La Hidroacústica es la parte de la física que estudia el comportamiento del sonido en el agua. Es utilizada para la detección de peces u otros objetos que se encuentran en el agua y para recopilar información acerca de los mismos por medio de sonidos transmitidos y ecos recibidos, utilizando para esto un sistema SONAR (Sound Navigation and Ranging) que significa “navegación y localización por el sonido”
El sistema SONAR, utilizado en primer lugar para medir verticalmente la distancia entre el casco de un barco y el fondo, se ha extendido hacia otros dominios, particularmente los de la ayuda a la pesca y la biología pesquera llamada Acústica Pesquera. Los objetivos que busca el desarrollo de la tecnología hidroacústica, tratan de ubicar precisamente las concentraciones de peces dentro de la masa de agua y tener una idea de la importancia de estas concentraciones. Hay dos principios que permiten ubicar las concentraciones de peces en el agua:
1. El eco de un pez puede, bajo ciertas condiciones, considerarse como proporcional al volumen del pez, lo que equivale en decir proporcional a su peso, mientras más grande el pez, más fuerte su eco.
2. Siendo la velocidad del sonido constante en el agua (si no se toman en cuenta las pequeñas variaciones debidas a las diferencias de temperatura y salinidad) la distancia de un blanco (peces) al transductor es representada por la mitad del tiempo necesitado por la ida y vuelta de la impulsión sónica del transductor al blanco.
¿Que es el sonido?
El sonido en un fluido es una onda de presión que se propaga a través de un medio (onda compresional).
Donde λ=c/f y c=velocidad del sonido y f=frecuencia f tiene unidades de ciclos por segundo (Hz)
Amplitud y Longitud de onda
Longitud de onda: Distancia de pico a pico.
Amplitud: La mitad de la distancia de pico a pico
Presión
Las onda de sonido es definido por áreas de alta y baja presión
Algunas unidades
Presión es medida en micro pascales (μPa)
1 μPa = 0.000001 Newtons/m2
La presión cambia sustancialmente con el incremento de la distancia desde el transductor
Las intensidades de los ecos que regresan al transductor son muy pequeñas en relación con la energía transmitida
Por estas razones se usan cantidades logarítmicas
El decibel (dB) se usa para describir las intensidades acústicas
El decibel no es una unidad de medida cuantitativa tal como metros, kilogramos o segundos, es la décima parte del bel, que es la unidad de medida para expresar la intensidad de los sonidos.
La energía acústica se propaga a través del agua más efectivamente que cualquier otra forma de energía radiante.
Velocidad del Sonido en condiciones estándar:
Agua dulce 1,498 m/s
Agua de mar 1,531 m/s
Aire 331 m/s
Generando sonido con un transductor
• Los transductores producen sonido en una forma similar a altavoz en el aire.
• Un transductor es un aparato que se deforma cuando se le aplica un voltaje.
• Los transductores esta hechos de cerámica piezoeléctrica.
• Al aplicarle voltaje a un transductor se puede deformar y producir presión de sonido.
• Al aplicar presión de sonido al transductor puede causarle deformación y producir un voltaje.
• El transductor provee un medio de producir pulsos de sonido y detectar los ecos que regresan de los objetos en el agua.
En la operación de sistemas sonar en pesquerías se genera sonido en pulsos, luego de cada pulso el sistema espera durante un cierto periodo para recibir ecos de blancos que se encuentran en el volumen de agua cubierto. Un pulso es generado cuando un marcador de tiempo activa un transmisor eléctrico durante un período fijo. La oscilación eléctrica del transmisor es convertida mecánicamente en presión (ondas sonoras) en el agua, en la cara vibrante del transductor, que continúa generando sonido hasta que el marcador de tiempo apaga el transmisor. Cualquier blanco (por ejemplo peces) en la trayectoria de este pulso, devolverá un eco al transductor, el cual en el modo de espera, convierte las oscilaciones de presión (el eco) sobre su cara en oscilaciones eléctricas que son tomadas por el receptor, amplificadas y convertidas en algún signo visible en la registradora en papel o en la pantalla.
Una onda de sonido transmitida por un transductor y propagada a través del medio, encuentra un objeto de densidad distinta al medio mismo (por ejemplo peces en el agua), parte de la energía acústica es absorbida por el blanco y el remanente es reflejado.
La intensidad total de la onda sonora reflejada por un blanco múltiple es proporcional al número de blancos individuales
El ángulo equivalente del haz es un hipotético cono.
El patrón del haz tiene lóbulos debido a múltiples elementos en el agua e interferencia.
Propagación Acústica
Dispersión del haz
Cuando el frente de onda viaja hacia afuera desde el transductor, se dispersa en un gran área. La energía total de la transmisión es fija. Por lo tanto, la intensidad (poder transmitido por unidad de área) disminuye cuando el haz se dispersa. En rangos mayores que el tamaño del transductor, el campo lejano (far field), la intensidad disminuye con el rango.
Absorción.
Cuando un sonido se propaga a través del agua, la energía acústica se pierde por absorción, la cual es convertida en calor. Esto causa a la onda de presión disminuir exponencialmente con la distancia a lo largo del trayecto de propagación. Varios mecanismos contribuyen a la absorción.
Perdidas viscosas (friccionales) ocurren en agua dulce y salada. Esta parte del coeficiente de absorción que es proporcional al cuadrado de la frecuencia.
Altas frecuencias involucran velocidades más rápidas de las partículas y así alta perdida friccional.
La frecuencia es el principal determinante de la absorción, pero también depende de la temperatura y salinidad.
El coeficiente de absorción se expresa como la energía perdida en dB por unidad de distancia.
Dispersión acústica (Acoustic scattering)
Cuando las ondas acústicas encuentran un blanco, algo de la energía incidente es dispersada, generando una onda secundaria, la cual se propaga en todas las direcciones lejos del blanco. La energía reflejada hacia atrás a la fuente de sonido (transductor) es retrodispersada (Backscattered)
Pulsos
El sonar transmite un pulso en un corto estallido de sonido, llamado pulso o ping, consistente de varios ciclos a la frecuencia de operación. En un pulso de 19 ciclos generados por un sonar de 38 kHz, la duración del pulso (tiempo desde el inicio hasta el final) es: T = (19/38) = 0.5 ms
Los objetos deben ser como mínimo ½ longitud de pulso para que sean vistos como diferentes objetos.
La reverberación
La reverberación es un termino usado para describir los ecos de blancos no deseados. Depende del propósito de observación. Si la intención es detectar peces, los ecos del plancton son parte de la reverberación.
El ruido
El ruido viene de señales no deseadas que están presentes en el medio pero son independientes de la transmisión de la ecosonda. Es cualquier señal no deseada diferente a la reverberación. Hay varias fuentes de ruido que se pueden clasificar:
Físico: vientos, olas rompiendo, turbulencia.
Biológico: sonidos de animales.
Artificiales: maquinaria del barco, la hélice, flujo de agua alrededor del casco.
Frecuencia de operación
Depende de la aplicación. Los sonares operan a frecuencias desde 1 kHz hasta 5 MHz. Cuando la frecuencia incrementa, también incrementa la absorción, lo cual limita el máximo rango de operación. Entre más corto el pulso, mejor es la resolución
Fuerza de blanco (Target Strength)
Las ondas de sonido que se propagan a través del agua se dispersan por cualquier objeto cuya densidad es diferente al medio. Las ondas dispersadas viajan lejos del objeto en todas direcciones y su intensidad disminuye con la distancia del objeto, debido a la dispersión esférica y la absorción de la energía por el agua.
a) el transductor transmite un pulso sinusoidal que se propaga en la dirección indicada por la flecha. las curvas sólidas indican los frentes de onda.
b) a larga distancia los frentes de onda son casi planos
c) el pulso incidente interactúa con el objetivo y la dispersión genera frentes de onda esféricos (curvas discontinuas) centradas en el blanco (target).
d) una vez que ha pasado el pulso incidente, las ondas dispersas continúan propagándose en todas las direcciones
El transductor se usa para transmitir pulsos acústicos en el agua y detectar los ecos de blancos (targets) en el haz del transductor. Solo las ondas retrodispersadas (backscattered) son importantes, y son aquellas que viajan en dirección exactamente opuesta a la dirección de las ondas generadas por el transmisor.
La fuerza del blanco (Target strenght) es la capacidad del blanco para reflejar la energía acústica en la dirección de donde proviene la transmisión. La fuerza de blanco de un pez es un número que indica el tamaño del eco.
La fuerza de blanco (TS) es una medida logarítmica de la proporción de la energía incidente que es retrodispersada por el blanco.
La fuerza del blanco (TS) y la vejiga natatoria de los peces
La vejiga natatoria de los peces refleja el 90% o más de la energía retrodispersada. Especies sin vejiga natatoria reflejan menos energía acústica que aquellas con vejiga natatoria. En peces marinos el volumen de la vejiga natatoria es solo del 5% del volumen total del pez (7% en peces de agua dulce).
La vejiga natatoria es un órgano de flotación que poseen muchos peces óseos. Se trata de una bolsa de paredes flexibles llena de gas y se encuentra en el celoma, justo bajo la columna vertebral. Los peces óseos tienen un peso específico ligeramente por encima del agua. La vejiga natatoria controla la flotabilidad neutral del pez en el agua, sin la necesidad de un esfuerzo muscular.
La mayoría de los peces óseos poseen una vejiga natatoria, sin embargo existen excepciones como algunos peces bentónicos que no se beneficiaran de una flotabilidad neutral. Muchos peces predadores tampoco la tienen y les da la ventaja de poderse mover rápidamente en diferentes profundidades, mientras peces con la vejiga natatoria son limitados a cierta profundidad en el agua. Ejemplo típico de estos predadores son los elasmobranchii (tiburones y rayas), y también el verdel ( caballa o macarela).
La fuerza del eco depende de la fisiología interna, por ejemplo la forma de la vejiga natatoria, que puede ser diferente en peces con similar apariencia externa. EL TS también depende del comportamiento de los peces, especialmente la orientación del pez con respecto al haz transmitido
Según la forma de la vejiga natatoria los peces pueden ser fisoclistos o fisóstomos, por lo tanto su TS cambia.
Fisóstomos: Son los peces que el conducto de la vejiga natatoria está conectado con el intestino (vejiga con abertura).
Muchos peces que tienen su hábitat cerca de la superficie del agua solo suben a esta y tragan aire para cargar la vejiga y para descargar “eructan” el aire. Esto es posible porque tienen un conducto neumático que conecta la vejiga con el esófago. Peces que varían mucho en profundidad de su hábitat tendrían que tragar mucho aire para estar equilibrados a alta profundidad. esto les daría mucha fuerza flotante hacia arriba a baja profundidad, así requieran mucho esfuerzo para bajar. Los salmones por ejemplo sufren de este problema y estudios muestran que no tragan aire adicional antes de bajar, lo que les hace negativamente flotantes y les facilita bajar, pero requieren más esfuerzo para subir.
Fisoclistos: Peces cuya vejiga natatoria no está conectado con el intestino (vejiga cerrada).
Los peces más especializados no tienen el conducto neumático y ajustan el volumen de su vejiga por intercambio de gases de la sangre lo que les hace independientes del aire por encima de la superficie. La mayor parte de la superficie de la vejiga es impermeable al gas, así que el intercambio de este ocurre solo en dos lugares específicos. En la glándula de gas, donde se agrega gas a la vejiga y una zona de reabsorción (el oval), donde se transmite gas desde la vejiga a la sangre. La glándula de gas contiene una red de capilares sanguíneos, llamados rete mirabilis. Una rete es un conjunto de capilares que tienen un contraflujo en las venas y arterias, que previene una pérdida de oxígeno al sistema sanguíneo. Este sistema es muy eficaz y demuestra eso en condiciones extremas. Existen peces que usan este sistema en profundidades de hasta 4000 m, en donde la presión dentro de la vejiga sube a 400 atm, mientras la presión en la sangre no puede sobrepasar los 0,2 atm. Reabsorber gas de la vejiga al sistema sanguíneo es más fácil, porque el gas se difunde naturalmente por el gradiente de presión cuando el pez abre una válvula muscular.
Estudios modernos de la biología pesquera para determinar la relación TS-Talla se enfocan en el modelamiento de la forma y volumen de la vejiga para relacionarla con la talla, y de allí con la reflectividad. Para ello se recurre a resonancias magnéticas, tomografías, o a rayos X. Esta es una técnica que es llevada a cabo poniendo a los peces en encierro o cautiverio (Ex situ).
También se hacen con cruceros de exploración en ambiente libre (In situ) empleando ecosondas y sonares. Los experimentos Insitu se realizan registrando muchas mediciones de TS en un periodo de tiempo de una capa o cardumen de peces que esta bajo observación. Las mediciones usualmente cubren amplios valores de TS. La distribución de TS es bimodal y cada pico esta asociado a una especie y categoría de tamaño de peces.
Tipologías acústicas de cardúmenes de peces
Las tipologías acústicas se utilizan para describir los patrones de agregaciones de peces pelágicos y demersales y así establecer posibles variaciones en el comportamiento de los peces.
Así también estas exploraciones sirven a otros estudios como llevar registros de densidad de población, comportamiento, tipologías de cardúmenes, entre otros estudios.