Acústica subacuática

The study of the propagation of sound in water and the interaction of sound waves with the water and its boundaries

Salida de un modelo informático de propagación acústica submarina en un entorno oceánico simplificado.

La acústica subacuática 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 no suele ser posible sin penetrar profundamente en el lecho marino, mientras que las frecuencias superiores a 1 MHz rara vez se utilizan porque se absorben muy rápidamente. La acústica subacuática a veces se conoce como hidroacústica .

El campo de la acústica subacuática está estrechamente relacionado con otros campos de estudio acústico, incluidos el sonar , la transducción , el procesamiento de señales acústicas , la oceanografía acústica , la bioacústica y la acústica física .

Historia

Un mapa del fondo marino producido por un sonar multihaz

Es probable que los animales marinos hayan utilizado el sonido submarino durante millones de años. La ciencia de la acústica subacuática comenzó en 1490, cuando Leonardo da Vinci escribió lo siguiente: ^[1]

"Si hace que su barco se detenga y coloque la cabeza de un tubo largo en el agua y coloque el extremo exterior en su oído, oirá los barcos a gran distancia de usted".

En 1687 Isaac Newton escribió sus Principios matemáticos de la filosofía natural, que incluía el primer tratamiento matemático del sonido. El siguiente gran paso en el desarrollo de la acústica subacuática fue realizado por 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 escuchó con una bocina de escucha submarina. ^[2] Midieron una velocidad del sonido de 1435 metros por segundo en una distancia de 17 kilómetros (Km), proporcionando la primera medición cuantitativa de la velocidad del sonido en el agua. ^[3] El resultado que obtuvieron estuvo dentro de aproximadamente el 2% de los valores aceptados actualmente. En 1877, Lord Rayleigh escribió la Teoría del Sonido y estableció la teoría acústica moderna.

El hundimiento del Titanic en 1912 y el comienzo de la Primera Guerra Mundial proporcionaron el ímpetu para la próxima ola de progreso en acústica submarina. Se desarrollaron sistemas para detectar icebergs y submarinos . Entre 1912 y 1914, se concedieron varias patentes de ecolocalización en Europa y Estados Unidos, que culminaron con el eco-guardabosques de Reginald A. Fessenden en 1914. Durante este tiempo, Paul Langevin realizó un trabajo pionero en Francia y AB Wood y asociados. ^[4] El desarrollo de ASDIC activo y 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 subacuática incluyeron el desarrollo de minas acústicas .

En 1919, se publicó el primer artículo científico sobre acústica subacuática ^{[5], que} describe teóricamente la refracción de las ondas sonoras producidas por los gradientes de temperatura y salinidad en el océano. Las predicciones de rango del documento se validaron experimentalmente mediante mediciones de pérdida de propagación .

Las siguientes dos décadas vieron el desarrollo de varias aplicaciones de la acústica subacuática. El sonómetro , o sonda de profundidad, se desarrolló comercialmente durante la década de 1920. Originalmente, se utilizaron materiales naturales para los transductores, pero en la década de 1930, los sistemas de sonar que incorporaban transductores piezoeléctricos hechos de materiales sintéticos se usaban para sistemas de escucha pasivos y para sistemas de alcance de eco activo. Estos sistemas se utilizaron con buenos resultados durante la Segunda Guerra Mundial tanto por submarinos como por buques antisubmarinos. Se realizaron muchos avances en acústica subacuática que se resumieron más adelante en la serie Physics of Sound in the Sea , publicada en 1946.

Después de la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo de los sistemas de sonar fue impulsado en gran parte por la Guerra Fría , lo que resultó en avances en la comprensión teórica y práctica de la acústica subacuática, con la ayuda de técnicas basadas en computadora.

Teoría

Ondas sonoras en el agua, fondo del mar

Una onda de sonido que se propaga bajo el agua consiste en alternar compresiones y rarefacciones del agua. Estas compresiones y rarefacciones son detectadas por un receptor, como el oído humano o un hidrófono , como cambios de presión . Estas ondas pueden ser creadas por el hombre o generadas naturalmente.

Velocidad del sonido, densidad e impedancia

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 por .${\displaystyle c\,}$ ${\displaystyle f\,}$ ${\displaystyle \lambda \,}$${\displaystyle c=f\cdot \lambda }$

Esto es diferente de la velocidad de las partículas , que se refiere al movimiento de las moléculas en el medio debido al sonido, y relaciona la presión de la onda plana con la densidad del fluido y la velocidad del sonido por .${\displaystyle u\,}$${\displaystyle p\,}$${\displaystyle \rho \,}$${\displaystyle c\,}$${\displaystyle p=c\cdot u\cdot \rho }$

El producto de y a partir de la fórmula anterior se conoce como impedancia acústica característica . La potencia acústica (energía por segundo) que cruza el área unitaria se conoce como la intensidad de la onda y para una onda plana la intensidad media viene dada por , donde es la raíz cuadrada de la presión acústica media .${\displaystyle c}$${\displaystyle \rho \,}$${\displaystyle I=q^{2}/(\rho c)\,}$${\displaystyle q\,}$

A 1 kHz, la longitud de onda en el agua es de aproximadamente 1,5 m. A veces se utiliza el término "velocidad del sonido", pero es incorrecto ya que la cantidad es un escalar.

El gran contraste de impedancia entre el aire y el agua (la relación es de aproximadamente 3600) y la escala de rugosidad de la superficie significa que la superficie del mar se comporta como un reflector de sonido casi perfecto a frecuencias por debajo de 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.

Absorción de sonido

La absorción del sonido de baja frecuencia es débil. ^[6] (ver Guías técnicas - Cálculo de la 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 el agua de mar están asociadas con la relajación iónica del ácido bórico (hasta c. 10 kHz) ^[6] y el sulfato de magnesio (c. 10 kHz-100 kHz). ^[7]

El sonido puede ser absorbido por pérdidas en los límites de los fluidos. Cerca de la superficie del mar se pueden producir pérdidas en una capa de burbujas o en hielo, mientras que en el fondo el sonido puede penetrar en el sedimento y ser absorbido.

Reflexión y dispersión del sonido

Interacciones de límites

Tanto la superficie del agua como el fondo son límites reflectantes y de dispersión.

Superficie

Para muchos propósitos, la superficie del aire y el mar puede considerarse un reflector perfecto. El contraste de impedancia es tan grande que poca energía puede cruzar este límite. Las ondas de presión acústica reflejadas desde la superficie del mar experimentan una inversión de fase, a menudo indicada 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. ^[8]

A alta frecuencia (por encima de aproximadamente 1 kHz) o cuando el mar está agitado, parte del sonido incidente se dispersa, y esto se tiene en cuenta asignando un coeficiente de reflexión cuya magnitud es menor que uno. Por ejemplo, cerca de la incidencia normal, el coeficiente de reflexión se vuelve , donde h es la altura de onda rms . ^[9]${\displaystyle R=-e^{-2k^{2}h^{2}sin^{2}A}}$

Otra complicación es la presencia de burbujas o peces generados por el viento cerca de la superficie del mar. ^[10] Las burbujas también pueden formar columnas que absorben parte del sonido incidente y disperso, y dispersan parte del sonido por sí mismas. ^[11]

Fondo marino

El desajuste de impedancia acústica entre el agua y el fondo es generalmente mucho menor que en la superficie y es más complejo. Depende de los tipos de material del fondo y la profundidad de las capas. Se han desarrollado teorías para predecir la propagación del sonido en el fondo en este caso, por ejemplo, por Biot ^[12] y por Buckingham. ^[13]

En el objetivo

El reflejo 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 fuerza del objetivo de varias formas simples en función del ángulo de incidencia del sonido. Se pueden aproximar formas más complejas combinando estas formas simples. ^[1]

Propagación de sonido

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 de sonido mediante refracción, reflexión y dispersión. En el mar, los gradientes verticales son generalmente mucho mayores que los horizontales. La combinación de esto con una tendencia a aumentar la velocidad del sonido a mayor profundidad, debido al aumento de la presión en las profundidades del mar , 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". Estos se pueden encontrar mediante métodos de trazado de rayos .

En el ecuador y las latitudes templadas del océano, la temperatura de la superficie es lo suficientemente alta como para revertir el efecto de la presión, de modo que se produce una velocidad mínima del sonido a una profundidad de unos pocos cientos de metros. La presencia de este mínimo crea un canal especial conocido como Deep Sound Channel, anteriormente conocido como canal SOFAR (fijación y rango de sonido), que permite la propagación guiada del sonido submarino a lo largo de miles de kilómetros.sin interacción con la superficie del mar o el fondo marino. Otro fenómeno en las profundidades marinas es la formación de áreas de enfoque de 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 de superficie también puede ocurrir en aguas profundas y moderadamente poco profundas cuando hay refracción ascendente, por ejemplo, debido a temperaturas superficiales frías. La propagación se produce mediante repetidos sonidos que rebotan en la superficie.

En general, a medida que el sonido se propaga bajo el agua, se produce una reducción de la intensidad del sonido en rangos crecientes, aunque en algunas circunstancias se puede obtener una ganancia debido al enfoque. La pérdida de propagación (a veces denominada pérdida de transmisión ) es una medida cuantitativa de la reducción de la intensidad del sonido entre dos puntos, normalmente la fuente de sonido y un receptor distante. Si es la intensidad del campo lejano de la fuente referida a un punto a 1 m de su centro acústico y es la intensidad en el receptor, entonces la pérdida de propagación viene dada por ^[1] . En esta ecuación no es la verdadera intensidad acústica en el receptor, que es una cantidad vectorial , sino un escalar.${\displaystyle I_{s}}$${\displaystyle I_{r}}$ ${\displaystyle PL=10\log(I_{s}/I_{r})}$${\displaystyle I_{r}}$igual a la intensidad de onda plana equivalente (EPWI) del campo sonoro. El EPWI se define como la magnitud de la intensidad de una onda plana de la misma presión RMS que el campo acústico verdadero. A corto alcance, la pérdida de propagación está dominada por la dispersión, mientras que a largo alcance está dominada por las pérdidas por absorción y / o dispersión.

Una definición alternativa es posible en términos de presión en lugar de intensidad, ^[14] dando , donde es la presión acústica RMS en el campo lejano del proyector, escalada a una distancia estándar de 1 m, y es la presión RMS en el receptor posición.${\displaystyle PL=20\log(p_{s}/p_{r})}$${\displaystyle p_{s}}$${\displaystyle p_{r}}$

Estas dos definiciones no son exactamente equivalentes porque la impedancia característica en el receptor puede ser diferente a la de la fuente. Debido a esto, el uso de la definición de intensidad conduce a una ecuación de sonda diferente a la definición basada en una relación de presión. ^[15] Si la fuente y el receptor están ambos en el agua, la diferencia es pequeña.

Modelado de propagación

La propagación del sonido a través del agua se describe mediante la ecuación de onda, con las condiciones de contorno adecuadas. Se han desarrollado varios modelos para simplificar los cálculos de propagación. Estos modelos incluyen teoría de rayos, soluciones en modo normal y simplificaciones de ecuaciones parabólicas de la ecuación de onda. ^[16] Cada conjunto de soluciones es generalmente válido y computacionalmente eficiente en un régimen de frecuencia y rango limitado, y también puede involucrar otros límites. La teoría de rayos es más apropiada a corto alcance y alta frecuencia, mientras que las otras soluciones funcionan mejor a largo alcance y baja frecuencia. ^{[17] [18] [19]} Varias fórmulas empíricas y analíticas también se han derivado de mediciones que son aproximaciones útiles.^[20]

Reverberación

Los sonidos transitorios dan como resultado un fondo en descomposición que puede tener una duración mucho mayor que la señal transitoria original. La causa de este fondo, conocido como reverberación, se debe en parte a la dispersión de los límites aproximados y en parte a la dispersión de los peces y otra biota . Para que una señal acústica se detecte fácilmente, debe superar el nivel de reverberación y el nivel de ruido de fondo .

Desplazamiento Doppler

Si un objeto submarino se mueve en relación con un receptor submarino, la frecuencia del sonido recibido es diferente de la del sonido irradiado (o reflejado) por el objeto. Este cambio de frecuencia se conoce como desplazamiento Doppler . El cambio se puede observar fácilmente en los sistemas de sonar activos , particularmente en los de banda estrecha, porque se conoce la frecuencia del transmisor y se puede calcular el movimiento relativo entre el sonar y el objeto. A veces, también se puede conocer la frecuencia del ruido radiado (un tonal ), en cuyo caso se puede realizar el mismo cálculo para el sonar pasivo. Para los sistemas activos, el cambio de frecuencia es de 0,69 Hz por nudo.por kHz y la mitad de esto para los sistemas pasivos, ya que la propagación es solo en un sentido. El cambio corresponde a un aumento de frecuencia para un objetivo que se acerca.

Fluctuaciones de intensidad

Aunque el modelado de propagación acústica generalmente predice un nivel de sonido recibido constante, en la práctica existen fluctuaciones tanto temporales como espaciales. Estos pueden deberse a fenómenos ambientales tanto a pequeña como a 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, existen múltiples rutas de propagación entre una fuente y un receptor, pequeños cambios de fase en el patrón de interferencia entre estas rutas pueden provocar grandes fluctuaciones en la intensidad del sonido.

No linealidad

En el agua, especialmente con burbujas de aire, el cambio de densidad debido a un cambio de presión no es exactamente linealmente proporcional. Como consecuencia de una entrada de onda sinusoidal, se generan frecuencias armónicas y subarmónicas adicionales. Cuando se 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, la velocidad del sonido depende de la amplitud de la presión, de modo que los cambios grandes viajan más rápido que los pequeños. Por lo tanto, una forma de onda sinusoidal se convierte gradualmente en una de diente de sierra con una subida pronunciada y una cola gradual. Se hace uso de este fenómeno en el sonar paramétrico y se han desarrollado teorías para explicarlo, por ejemplo, por Westerfield.

Medidas

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 , y estas generalmente se convierten en nivel de presión sonora (SPL), que es una medida logarítmica de la presión acústica cuadrática media .

Las mediciones generalmente se informan en una de tres formas: -

• Presión acústica RMS en micropascales (o dB re 1 μPa)
• Presión acústica RMS en un ancho de banda especificado , generalmente octavas o tercios de octava (dB re 1 μPa)
• Densidad espectral (presión cuadrática media por unidad de ancho de banda) en micropascales al cuadrado por Hertz (dB re 1 μPa ² / Hz)

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 al cuadrado medio de la presión sonora dividida por la impedancia acústica) en el aire es aproximadamente 20 ² × 3600 = 1440 000 veces mayor que en el agua. De manera similar, la intensidad es aproximadamente la misma si el SPL es 61,6 dB más alto en el agua.

Velocidad del sonido

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. ^[21] La velocidad del sonido en el agua aumenta al aumentar la presión , la temperatura y la salinidad . ^{[22] [23]} La velocidad máxima en agua pura a 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. ^[24] Se pueden encontrar calculadoras en línea en Guías técnicas - Velocidad del sonido en agua de mar yGuías técnicas - Velocidad del sonido en agua pura .

Absorción

Se han realizado muchas mediciones de la absorción acústica en lagos y océanos ^{[6] [7]} (véanse las Guías técnicas - Cálculo de la absorción acústica en el agua de mar para una calculadora en línea).

Ruido ambiental

La medición de señales acústicas es posible si su amplitud excede un umbral mínimo, determinado en parte por el procesamiento de la señal utilizado y en parte por el nivel de ruido de fondo. El ruido ambiental es la parte del ruido recibido que es independiente de las características de la fuente, el receptor y la plataforma. Por lo tanto, excluye la reverberación y el ruido de remolque, por ejemplo.

El ruido de fondo presente en el océano, o el ruido ambiental, tiene muchas fuentes diferentes y varía según la ubicación y la frecuencia. ^[25] En las frecuencias más bajas, de aproximadamente 0,1 Hz a 10 Hz, la turbulencia y los microsísmos del océano son los principales contribuyentes al ruido de fondo. ^[26] Los niveles típicos del espectro de ruido disminuyen al aumentar la frecuencia desde aproximadamente 140 dB re 1 μPa ² / Hz a 1 Hz hasta aproximadamente 30 dB re 1 μPa ² / Hz a 100 kHz. El tráfico de barcos distantes es una de las fuentes de ruido dominantes ^[27] en la mayoría de las áreas para frecuencias de alrededor de 100 Hz, mientras que el ruido de superficie inducido por el vientoes 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 en 20 dB por década (aproximadamente 6 dB por octava ). ^[28]

Las fuentes de sonido transitorias también contribuyen al ruido ambiental. Estos pueden incluir actividad geológica intermitente, como terremotos y volcanes submarinos, ^[29] lluvia en la superficie y actividad biológica. Las fuentes biológicas incluyen cetáceos (especialmente ballenas azules , de aleta y cachalotes ), ^{[30] [31]} ciertos tipos de peces y camarones mordedores .

La lluvia puede producir altos niveles de ruido ambiental. Sin embargo, la relación numérica entre la tasa de lluvia y el nivel de ruido ambiental es difícil de determinar porque la medición de la tasa de lluvia es problemática en el mar.

Reverberación

Se han realizado muchas mediciones de la superficie del mar, el fondo y la reverberación del volumen. A veces se han derivado modelos empíricos de estos. Una expresión comúnmente utilizada para la banda de 0,4 a 6,4 kHz es la de Chapman y Harris. ^[32] Se encuentra que una forma de onda sinusoidal se extiende en frecuencia debido al movimiento de la superficie. Para la reverberación del fondo, a menudo se aplica una ley de Lambert de forma aproximada, por ejemplo, véase Mackenzie. ^[33] La reverberación del volumen suele producirse principalmente en capas, que cambian de profundidad con la hora del día, por ejemplo, véase Marshall y Chapman. ^[34] La superficie inferior del hielo puede producir una fuerte reverberación cuando está rugosa, véase, por ejemplo, Milne. ^[35]

Pérdida de fondo

La pérdida de fondo se ha medido como una función del ángulo de rasante para muchas frecuencias en varios lugares, por ejemplo, los de la Encuesta Geofísica Marina de EE. UU. ^[36] La pérdida depende de la velocidad del sonido en el fondo (que se ve afectado por los gradientes y las capas) y por la rugosidad. Se han elaborado gráficos para la pérdida esperada en circunstancias particulares. En aguas poco profundas, la pérdida del fondo a menudo tiene el impacto dominante en la propagación a larga distancia. A bajas frecuencias, el sonido puede propagarse a través del sedimento y luego regresar al agua.

Audiencia submarina

Comparación con los niveles de sonido en el aire

Al igual que con el sonido transmitido por el aire , el nivel de presión acústica bajo el agua generalmente se informa en unidades de decibelios , pero existen algunas diferencias importantes que hacen que sea difícil (y a menudo inapropiado) comparar SPL en agua con SPL en aire. Estas diferencias incluyen: ^[37]

• diferencia en la presión de referencia: 1 μPa (un micropascal, o una millonésima parte de un pascal ) en lugar de 20 μPa. ^[14]
• Diferencia en la interpretación: hay dos escuelas de pensamiento, una que sostiene que las presiones deben compararse directamente y la otra que primero se debe convertir a la intensidad de una onda plana equivalente.
• Diferencia en la sensibilidad auditiva : cualquier comparación con el sonido ( ponderado A ) en el aire debe tener en cuenta las diferencias en la sensibilidad auditiva, ya sea de un buceador humano o de otro animal. ^[38]

Audición humana

Sensibilidad auditiva

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 ocurre en frecuencias de alrededor de 1 kHz. ^[39] Esto corresponde a una intensidad de sonido de 5,4 dB, o 3,5 veces, más alta que el umbral en el aire (ver Medidas arriba).

Umbrales de seguridad

Los altos niveles de sonido bajo el agua crean un peligro potencial para los buceadores humanos. ^{[40] El} proyecto SOLMAR del Centro de Investigaciones Submarinas de la OTAN informa sobre las directrices para la exposición de los buzos humanos al sonido submarino . ^[41] Se informa que los buzos humanos expuestos a SPL por encima de 154 dB re 1 μPa en el rango de frecuencia de 0,6 a 2,5 kHz experimentan cambios en su frecuencia cardíaca o frecuencia respiratoria. La aversión del buceador al sonido de baja frecuencia depende del nivel de presión sonora y de la frecuencia central . ^[42]

Otras especies

Mamíferos acuáticos

Los delfines y otras ballenas dentadas son conocidos por su aguda sensibilidad auditiva, especialmente en el rango de frecuencia de 5 a 50 kHz. ^{[38] [43]} Varias especies tienen umbrales de audición entre 30 y 50 dB re 1 μPa en este rango de frecuencia. Por ejemplo, el umbral de audición de la orca se produce a una presión acústica RMS de 0,02 mPa (y una frecuencia de 15 kHz), correspondiente a un umbral de SPL de 26 dB re 1 μPa. ^[44]

Los altos niveles de sonido bajo el agua crean un peligro potencial para los animales marinos y anfibios. ^[38] Los efectos de la exposición al ruido submarino son revisados ​​por Southall et al. ^[45]

Pescado

Ladich y Fay revisan la sensibilidad auditiva de los peces. ^[46] El umbral de audición del pez soldado es de 0,32 mPa (50 dB re 1 μPa) a 1,3 kHz, mientras que la langosta tiene un umbral de audición de 1,3 Pa a 70 Hz (122 dB re 1 μPa). ^[44] Los efectos de la exposición al ruido submarino son revisados ​​por Popper et al. ^[47]

Aplicaciones de la acústica subacuática

Sonar

Artículo principal: Sonar

Sonar es el nombre que se le da al equivalente acústico del radar . Los pulsos de sonido se utilizan para sondear el mar y los ecos se procesan para extraer información sobre el mar, sus límites y los objetos sumergidos. Un uso alternativo, conocido como sonar pasivo , intenta hacer lo mismo escuchando los sonidos irradiados por los objetos bajo el agua.

Comunicación submarina

Artículo principal: Comunicación acústica subacuática

La necesidad de telemetría acústica subacuática existe en aplicaciones tales como recolección de datos para monitoreo ambiental, comunicación con y entre vehículos submarinos tripulados y no tripulados , transmisión de voz de buzos, etc. Una aplicación relacionada es el control remoto subacuático , en el que la telemetría acústica se utiliza para accionar un interruptor o desencadenar un evento. Un ejemplo destacado de control remoto submarino son los disparadores acústicos , dispositivos que se utilizan para devolver a la superficie paquetes de instrumentos desplegados en el fondo del mar u otras cargas útiles mediante un comando remoto al final de un despliegue. Las comunicaciones acústicas forman un campo de investigación activo ^{[48] [49]}con importantes desafíos 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 extienda en intervalos de retardo de tiempo de decenas o cientos de milisegundos, así como cambios y propagación Doppler significativos . A menudo, los sistemas de comunicación acústica no están limitados por el ruido, sino por la reverberación y la variabilidad del tiempo más allá de la capacidad de los algoritmos del receptor. La fidelidad de los enlaces de comunicación submarinos se puede mejorar enormemente mediante el uso de matrices de hidrófonos, que permiten técnicas de procesamiento como la formación de haces adaptativa y la combinación de diversidad .

Navegación y seguimiento submarinos

Artículo principal: sistema de posicionamiento acústico subacuático

La navegación y el seguimiento submarinos es un requisito común para la exploración y el trabajo de los buzos, ROV , vehículos submarinos autónomos (AUV) , sumergibles tripulados y submarinos por igual. A diferencia de la mayoría de las señales de radio que se absorben rápidamente, el sonido se propaga muy lejos bajo el agua y a una velocidad que puede medirse o estimarse con precisión. ^[50] Por lo tanto, se puede utilizar para medir distancias entre un objetivo rastreado y una o varias referencias de estaciones de línea de base con precisión, y triangular la posición del objetivo, a veces con precisión centimétrica. A partir de la década de 1960, esto ha dado lugar a sistemas de posicionamiento acústico submarino que ahora se utilizan ampliamente.

Exploración sísmica

Artículo principal: Sismología de reflexión

La exploración sísmica implica el uso de sonido de baja frecuencia (<100 Hz) para explorar las profundidades del lecho marino. A pesar de la resolución relativamente pobre debido a su longitud de onda larga, se prefieren los sonidos de baja frecuencia porque las frecuencias altas se atenúan mucho cuando viajan a través del lecho marino. Las fuentes de sonido utilizadas incluyen pistolas de aire comprimido , vibroseis y explosivos .

Observación del tiempo y el clima

Se pueden usar sensores acústicos para monitorear el sonido producido por el viento y la precipitación . Por ejemplo, una acústica pluviómetro es descrito por Nystuen. ^[51] También se pueden detectar rayos. ^[52] La termometría acústica del clima oceánico (ATOC) utiliza un sonido de baja frecuencia para medir la temperatura global del océano.

Oceanografía

Esta sección necesita expansión . Puede ayudar agregando más . ( Mayo de 2008 )

Artículo principal: Oceanografía acústica

Las características del océano a gran escala pueden detectarse mediante tomografía acústica . Las características del fondo se pueden medir mediante sonar de barrido lateral y perfilado del subfondo .

Biología marina

Artículo principal: Bioacústica

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 la ubicación, la cantidad, el tamaño y la biomasa de los peces.

La telemetría acústica también se utiliza para monitorear peces y vida silvestre marina. Un transmisor acústico se adjunta al pez (a veces internamente) mientras una serie de receptores escuchan la información transmitida por la onda de sonido. Esto permite a los investigadores rastrear los movimientos de los individuos a pequeña y mediana escala. ^[53]

Los camarones pistola crean burbujas de cavitación sonoluminiscentes que alcanzan hasta 5.000 K (4.700 ° C) ^[54]

Física de partículas

Un neutrino es una partícula fundamental que interactúa muy débilmente con otra materia. Por esta razón, requiere aparatos de detección a muy gran escala, y el océano a veces se utiliza para este propósito. En particular, se cree que los neutrinos de energía ultra alta en el agua de mar pueden detectarse acústicamente. ^[55]

Ver también

• Etiquetas acústicas (telemetría acústica)  : dispositivo que permite la detección y seguimiento de animales
• Bioacústica
• Hidroacústica  : el estudio y la aplicación tecnológica del sonido en el agua.
• Red de seguimiento oceánico
• Refracción (sonido)  : cambio de dirección de propagación debido a la variación de la velocidad
• Sonar  : técnica que utiliza la propagación del sonido.
• Sistema de posicionamiento acústico subacuático  : un sistema para el seguimiento y la navegación de vehículos submarinos o buceadores mediante el uso de medidas acústicas de distancia y / o dirección, y la triangulación de posición posterior.
• Canal SOFAR  : una capa horizontal de agua en el océano a cuya profundidad la velocidad del sonido es mínima.
• Comunicación acústica subacuática  : técnica inalámbrica de envío y recepción de mensajes a través del agua.
• Conferencia europea de acústica subacuática

Referencias

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Enlaces externos

• Biblioteca de acústica oceánica
• Ultrasonidos y acústica subacuática
• Monitoreo del océano global a través de la acústica submarina
• Comité Técnico de Acústica Subacuática de ASA
• Un océano de sonido
• Comunicaciones acústicas subacuáticas
• Grupo de comunicaciones acústicas en la Institución Oceanográfica Woods Hole
• Sonido en el mar
• Grupo de investigación de acústica subacuática de SFSU
• Descubrimiento del sonido en el mar
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