIA, se han utilizado para estudios de toda la plataforma continental, mientras que los sonares de alta frecuencia se utilizan para estudios más detallados de áreas más pequeñas.
Las ecosondas multihaz montadas en el casco de los grandes buques de superficie producen franjas de datos batimétricos casi en tiempo real. Un ejemplo, el sistema "Seabeam" de General Instrument, utiliza un conjunto de proyectores a lo largo de la quilla para sonorizar el fondo con un haz en abanico. Las señales de un conjunto de hidrófonos montado transversalmente se procesan para sintetizar múltiples haces en abanico virtuales que cruzan el haz del proyector en ángulos rectos.
Creación de imágenes bidimensionales y tridimensionales utilizando datos del sonar.
Se han desarrollado potentes ecosondas de baja frecuencia para proporcionar perfiles de las capas superiores del fondo oceánico. Uno de los dispositivos más recientes es el SBP paramétrico multitransductor SES-2000 quattro de Innomar, utilizado, por ejemplo, en la bahía de Puck con fines arqueológicos submarinos. [57]
Las burbujas de gas pueden escaparse del fondo marino o de sus proximidades desde múltiples fuentes. Estas pueden detectarse tanto con sonares pasivos [58] como activos [41] (mostrados en la figura esquemática [58] con los sistemas amarillo y rojo respectivamente).
Se producen filtraciones naturales de metano y dióxido de carbono. [41] 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 sus siglas en inglés; por ejemplo, pozos petrolíferos agotados en los que se almacena el carbono atmosférico extraído). [59] [60] [61] [62] 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 dichas estimaciones a partir de datos de sonar. [58] [63]
Se han construido varios sonares de apertura sintética en el laboratorio y algunos de ellos se han utilizado en sistemas de búsqueda y detección de minas. En el sonar de apertura sintética se ofrece 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 fuego final. Un proyector de este tipo tiene las ventajas de un ancho de banda amplio, un ancho de haz estrecho y, cuando se desarrolla por completo y se mide con cuidado, no tiene lóbulos laterales obvios: consulte Matriz paramétrica . Su principal desventaja es una eficiencia muy baja de solo un pequeño porcentaje. [64] PJ Westervelt resume las tendencias involucradas. [65]
Se ha propuesto el uso de sonar tanto activo como pasivo para varios entornos extraterrestres. [66] Un ejemplo es Titán , donde el sonar activo podría usarse para determinar la profundidad de sus mares de hidrocarburos , [67] y el sonar pasivo podría usarse para detectar caídas de metano . [68]
Las propuestas que no tengan debidamente en cuenta la diferencia entre los entornos terrestres y extraterrestres podrían dar lugar a mediciones erróneas. [69] [70] [71] [72] [73] [74]
Las investigaciones han demostrado que el uso de un sonar activo puede provocar varamientos masivos de mamíferos marinos . [75] Se ha demostrado que los zifios , la víctima más común de los varamientos, son muy sensibles al sonar activo de frecuencia media. [76] Otros mamíferos marinos, como la ballena azul, también huyen de la fuente del sonar, [77] mientras que se sugirió que la actividad naval era la causa más probable de un varamiento masivo de delfines. [78] La Marina de los EE. UU., que financió parcialmente algunos de los estudios, dijo que los hallazgos solo mostraban respuestas conductuales al sonar, no daño real, pero "evaluarán la efectividad de [sus] medidas de protección de mamíferos marinos a la luz de nuevos hallazgos de investigación". [75] Un fallo de la Corte Suprema de los EE. UU. de 2008 sobre el uso del sonar por parte de la Marina de los EE. UU. 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. [79]
Algunos animales marinos, como las ballenas y los delfines , utilizan sistemas de ecolocalización , a veces llamados biosonares, para localizar depredadores y presas. Las investigaciones sobre los efectos del sonar en las ballenas azules de la bahía del sur de California muestran 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 los lugares 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. [80]
En 2019 se publicó una revisión de la evidencia sobre los varamientos masivos de ballenas picudas relacionados con ejercicios navales en los que se utilizó el sonar. Concluyó que los efectos del sonar activo de frecuencia media son más fuertes en las ballenas picudas 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 habían tenido exposición previa al sonar, y que se han encontrado síntomas de enfermedad por descompresión en ballenas varadas que pueden ser resultado de dicha respuesta al sonar. Señaló que en las Islas Canarias, donde se habían notificado múltiples varamientos previamente, no se habían producido más varamientos masivos una vez que se prohibieron los ejercicios navales durante los que se utilizó el sonar en la zona, y recomendó que la prohibición se extendiera a otras áreas donde siguen produciéndose varamientos masivos. [81] [82]
El sonar de baja frecuencia puede crear un pequeño cambio temporal en el umbral auditivo de algunos peces. [83] [84] [a]
Las frecuencias de los sonares varían desde infrasónicas hasta más de un megahertz. Por lo general, las frecuencias más bajas tienen un alcance mayor, mientras que las frecuencias más altas ofrecen una mejor resolución y un tamaño más pequeño para una direccionalidad determinada.
Para lograr una direccionalidad razonable, las frecuencias por debajo de 1 kHz generalmente requieren un gran tamaño, que normalmente se logra mediante conjuntos remolcados. [85]
Los sonares de baja frecuencia se definen de manera general como de 1 a 5 kHz, aunque algunas armadas también consideran que los de 5 a 7 kHz son de baja frecuencia. La frecuencia media se define como de 5 a 15 kHz. Otro estilo de división considera que la baja frecuencia es inferior a 1 kHz y la frecuencia media, entre 1 y 10 kHz. [85]
Los sonares estadounidenses de la Segunda Guerra Mundial funcionaban a una frecuencia relativamente alta de 20 a 30 kHz, para lograr direccionalidad con transductores razonablemente pequeños, con un alcance operativo máximo típico de 2500 yardas. Los sonares de posguerra usaban frecuencias más bajas para lograr un alcance mayor; por ejemplo, el SQS-4 funcionaba a 10 kHz con un alcance de hasta 5000 yardas. El SQS-26 y el SQS-53 funcionaban a 3 kHz con un alcance de hasta 20 000 yardas; sus domos tenían un tamaño aproximado de un barco de personal de 60 pies, un límite de tamaño superior para los sonares de casco convencionales. Lograr tamaños más grandes mediante un conjunto de sonares conformados distribuidos sobre el casco no ha sido efectivo hasta ahora, por lo que para frecuencias más bajas se utilizan conjuntos lineales o remolcados. [85]
Los sonares japoneses de la Segunda Guerra Mundial funcionaban en un rango de frecuencias. El Tipo 91, con un proyector de cuarzo de 30 pulgadas, funcionaba 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 entre 1,7 y 2,5 kilovatios, con un alcance de hasta 6 km. El posterior Tipo 3, con transductores magnetostrictivos de diseño alemán, funcionaba a 13, 14,5, 16 o 20 kHz (según el modelo), utilizando transductores gemelos (excepto el modelo 1 que tenía tres simples), a 0,2 a 2,5 kilovatios. El tipo simple utilizaba transductores magnetostrictivos de 14,5 kHz a 0,25 kW, impulsados por descarga capacitiva en lugar de osciladores, con un alcance de hasta 2,5 km. [23]
La resolución del sonar es angular; los objetos más alejados se capturan con resoluciones más bajas que los cercanos.
Otra fuente enumera los rangos y resoluciones frente a las frecuencias de los sonares de barrido lateral. 30 kHz proporciona una resolución baja con un rango de 1000 a 6000 m, 100 kHz proporciona una resolución media a 500 a 1000 m, 300 kHz proporciona una resolución alta a 150 a 500 m y 600 kHz proporciona una resolución alta a 75 a 150 m. Los sonares de mayor alcance se ven más afectados por la falta de homogeneidad del agua. Algunos entornos, normalmente aguas poco profundas cerca de las costas, tienen un terreno complicado con muchas características; allí se hacen necesarias frecuencias más altas. [86]
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