Introducción. A-PDF Split DEMO : Purchase from to remove the watermark. CAPíTULO Introduccón

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1 A-PDF Split DEMO : Purchase from to remove the watermark CAPíTULO 1 Introducción 1.1. Introduccón El sonido es un fenómeno físico que se produce cuando un objeto vibra y genera una seríe de ondas de presión que de forma alternativa comprimen y descomprimen las moléculas del aire, agua o sólido por los que pasan las ondas. Acústica es la ciencia del sonido. Comenzó con Pitágoras quien estableció las matematicas en la Antigua Grecia durante el siglo VI A.C. Él estudió las vibraciones en las cuerdas y la armonia en la musica. Acústica tambien proviene de la palabra griega akouein cuyo signicado es oir. La mayor parte de las investigaciones antiguas fueron ligadas a la acústica musical. La fascinación por el sonido y el modo en que éste se desplaza por el agua surgió mas tarde. En 1490, Leonardo Da Vinci observó: Si detiene su barco y coloca la punta de un tubo de gran longitud en el agua y el otro extremo lo acerca a su oído podrá escuchar barcos que se encuentren a gran distancia. En 1687, Sir Isaac Newton publicó en su Philosophiae Naturalis Principia Matemática la primera teoría matemática de la propagación del sonido. En , Lord Rayleigh publicó su obra de gran importancia, The Theory of Sound (La Teoría del Sónido), el cual se acepta como el inicio del estudio moderno de la acústica. El uso de matemáticas en sus libros es de gran elegancia. Desde aquel entonces muchos cienticos han tomado una parte en el desarollo de la teoría del sonido en uidos y sólidos, y la teoría ha tenido muchas aplicaciones en distintas ramas. Uno de los usos más importantes del sonido son los estudios subacuáticos. 6

2 1.2. EL SONIDO EN LOS OCÉANOS El Sonido en los Océanos Los oceanos de la tierra cubren más del 70 por ciento de la super- cie del planeta. Hasta hace poco, conocíamos poco sus profundidades por la falta de métodos e instrumentación apropiados. El fenómeno adecuado para explorar el agua es el sonido, ya que el agua permite el desplazamiento del sonido 5 veces más rápido que por el aire. El agua es un medio excelente para la transmisión del sonido. Algunas de las tareas que se llevan a cabo por los investigadores actualmente son; la detección de explosiones nucleares, seismos y erupciones volcánicas submarinas, el estudio de la temperatura y estructura de los océanos de la tierra, mediciones que resultan esenciales para entender el cambio climático global, el estudio del comportamiento de los mamíferos marinos, HRI (high resolution imaging), tomograa acústica, la detección de submarinos y otros usos militares. Hasta el siglo XX la acústica subacuatica no levantaba el interes de los investigadores. La tragedia del Titanic, los dos guerras mundiales, y la guerra fría, motivaron la investigación más profunda de la acústica oceánica. Durante la primera guerra mundial los aliados buscaron una manera para poder enfrentarse con la amenaza de los barcos U alemanes. Pero el problema era que no podían determinar de forma precisa la dirección ni podían localizar un objeto en movimiento. Durante la epoca entreguerras se siguió la busqueda de una manera de localización por eco en el agua. Justo antes de la segunda guerra mundial los barcos de los EE.UU, ya tenían unos dispositivos llamados sónares, que es el acrónima de sound navigation and ranging en inglés. Sin embargo en esa epoca, estos dispositivos todavia no eran tan ables. En la epoca de la segunda guerra mundial, el batitermógrafo, un pequeño dispositivo que guarda los cambios en la presión y en la temperatura, tuvo muchas aplicaciones, ya que mejoraba la precisión del sonar. De las mediciones realizadas con el BT, resultó el descubrimiento de la zona de sombra acústica, que permite a los submarinos no ser

3 1.3. LA VELOCIDAD DEL SONIDO 8 Figura de [18]) Dos distintos tipos de sonar.(adaptado detectados por las señales sonar. Esta zona es justo por debajo de la línea que separa las capas de aguas más calientes de las capas de aguas frías La Velocidad del Sonido El océano puede considerarse dividido en capas horizontáles a efectos acústicos. La supercie del océano es agitada, y depende del tiempo, mientras que el fondo del océano es en general un medio elástico que soporta tensiones cortantes. El factor dominante que determina la velocidad del sonido en las capas superiores es la temperatura, mientras

4 1.3. LA VELOCIDAD DEL SONIDO 9 Figura El batitermógrafo es un pequeño dispositivo que guarda los cambios en la presión y en la temperatura. que la presión es la que domina en las capas inferiores. En regiones nopolares, donde se mezcla el agua cerca de la supercie debido al viento y la actividad de onda, existe una capa isótermica que se llama capa mezclada. Debajo de ésta, se encuentra la capa llamada termoclina, en la que al bajar la temperatura, la velocidad del sonido también disminuye continuamente con la profundidad. Por debajo de la termoclina, la temperatura es constante, y la velocidad del sonido aumenta debido a la presión creciente. Por lo tanto, entre la capa isotérmica profunda y la capa mezclada, existe una capa donde se encuentra la mínima velocidad del sonido, llamada canal de sonido profundo. También es conocido con el nombre SOFAR (del inglés Sound Fixing And Ranging). En esta canal el sonido puede recorrer miles de kilómetros con una pérdida mínima de la señal.[4, 18, 6] Durante la guerra fría los EE.UU., para detectar los submarinos sovieticos, puso en marcha el proyecto SOSUS (del inglés Sound Surveillance System). Tras la guerra fría, el sistema SOSUS ha sido usado para investigaciones cienticas para conocer la geología y la biología de las profundidades. La velocidad del sonido en el océano es una función de temperatura, salinidad y presión ambiental. La velocidad del sonido (c) en m/s como una función empirica de temperatura de (T ) en C, salinidad en ppm

5 1.4. LA PROPAGACIÓN DEL SONIDO EN EL OCÉANO 10 Figura Charles Sturm y Daniel Colladon fueron los primeros en conseguir medir la velocidad del sonido de forma precisa. y profundidad (z) en m viene dada por[18] c(z) = 1449,2+4,6T=0,055T 2 +0,00029T 3 +(1,34=0,01T )(S=35)+0,016z. La primera medición precisa de la velocidad del sonido se realizó en 1826, cuando Charles Sturm y Daniel Colladon lo consiguieron de forma precisa. En la investigación hicieron sonar una campana sumergida, y utilizaron un cronómetro para registrar el tiempo que el sonido tardaba en cruzar el Lago Lemán. El resultado fue 1435 m/s en agua a 1,8 C, sólo 3 m/s menos que la velocidad aceptada actualmente La Propagación del Sonido en el Océano La propagación del sonido en el océano se puede analizar en tres clases; La propagación de rango corto; La propagación de rango largo; La propagación en aguas someras y la propagación de guía de onda;

6 1.4. LA PROPAGACIÓN DEL SONIDO EN EL OCÉANO 11 Figura La gráca representa la velocidad del sonido en función de la temperatura y la profundidad del agua.(adaptado de [18]) Figura Varios tipos de la propagación del sonido en el océano.(adaptado de [18])

7 1.5. CRONOLOGÍA 12 En este trabajo vamos a hacer un modelo de la propagación en aguas someras, en el que se verá claramente la física de la guía de onda. En realidad, por la complejidad excesiva, no existe un modelo genérico para representar la propagación acústica oceanica. El trabajo no se trata de desarrollar un modelo de propagación acústica oceanica, que es un trabajo mucho más complejo, sino se intenta ver la evolución de una perturbación inicial (paquete de ondas) introducido en un canal idealizado. Los dos métodos aplicados son el método de Simpson modicado y el método de la fase estacionaria. El primero es un método númerico adaptado a la integración de funciones altamente oscilantes, que, aparentemente, no ha sido previamente considerado en la literatura, mientras que el segundo es un método asintótico. Los resultados obtenidos ponen de maniesto la dispersión que experimenta el pulso durante su propagación, lo que, evidentemente, tiene implicaciones a la hora de transmitir o recibir señales acústicas. Este resultado no puede ponerse de maniesto sin un análisis espacio temporal de la propagación del tipo del llevado aquí. En particular, el análisis usual de la propagación de ondas planas monocromáticas en guías de onda en los libros de texto resulta claramente insuciente para analizar dicha dispersión. En esta introducción sólo se ha dado un pequeñisimo paso en un asunto muy grande. Para obtener más información sobre la acústica subacuatica, se pueden ver los libros en la bibliografía. Antes de terminar este apartado vamos a ver una cronología del avance en esta rama de la ciencia. (adaptado de [16]) 1.5. Cronología Esta cronología muestra la serie de investigaciones básicas que han llevado a una mayor comprensión de los océanos de la Tierra a través de investigaciones de oceanografía acústica Leonardo da Vinci observa cómo el sonido de los barcos recorre grandes distancias por debajo del agua.

8 1.5. CRONOLOGÍA Sir Isaac Newton publica la primera teoría matemática de la propagación del sonido en Philosophiae Naturalis Principia Mathematica El físico suizo Daniel Colladon y el matemático francés Charles Sturm miden la velocidad del sonido en el Lago Lemán, obteniendo como resultado metros por segundo, casi cinco veces más rápido que la velocidad del sonido en el aire Lord Rayleigh publica "Theory of Sound", obra en la que se establecen las bases teóricas de la acústica moderna L. F. Richardson solicita una patente en Gran Bretaña para la localización por eco en el agua Reginald A. Fessenden patenta, en los Estados Unidos, un nuevo tipo de transductor para la localización por eco El cientíco alemán H. Lichte desarrolla una teoría según la cual las ondas sonoras cambian de dirección hacia arriba o hacia abajo en el agua cuando se encuentran con pequeñas diferencias de temperatura, salinidad y presión Athelstan Spilhaus construye el batitermógrafo (BT) Maurice Ewing y J. L. Worzel de la Universidad de Columbia descubren el canal de sonido profundo. El cientíco ruso Leonid Brekhovskikh, trabajando independientemente en el Mar de Japón, descubre el mismo fenómeno La marina de los EE.UU. activa los dispositivos de primera generación para realizar escuchas en el fondo del mar de una serie que nalmente se llamará Sistema de Vigilancia de Sonido (SOSUS) Walter Munk, de la Institución Oceanográca Scripps y Carl Wunsch del Instituto tecnológico de Massachusetts proponen trazar con sonidos imágenes tridimensionales de las temperaturas del océano John Spiesberger, actualmente en la Universidad Estatal de Pennsylvania, y Kurt Metzger, de la Universidad de Michigan, proporcionan pruebas experimentales de que cualquier pequeño cambio en el tiempo de recorrido acústico a través de la cuenca oceánica indican cambios en la temperatura media del agua.

9 1.5. CRONOLOGÍA En la prueba de viabilidad de la isla de Heard, cientícos de nueve países envían sonidos a kilómetros ( millas) por debajo de la supercie del mar a través de todos los océanos excepto el Ártico Los cientícos comienzan a realizar un seguimiento de las ballenas en tiempo real con el SOSUS Mediante el SOSUS, los cientícos realizan la primera detección remota de una erupción volcánica submarina El experimento de termometría acústica del clima oceánico (ATOC) comienza a transmitir sonidos en el norte del Océano Pacíco El programa de observación del clima ártico mediante sonidos submarinos (ACOUS) comienza a transmitir sonidos regularmente en el océano Ártico.