La capacidad para comunicarse bajo el agua y localizar objetos sumergidos
ha resultado de vital importancia con el desarrollo de los modernos submarinos
y las minas. La radio y el radar no pueden ser usados a causa de la rápida
atenuación de la energía electromagnética en el agua. Como consecuencia, un
grupo de equipamientos para realizar estas funciones ha sido desarrollado
utilizando sonido, que se propaga bien en el agua. La palabra SONAR, derivada de la frase SOund NAvigation y Ranging, es usada
para designar a este grupo de equipamientos.
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Fig.1 – Submarino navegando en superficie.
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El
principio de funcionamiento del SONAR
Podemos definir al SONAR como
la tecnología que utiliza las ondas de sonido
para navegar, comunicarse y detectar objetos ubicados sobre o debajo de
la superficie del agua.
Hay dos tipos de sonar: el sonar
activo y el sonar pasivo.
El sonar Activo: el
transmisor envía un pulso eléctrico hacia el
transductor, que emite una señal
consistente en un pulso de sonido dentro del agua (ping) y si un objeto se
encuentra ubicado en su camino, el pulso incide en él y es reflejado,
retornando un eco al transductor que transforma el pulso de sonido del eco en
una señal eléctrica que es enviada al receptor.
El transductor a su vez mide la intensidad de la
señal recibida, determinando la direción en que se encuentra el objeto.
(Fig.2)
Toda la información transmitida y recibida es
enviada al display, que la mostrará en su pantalla.
Como la velocidad del sonido es conocida,
midiendo el tiempo entre la emisión del pulso de sonido y el retorno del eco se
determina la distancia a que se encuentra el objeto:
v = 2 d t (1)
Donde:
v = velocidad
del sonido en el agua
d = distancia
desde el transductor al objeto
t = tiempo transcurrido entre la emisión
del pulso de sonido y el retorno del eco
Despejando:
d =
v / 2 t (2)
Algunos equipos de sonar
emiten sonidos que pueden ser oídos por el oído humano. Otras señales de sonar son de frecuencias
tan altas, que el oído humano no las puede percibir. Estas señales son ondas ultrasónicas.
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Fig.2 – Diagrama en bloque de un SONAR
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El sonar pasivo: no emite
ninguna señal, solo escucha los ruidos producidos por otros buques o animales
marinos tales como ballenas. Esto les permite a naves militares, como los submarinos,
permanecer en silencio para evitar ser detectadas.
Aplicaciones del SONAR
El sonar tiene
muchos usos. Los submarinos usan
sonar para detectar y determinar la ubicación de otros barcos y estos para detectar y
determinar la ubicación de los submarinos. La
sonda también se utiliza para medir
la profundidad del agua, mediante un dispositivo llamado Fathometer. (Un
fathom equivale a 6 pies ,
o aproximadamente 1,8
metros ). El Fathometer mide el tiempo que tarda un pulso
de sonido en llegar al fondo del mar y regresar al barco. Los botes de pesca
usan Fathometers para localizar bancos de peces.
Los oceanógrafos usan el sonar para mapear los contornos del fondo del océano. Las señales de sonido también pueden enviarse al barro o la arena en el fondo del océano y reflejarse en una capa de roca por debajo. Un eco luego regresa, dando la distancia a la capa de roca.
El mismo principio se utiliza en la búsqueda de petróleo en tierra. Se envía un pulso de sonar al suelo. Los ecos regresan de las diferentes capas de suelo y roca y les dicen a los geólogos qué tipos de suelos y rocas están presentes. Esto les ayuda a identificar las áreas de perforación que tienen más probabilidades de contener petróleo o gas. Este mapeo subterráneo se llama exploración sísmica.
Un tipo especial de sonar utilizado en medicina
se llama ecógrafo y el resultado del
estudio con él realizado se llama ecografía. Las ondas sonoras de alta frecuencia
producen ecos diferentes cuando se reflejan en diferentes órganos del cuerpo. Los médicos pueden usar estos ecos
para detectar enfermedades y controlar el crecimiento de un feto. Los oceanógrafos usan el sonar para mapear los contornos del fondo del océano. Las señales de sonido también pueden enviarse al barro o la arena en el fondo del océano y reflejarse en una capa de roca por debajo. Un eco luego regresa, dando la distancia a la capa de roca.
El mismo principio se utiliza en la búsqueda de petróleo en tierra. Se envía un pulso de sonar al suelo. Los ecos regresan de las diferentes capas de suelo y roca y les dicen a los geólogos qué tipos de suelos y rocas están presentes. Esto les ayuda a identificar las áreas de perforación que tienen más probabilidades de contener petróleo o gas. Este mapeo subterráneo se llama exploración sísmica.
Las ondas sonoras de frecuencia extremadamente alta se utilizan en medicina e industria para limpiar muchos tipos de materiales al sacudir pequeñas partículas sueltas de suciedad u otra materia. Este procedimiento se suele llamar limpieza ultrasónica.
Propagación del
Sonido en el mar
Describiremos algunos de los principios de la propagación del sonido en el
mar y de los transductores, los dispositivos que transforman la energía
eléctrica en energía de sonido y viceversa.
Velocidad del
sonido en el mar
La velocidad del sonido en un líquido, está dada por la siguiente ecuación:
______
v = √ M
/ δ (3)
donde:
v = velocidad
del sonido
M = módulo de
elasticidad
δ = densidad
La temperatura, la salinidad y la presión, todas afectan las propiedades
físicas del agua de mar. El módulo de elasticidad M se incrementa con el incremento de la salinidad y con el
incremento de presión con la profundidad, mientras que la densidad δ disminuye con el aumento de la
temperatura. Los efectos de estos factores sobre la velocidad de propagación
del sonido en el mar, están dados por la siguiente ecuación empírica:
v = 4342 + 10,07
T – 0,0375 T² + 3,61 S + 0,018 d (4)
donde:
v = velocidad
del sonido en pies por segundo
T =
temperatura en ºF (grados Fahrenheit)
S = salinidad en
partes por mil
d = profundidad
en pies
A una profundidad cercana a la superficie del mar, en regiones fuera de los trópicos,
se puede estimar una temperatura promedio de 60ºF (15,55ºC ) y una salinidad
promedio de 32 partes por mil. Para
estos valores, la ecuación (4) da una velocidad de propagación de 4.930
pies/seg (1.502,66 m
/seg = 5.409,58 Km/h ).
Con
fines de comparación, la velocidad del sonido en la atmósfera
terrestre es de 343,2 m/s (1235,52 km/h a
20 °C de temperatura, con 50 % de humedad y a nivel del
mar).
La
velocidad de propagación del sonido depende de las características del medio en
el que se realiza dicha propagación y no de las características de la onda o de
la fuerza que la genera.
Magnetostricción y transductores a
cristal
La
energía de las ondas de sonido es energía mecánica. La energía de las señales
generadas o recibidad por los circuitos electrónicos de los equipos de sonar es
energía eléctrica. Es necesario transformar un tipo de energía a otro. El
transductor es el dispositivo que realiza esta transformación y actúa como
enlace de conexión entre los circuitos electrónicos de los equipos de sonar y
el agua.
Dos fenómenos son utilizados actualmente para transformar la energía
eléctrica a mecánica y la energía mecánica en eléctrica. Ellos son la magnetostricción
(el efecto magnetostrictivo) y la electrostricción (el efecto piezoeléctrico).
Transductores a magnetostricción
Cierta cantidad de materiales presentan un cambio de sus dimensiones
cuando son expuestos a un campo magnético. Este cambio de dimensiones se
produce en la dirección del campo magnético y puede tener lugar tanto un
alargamiento como un acortamiento, dependiendo del material y de la intensidad
del campo aplicado. El níquel presenta este efecto magnetostrictivo en
un alto grado y es el material más utilizado en los transductores a
magnetostricción. El níquel se contrae en un campo
magnético, siendo su cambio de longitud muy próximo a la proporcionalidad con
respecto a la intensidad del campo, dentro de un considerable rango de
intensidad magnética.
En la nota específica sobre Magnetostricción, tratamos sobre la forna de
utilización de los transductores de níquel, para aprovechar el efecto
magnetostrictivo cuando se someten a una corriente eléctrica para producir
vibraciones sonoras, así como el efecto magnetostrictivo inverso para producir una
corriente eléctrica a partir de las vibraciones. También se explicaron las
razones de la necesidad de incluir una corriente continua o un campo magnético
de polarización. |
Fig.3 – Tubo de níquel como núcleo de una bobina
alimentada con corriente altena y uma tensión contínua
de polarización.
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Supongamos
que la frecuencia de la tensión alterna aplicada a los terminales de la bobina
de la Fig.3 , en
serie con el apropiado valor de tensión de polarización, es tal que para la
velocidad del sonido en el níquel una media longitud de onda es igual a la
longitud del tubo de níquel. El tubo será ajustado dentro de la vibración
resonante y un modelo de onda estacionaria es ajustado con un nodo en el centro
y puntos de máxima amplitud de vibración en los extremos, como muestra la Fig.4 (a). Si un extremo del
tubo es cortado y reemplazado con un segmento de una placa de acero del
apropiado espesor y masa, la nueva configuración todavía será resonante y el
modelo de onda estacionaria será como se muestra en la Fig. 4 (b), con la amplitud
de vibración de la placa algo menor que aquella del extremo libre del tubo.
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Fig.4
– Tubo de níquel en resonancia mecánica con longitud de ½ onda de la vibración.
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Si los segmentos de las placas de acero sobre una determinada
cantidad de tales tubos de níquel son unidos para formar una placa única, o
diafragma, se tiene como resultado el elemento activo de un transductor
magnetostrictivo. Tal conjunto es construído soldando los tubos de níquel a una
placa de acero y devanando las bobinas de modo que encajen sobre los tubos. Las dimensiones de los tubos
y de la placa son cuidadosamente controladas para que constituyan una
estructura mecánicamente resonante a la frecuencia deseada.
Este conjunto es montado en un alojamiento a prueba de agua, como
se muestra en la Fig.5 ,
con la provisión de un cable eléctrico para hacer las conexiones eléctricas a
las bobinas y con la cara de la placa de acero en contacto con el agua cuando
es sumergido.
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Fig.5 – Corte de un transductor magnetostrictivo
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Cuando las tensiones en fase de la frecuencia resonante son
aplicadas a las bobinas, la placa vibra igual que un pistón y transmite un haz
de sonido. Si la frecuencia de las tensiones se varía desde la frecuencia de
resonancia, la amplitud de vibración del diafragma y la eficiencia del
transductor caen.
Las
ondas de sonido incidiendo sobre la cara del transductor producirán vibraciones
en los tubos de níquel y producirán una tensión eléctrica inducida en las
bobinas. El valor de la tensión inducida será mayor si la frecuencia del sonido
incidente es igual a la frecuencia de resonancia del transductor.
Transductores a cristal
Muchos
cristales tienen propiedades piezoeléctricas, o sea que cambian su dimensión
cuando están sometidos a un campo eléctrico, e inversamente exhiben una
diferencia de potencial entre dos de sus caras cuando están sujetos a una
presión mecánica. La magnitud de este efecto varía para los cristales de
diferentes materiales y para los diferentes ejes de un mismo cristal. Debido a
su fuerte efecto piezoeléctrico, los cristales de sal de Rochelle (tartrato de sodio y potasio) y ADP (dihidrogenofosfato de amonio)
fueron usados en los transductores a cristal durante la segunda guerra mundial
y hasta principios de la década de 1960. En Argentina nos tocó reparar equipos
con estos cristales hasta la década de 1980, en los buques que nuestro país
compró a EEUU, que habían participado en la segunda guerra mundial. La magnitud del efecto piezoeléctrico de la
sal de Rochelle es mucho mayor que la del ADP. La sal de Rochelle fue usada en
transductores pasivos y para
aplicaciones de baja potencia. Ella pierde su forma cristalina a una
temperatura de 125ºC
y los cristales se desintegran por el calor generado internamente si altas
potencias son transmitidas durante largos lapsos de tiempo. El ADP era usado en
transductores a cristal de mayor potencia.
Los
cristales para los transductores a cristal eran cortados con una orientación
tal que ellos vibraran longitudinalmente cuando un campo eléctrico de alterna
era aplicado.
Además
eran cortados con un largo igual a ¼ de longitud de onda para la frecuencia de
operación deseada y un extremo de cada cristal era cementado a una placa posterior
gruesa de acero de ¼ de longitud de onda
de espesor. El conjunto formado por los cristales cementados a la placa de
acero es mecánicamente resonante en la frecuencia de operación, con un nodo en
la cara de la placa a la cual los cristales son cementados y máxima amplitud de
vibración en el extremo libre de los cristales.
Como
tanto la sal de Rochelle y el ADP son solubles en agua, era necesario mantener
los cristales sin hacer contacto con el agua de mar. Esto se lograba encerrando
al conjunto de los cristales en una envoltura sellada, llenada con un líquido
orgánico cuidadosamente deshidratado. El aceite de ricino (castor oil) fue
normalmente usado a causa de que la velocidad del sonido en él es muy parecida
a la velocidad en el agua de mar.
Los
extremos de los cristales transmiten sus vibraciones directamente al aceite de
ricino y estas pasan a través de un fino diafragma que constituye la cara del
conjunto transductor hacia el mar.
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| Fig.6 – Sección transversal esquemática de un transductor a cristal |
Los
transductores a cristal se usaron tambien para escuchar. Cuando el sonido
impacta en la cara del transductor, los cristales vibran. Esta vibración
produce tensiones eléctricas que aparecen en las caras del cristal. Como en los
transductores magnetostrictivos, la señal eléctrica producida es mayor si la
frecuencia del sonido incidente es lamisma que la frecuencia de resonancia del
transductor.
Hidrófonos
Los
transductores diseñados solo para “escuchar” son llamados hidrófonos. Los
hidrófonos pueden ser magnetostrictivos o a cristal y funcionan con los mismos
principios descriptos anteriormente. Como ellos no manejan altas potencia, su
construcción puede ser más simple. Los hidrófonos programados para escuchar en
un amplio rango de frecuencias, son normalmente diseñados con una frecuencia de
resonancia bien fuera del rango de frecuencias de interés, para evitar
indeseable efectos de fuertes señales recibidas.
Mejoras de los materiales de los
transductores
Después
de la Segunda Guerra
Mundial, el desarrollo de las piezocerámicas
de titanato de bario y titanato
de circonato de plomo impulsó
importantes mejoras en el rendimiento del sonar. A diferencia de los materiales
anteriores, estas cerámicas piezoeléctricas podrían conformarse fácilmente en
una variedad de formas, ya que se procesan a partir de polvos comprimidos y
sinterizados. La disponibilidad de placas, discos y anillos permitió la
construcción de diseños mejorados de transductores. Combinado con los
materiales mejorados, esto proporcionó una gran mejora en el rendimiento.
Específicamente, la eficiencia de los transductores aumentó a casi el 50%.
Pérdidas de propagación en el agua
en función de la distancia para distintas frecuencias
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Fig.7 – Atenuación de las ondas de sonido en el agua, en función
de la distancia para diferentes frecuencias
(1 Kilo yarda =
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Muy interesante. Felicidades por la claridad. Gracias
ResponderEliminarMuy bueno.
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