Acústica subacuática
La acústica subacuática estudia la propagación del sonido en agua y la interacción de ondas mecánicas (constituidas por ondas de presión denominadas sonido) con el agua y sus fronteras.
La detección hidroacústica implica "acústica pasiva" (escuchar sonidos) o acústica activa que emite un sonido y escucha el eco, de ahí el nombre común del dispositivo ecosonda.
El sonido subacuático probablemente ha sido empleado durante millones de años por animales marinos.
La acústica subacuática comenzó a considerarse una ciencia en 1490, cuando Leonardo da Vinci escribió lo siguiente:[1] "Si detienes tu nave y colocas un extremo de un tubo largo en el agua y el otro extremo en tu oído, escucharás barcos a grandes distancias de ti".
[2] Ellos midieron una velocidad del sonido de 1435 m por segundo a una distancia de 17 kilómetros (km), proveyendo la primera medida cuantitativa de la velocidad del sonido en el agua..[3] En 1877 Lord Rayleigh escribió la "Teoría del sonido" estableciendo la teoría acústica moderna.
El hundimiento del RMS Titanic en 1912 y el inicio de la Primera Guerra Mundial aportaron el ímpetu para la siguiente oleada de progreso en acústica subacuática.
Entre 1912 y 1914, en Europa y Estados Unidos fueron asignadas un considerable número de patentes relativas a ecolocalización, culminando en 1914 con un transductor acústico diseñado por Reginald A Fessenden.
Trabajo precursor fue realizado tanto por Paul Langevin en Francia como por Albert Beaumont Wood en Inglaterra.
[4] El desarrollo del Sonar activo y pasivo se realizó durante la guerra, impulsado por los primeros despliegues a gran escla de submarinos.
En 1919, se publicó el primer artículo científico sobre acústica subacuática,[5] describiendo teóricamente la refracción de ondas acústicas producida por los gradientes de temperatura y salinidad en el océano.
En las siguientes dos décadas se desarrollaron múltiples aplicaciones de la acústica subacuática.
Estos sistemas se emplearon efectivamente durante la Segunda Guerra Mundial, tanto por submarinos como buques antisubmarinos.
Muchos de los avances en acústica subacuática fueron resumidos en la serie "Física del sonido en el mar", publicado en 1946.
Una onda de sonido que se propaga subacuaticamente está compuesta por compresiones y rarefacciones alternantes del agua.
Estas compresiones y rarefacciones son detectadas como cambios de presión por un receptor denominado hidrófono.
Por lo anterior, se define a las ondas sonoras como ondas de presión que se propagan longitudinalmente, las moléculas vibran en la dirección de la propagación del sonido.
Cabe destacar que la velocidad del sonido en el agua es aproximadamente 4.5 veces mayor a la del aire, debido a una mayor densidad.
Esta variable, depende de varios factores, tales como la temperatura, presión y salinidad.
Debido a que la presión se comporta linealmente con respecto a la profundidad se considera regularmente en el cálculo de la velocidad del sonido.
Existen diferentes fórmulas determinadas empíricamente con las cuales puede calcularse la velocidad del sonido.
Las fórmulas son muy similares, como puede observarse en los siguientes ejemplos: En las que :
Como resultado, los haces de sonido verticales apenas se rompen.
La potencia acústica (Energía por segundo) cruzando una unidad de área, se conoce como intensidad de la onda y para ondas planas la intensidad promediadas en el tiempo está dada por:
La absorción del sonido de baja frecuencia es débil[6] (consulte Technical Guides – Calculation of absorption of sound in seawater para una calculadora en línea).
Las ondas acústicas también pueden ser absorbidas por pérdidas dentro del líquido, p.ej: Tanto la superficie como el fondo marino son fronteras reflejantes y dispersantes.
Para muchos propósitos la superficie aire-mar puede considerarse como un reflector perfecto.
A altas frecuencias (por encima de 1 kHz) o cuando la mar esta agitada, una parte del sonido incidente es dispersado, y esto se toma en cuenta asignando un coeficiente de reflexión cuya magnitud es menor a uno.
[9] Las burbujas pueden formar una pluma (hidrodinámica) que absorbe una fracción del sonido incidente y dispersado y en algunas ocasiones dispersar el sonido por sí mismas.
La diferencia de impedancias acústicas entre el agua y el fondo generalmente es mucho menor a la diferencia con respecto a la superficie, sin embargo es más compleja.
Se han desarrollado teorías para predecir la propagación acústica en el fondo; por ejemplo, Biot[10] y Buckingham.
