acústica subacuática

Una onda sonora que se propaga bajo el agua consiste en compresiones y rarefacciones alternas del agua. Estas compresiones y rarefacciones son detectadas por un receptor, como el oído humano o un hidrófono , como cambios de presión . Estas ondas pueden ser artificiales o generadas de forma natural.

La velocidad del sonido${\displaystyle c\,}$(es decir, el movimiento longitudinal de los frentes de onda) está relacionado con la frecuencia${\displaystyle f\,}$y longitud de onda${\displaystyle \lambda \,}$de una ola por${\displaystyle c=f\cdot \lambda }$.

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

El producto de${\displaystyle c}$y${\displaystyle \rho \,}$La fórmula anterior se conoce como impedancia acústica característica . La potencia acústica (energía por segundo) que atraviesa una unidad de área se conoce como intensidad de la onda y, para una onda plana, la intensidad promedio viene dada por${\displaystyle I=q^{2}/(\rho c)\,}$, dónde${\displaystyle q\,}$es la presión acústica cuadrática media .

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 esto es incorrecto, ya que se trata de una magnitud escalar.

El gran contraste de impedancia entre el aire y el agua (la relación es de aproximadamente 3600) y la magnitud de la rugosidad de la superficie hacen que la superficie del mar se comporte como un reflector de sonido casi perfecto a frecuencias inferiores a 1  kHz. La velocidad del sonido en el agua supera a la del aire en un factor de 4,4 y la relación de densidad es de aproximadamente 820.

La absorción de sonido de baja frecuencia es débil. ^{[ 7 ]} (véase 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 . Las contribuciones adicionales a frecuencias más bajas en agua de mar están asociadas con la relajación iónica del ácido bórico (hasta aprox. 10  kHz) ^{[ 7 ]} y el sulfato de magnesio (aprox. 10  kHz-100  kHz). ^{[ 8 ]}

El sonido puede absorberse debido a las pérdidas en los límites del fluido. Cerca de la superficie del mar, las pérdidas pueden producirse en una capa de burbujas o en el hielo, mientras que en el fondo el sonido puede penetrar en el sedimento y ser absorbido.

La propagación acústica subacuática depende de muchos factores. La dirección de propagación del sonido está determinada por los gradientes de velocidad del sonido en el agua. Estos gradientes transforman la onda sonora mediante refracción, reflexión y dispersión. En el mar, los gradientes verticales suelen ser mucho mayores que los horizontales. Si a esto le sumamos la tendencia a que la velocidad del sonido aumente con la profundidad, debido al incremento de la presión en las profundidades marinas , se produce una inversión del gradiente de velocidad del sonido en la termoclina , creando una guía de ondas eficiente a la profundidad correspondiente a la velocidad mínima del sonido. El perfil de velocidad del sonido puede generar regiones de baja intensidad sonora, denominadas "zonas de sombra", y regiones de alta intensidad, denominadas "cáusticas". Estas regiones pueden detectarse mediante métodos de trazado de rayos .

En el ecuador y en latitudes templadas del océano, la temperatura superficial es lo suficientemente alta como para invertir el efecto de presión, de modo que se produce un mínimo de velocidad del sonido a unos cientos de metros de profundidad. La presencia de este mínimo crea un canal especial conocido como canal de sonido profundo o canal SOFAR (sound fixing and range), que permite la propagación guiada del sonido submarino a lo largo de miles de kilómetros sin interacción con la superficie del mar ni el lecho marino. Otro fenómeno en las profundidades marinas es la formación de zonas de enfoque del sonido, conocidas como zonas de convergencia. En este caso, el sonido se refracta hacia abajo desde una fuente cercana a la superficie y luego vuelve a ascender. La distancia horizontal desde la fuente a la que esto ocurre depende de los gradientes positivos y negativos de la velocidad del sonido. También puede formarse un conducto superficial tanto en aguas profundas como en aguas moderadamente poco profundas cuando hay refracción ascendente, por ejemplo, debido a las bajas temperaturas de la superficie. La propagación se produce por rebotes repetidos del sonido en la superficie.

En general, a medida que el sonido se propaga bajo el agua, se produce una reducción en la intensidad del sonido a medida que aumenta la distancia, 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${\displaystyle I_{s}}$es la intensidad de campo lejano de la fuente referida a un punto a 1 m de su centro acústico y${\displaystyle I_{r}}$es la intensidad en el receptor, entonces la pérdida de propagación viene dada por ^{[ 2 ]}${\displaystyle {\mathit {PL}}=10\log(I_{s}/I_{r})}$En esta ecuación${\displaystyle I_{r}}$No se trata de la intensidad acústica real en el receptor, que es una magnitud vectorial , sino de un escalar igual a la intensidad de onda plana equivalente (EPWI) del campo sonoro. La EPWI se define como la magnitud de la intensidad de una onda plana con la misma presión RMS que el campo acústico real. A corta distancia, la pérdida de propagación está dominada por la dispersión, mientras que a larga distancia está dominada por la absorción y/o la dispersión.

Es posible una definición alternativa en términos de presión en lugar de intensidad, ^{[ 15 ]} dando${\displaystyle {\mathit {PL}}=20\log(p_{s}/p_{r})}$, dónde${\displaystyle p_{s}}$ es la presión acústica RMS en el campo lejano del proyector, escalada a una distancia estándar de 1 m, y${\displaystyle p_{r}}$ es la presión RMS en la posición del receptor.

Estas dos definiciones no son exactamente equivalentes porque la impedancia característica en el receptor puede ser diferente de la de la fuente. Por ello, el uso de la definición de intensidad da lugar a una ecuación de sonar diferente a la de la definición basada en una relación de presión. ^{[ 16 ]} Si tanto la fuente como el receptor están en el agua, la diferencia es pequeña.

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/m³ ^para la densidad. ^{[ 22 ]} La velocidad del sonido en el agua aumenta con el aumento de la presión , la temperatura y la salinidad . ^{[ 23 ] [ 24 ]} La velocidad máxima en agua pura 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. ^{[ 25 ]}

Se han realizado muchas mediciones de absorción de sonido en lagos y océanos ^{[ 7 ] [ 8 ]} (consulte las Guías técnicas: Cálculo de la absorción de sonido en agua de mar para obtener una calculadora en línea).

La medición de señales acústicas es posible si su amplitud supera un umbral mínimo, determinado en parte por el procesamiento de la señal y en parte por el nivel de ruido ambiental. 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 ruido ambiental, tiene muchas fuentes diferentes y varía con la ubicación y la frecuencia. ^{[ 26 ]} En las frecuencias más bajas, de aproximadamente 0,1  Hz a 10  Hz, la turbulencia oceánica y los microsismos son los principales contribuyentes al ruido de fondo. ^{[ 27 ]} Los niveles típicos del espectro de ruido disminuyen con el aumento de la frecuencia de aproximadamente 140  dB re 1 μPa ² /Hz a 1  Hz a aproximadamente 30  dB re 1 μPa ² /Hz a 100  kHz. El tráfico marítimo lejano es una de las fuentes de ruido dominantes ^{[ 28 ]} en la mayoría de las áreas para frecuencias alrededor de 100 Hz, mientras que el ruido superficial  inducido por el viento es la fuente principal entre 1 kHz y 30 kHz. En frecuencias muy altas, por encima de 100 kHz, el ruido térmico de las moléculas de agua comienza a dominar. El nivel espectral del ruido térmico a 100 kHz es de 25 dB re 1 μPa ² /Hz. La densidad espectral del ruido térmico aumenta en 20 dB por década (aproximadamente 6 dB por octava ). ^{[ 29 ]}       

Las fuentes de sonido transitorias también contribuyen al ruido ambiental. Estas pueden incluir actividad geológica intermitente, como terremotos y volcanes submarinos, ^{[ 30 ]} lluvia en la superficie y actividad biológica. Las fuentes biológicas incluyen cetáceos (especialmente ballenas azules , ballenas de aleta y cachalotes ), ^{[ 31 ] [ 32 ]} ciertos tipos de peces y camarones chasqueadores .

La lluvia puede generar altos niveles de ruido ambiental. Sin embargo, la relación numérica entre la intensidad de la lluvia y el nivel de ruido ambiental es difícil de determinar debido a las dificultades para medir la intensidad de la lluvia en el mar.

Se han realizado numerosas mediciones de la reverberación de la superficie, el fondo y el volumen del mar. A veces se han derivado modelos empíricos a partir de estas. Una expresión comúnmente utilizada para la banda de 0,4 a 6,4  kHz es la de Chapman y Harris. ^{[ 33 ]} Se observa que una forma de onda sinusoidal se extiende en frecuencia debido al movimiento de la superficie. Para la reverberación del fondo, se ha encontrado que la Ley de Lambert se aplica con frecuencia de forma aproximada; por ejemplo, véase Mackenzie. ^{[ 34 ]} La reverberación volumétrica suele producirse principalmente en capas, cuya profundidad varía con la hora del día; por ejemplo, véase Marshall y Chapman. ^{[ 35 ]} La superficie inferior del hielo puede producir una fuerte reverberación cuando está rugosa; véase, por ejemplo, Milne. ^{[ 36 ]}

La pérdida de fondo se ha medido en función del ángulo de incidencia para muchas frecuencias en diversas ubicaciones, por ejemplo, las del Servicio Geofísico Marino de EE. UU. ^{[ 37 ]} La pérdida depende de la velocidad del sonido en el fondo (que se ve afectada por los gradientes y la estratificación) y por la rugosidad. Se han elaborado gráficos para la pérdida esperada en circunstancias particulares. En aguas poco profundas, la pérdida de fondo suele tener el impacto dominante en la propagación a larga distancia. A bajas frecuencias, el sonido puede propagarse a través del sedimento y luego regresar al agua.

Al igual que con el sonido aéreo , el nivel de presión sonora (SPL) bajo el agua generalmente se informa en unidades de decibelios , pero hay diferencias que hacen que sea difícil (y a menudo inapropiado) comparar el SPL en el agua con el SPL en el aire. Estas diferencias incluyen: ^{[ 38 ]}

• diferencia en la presión de referencia: 1 μPa (un micropascal, o una millonésima de pascal ) en lugar de 20 μPa. ^{[ 15 ]}
• Diferencia de interpretación: existen dos corrientes de pensamiento, una que sostiene que las presiones deben compararse directamente y otra que primero debe convertirse 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 u otro animal. ^{[ 39 ]}

El sonar es el equivalente acústico del radar . Se utilizan pulsos de sonido para explorar el mar, y los ecos se procesan para obtener información sobre el mar, sus límites y los objetos sumergidos. Una alternativa, conocida como sonar pasivo , intenta lograr lo mismo captando los sonidos que emiten los objetos submarinos.

La necesidad de telemetría acústica subacuática existe en aplicaciones como la recolección de datos para el monitoreo ambiental, la comunicación con y entre vehículos submarinos tripulados y no tripulados , la transmisión de la voz de los buceadores, etc. Una aplicación relacionada es el control remoto subacuático , en el que la telemetría acústica se utiliza para accionar remotamente un interruptor o activar un evento. Un ejemplo destacado de control remoto subacuático son los dispositivos de liberación acústica , que se utilizan para devolver a la superficie paquetes de instrumentos desplegados en el fondo marino u otras cargas útiles mediante una orden remota al final de un despliegue. Las comunicaciones acústicas constituyen un campo de investigación activo ^{[ 52 ] [ 53 ]} con importantes desafíos que superar, especialmente en canales horizontales de aguas poco profundas.

En comparación con las radiocomunicaciones , el ancho de banda disponible se reduce en varios órdenes de magnitud. La baja velocidad del sonido provoca que la propagación multitrayecto se extienda a intervalos de retardo de decenas o cientos de milisegundos, además de generar importantes desplazamientos Doppler y dispersión. A menudo, los sistemas de comunicación acústica no se ven limitados por el ruido, sino por la reverberación y la variabilidad temporal, que superan la capacidad de los algoritmos del receptor. La fidelidad de los enlaces de comunicación subacuática puede mejorarse considerablemente mediante el uso de conjuntos de hidrófonos, que permiten técnicas de procesamiento como la formación de haces adaptativa y la combinación de diversidad .

La navegación y el seguimiento subacuáticos son requisitos comunes para la exploración y el trabajo de buzos, ROV , vehículos submarinos autónomos (AUV) , sumergibles tripulados y submarinos . A diferencia de la mayoría de las señales de radio, que se absorben rápidamente, el sonido se propaga a gran profundidad y a una velocidad que puede medirse o estimarse con precisión. ^{[ 54 ]} Por lo tanto, puede utilizarse para medir con precisión las distancias entre un objetivo rastreado y una o varias estaciones de referencia , y triangular la posición del objetivo, a veces con una precisión centimétrica. A partir de la década de 1960, esto dio lugar a los sistemas de posicionamiento acústico subacuático , que ahora se utilizan ampliamente.

La exploración sísmica implica el uso de sonidos de baja frecuencia (< 100  Hz) para sondear las profundidades del lecho marino. A pesar de su resolución relativamente baja debido a su longitud de onda larga, se prefieren los sonidos de baja frecuencia porque las altas frecuencias se atenúan considerablemente al propagarse por el lecho marino. Las fuentes de sonido utilizadas incluyen cañones de aire comprimido , vibrosísmicos y explosivos .

Los sensores acústicos pueden utilizarse para monitorizar el sonido producido por el viento y la precipitación . Por ejemplo, Nystuen describe un pluviómetro acústico. ^{[ 55 ]} También pueden detectarse rayos. ^{[ 56 ]} La termometría acústica del clima oceánico (ATOC) utiliza sonidos de baja frecuencia para medir la temperatura global del océano.

La oceanografía acústica es el uso del sonido submarino para estudiar el mar , sus límites y su contenido.

Gracias a sus excelentes propiedades de propagación, el sonido submarino se utiliza como herramienta para el estudio de la vida marina, desde el microplancton hasta la ballena azul . Las ecosondas se emplean frecuentemente para obtener datos sobre la abundancia, distribución y comportamiento de la vida marina. Además, las ecosondas, también conocidas como hidroacústicas , se utilizan para determinar la ubicación, cantidad, tamaño y biomasa de los peces.

La telemetría acústica también se utiliza para monitorear peces y fauna marina. Se coloca un transmisor acústico en el pez (a veces internamente) mientras que una serie de receptores captan la información transmitida por la onda sonora. Esto permite a los investigadores rastrear los movimientos de los individuos a pequeña y mediana escala. ^{[ 63 ]}

Los camarones pistola crean burbujas de cavitación sonoluminiscentes que alcanzan hasta 5000 K (4700 °C) ^{[ 64 ].}  

Un neutrino es una partícula fundamental que interactúa muy débilmente con la materia. Por esta razón, requiere aparatos de detección a gran escala, y a veces se utiliza el océano para este fin. En particular, se cree que los neutrinos de ultra alta energía en el agua de mar pueden detectarse acústicamente. ^{[ 65 ]}

Otras aplicaciones incluyen:

• medición de la intensidad de la lluvia
• medición de la velocidad del viento
• termometría global
• monitoreo del intercambio de gases océano-atmósfera
• Sistema de sensores de matriz remolcada para vigilancia
• Perfilador de corriente Doppler acústico para la medición de la velocidad del agua
• Cámara acústica
• Sonido líquido
• Monitorización acústica pasiva

• Garrison, Tom S. (1 de agosto de 2012). Fundamentos de oceanografía . Cengage Learning. ISBN 978-0-8400-6155-3.
• Kunzig, Robert (17 de octubre de 2000). Mapeando las profundidades: la extraordinaria historia de las ciencias oceánicas . WW Norton & Company. ISBN 978-0-393-34535-3.
• Stewart, Robert H. (septiembre de 2009). Introducción a la oceanografía física . University Press of Florida. ISBN 978-1-61610-045-2.