Sonar

Las fragatas francesa de tipo F70 (en la imagen, La Motte-Picquet) incorporan un sonar de profundidad variable (VDS) de tipo DUBV43 o DUBV43C.

El sonar[1] (del inglés SONAR, acrónimo de Sound Navigation And Ranging, ‘navegación por sonido’) es una técnica que usa la propagación del sonido bajo el agua (principalmente) para navegar, comunicarse o detectar objetos sumergidos.

El sonar puede usarse como medio de localización acústica, funcionando de forma similar al radar, con la diferencia de que en lugar de emitir ondas electromagnéticas emplea impulsos sonoros. De hecho, la localización acústica se usó en aire antes que el GPS, siendo aún de aplicación el SODAR (la exploración vertical aérea con sonar) para la investigación atmosférica. La señal acústica puede ser generada por piezoelectricidad o por magnetostricción.

El término «sonar» se usa también para aludir al equipo empleado para generar y recibir el sonido de carácter infrasonoro. Las frecuencias usadas en los sistemas de sonar van desde las intrasonicas a las extrasonicas (entre 20 Hz y 20 000 Hz), la capacidad del oído humano. Sin embargo, en este caso habría que referirse a un hidrófono y no a un sonar. El sonar tiene ambas capacidades: puede ser utilizado como hidrófono o como sonar.

Existen otros sonares que no abarcan el espectro del oído humano, (cazaminas); pueden comprender varias gamas de alta frecuencia, (80 kHz ó 350 kHz), por ejemplo. Ganan en precisión a la hora de determinar el objeto, pero pierden en alcance.

Aunque algunos animales (como delfines y murciélagos) han usado probablemente el sonido para la detección de objetos durante millones de años, el uso por parte de humanos fue registrado por vez primera por Leonardo Da Vinci en 1490. Se decía que se usaba un tubo metido en el agua para detectar barcos, poniendo un oído en su extremo. En el siglo XIX se usaron campanas subacuáticas como complemento a los faros para avisar del peligro a los marineros.

El uso de sonido para la «ecolocalización» submarina parece haber sido impulsado por el desastre del Titanic en 1912. La primera patente del mundo sobre un dispositivo de este tipo fue concedida por la Oficina Británica de Patentes al meteorólogo inglés Lewis Richardson un mes después del hundimiento del Titanic , y el físico alemán Alexander Behm obtuvo otra por un resonador en 1913. El ingeniero canadiense Reginald Fessenden construyó un sistema experimental en 1914 que podía detectar un iceberg a dos millas de distancia, si bien era incapaz de determinar en qué dirección se hallaba.

Durante la Primera Guerra Mundial, y debido a la necesidad de detectar submarinos, se realizaron más investigaciones sobre el uso del sonido. Los británicos emplearon pronto micrófonos subacuáticos, mientras el físico francés Paul Langevin, junto con el ingeniero eléctrico ruso emigrado Constantin Chilowski, trabajó en el desarrollo de dispositivos activos de sonido para detectar submarinos en 1915. Aunque los transductores piezoeléctricos y magnetostrictivos superaron más tarde a los electrostáticos que usaron, este trabajo influyó sobre el futuro de los diseños detectores. Si bien los transductores modernos suelen usar un material compuesto como parte activa entre la cabeza ligera y la cola pesada, se han desarrollado muchos otros diseños. Por ejemplo, se han usado películas plásticas ligeras sensibles al sonido y fibra óptica en hidrófonos (transductores acústico-eléctricos para uso acuático), mientras se han desarrollado el Terfenol-D y el PMN para los proyectores. Los materiales compuestos piezoeléctricos son fabricados por varias empresas, incluyendo Morgan Electro Ceramics.

En 1916, bajo el patrocinio del Consejo Británico de Invenciones e Investigaciones, el físico canadiense Robert Boyle se encargó del proyecto del sonar activo, construyendo un prototipo para pruebas a mediados de 1917. Este trabajo, para la División Antisubmarina, fue realizado en el más absoluto secreto, y usaba cristales de cuarzo piezoeléctricos para producir el primer aparato de detección subacuática de sonido activo factible del mundo. Mientras tanto, en el mismo laboratorio se encargaba Albert Beaumont Wood del desarrollo de sistemas de escucha pasiva.[2]

Para 1918 tanto Francia como Gran Bretaña habían construido sistemas activos.[2] Los británicos probaron su ASDIC (así eran conocidos los equipos de detección activa) en el HMS Antrim en 1920 y empezaron la producción de unidades en 1922. La 6ª Flotilla Destructora tuvo buques equipados con ASDIC en 1923. Un buque-escuela antisubmarino, el HMS Osprey, y una flotilla de entrenamiento compuesta por cuatro buques se estableció en Isla de Portland en 1924. El Sonar QB estadounidense no llegó hasta 1931.

Con el inicio de la Segunda Guerra Mundial, la Marina Real Británica tenía cinco equipos para diferentes clases de buques de superficie y otros para submarinos, incorporados en un sistema de ataque antisubmarino completo. La efectividad de los primeros ASDIC estaba limitada por el uso de las cargas de profundidad como arma antisubmarina. Esto exigía que el buque atacante pasase sobre el contacto sumergido antes de lanzar las cargas, lo que hacía perder el contacto sonar en los momentos previos al ataque. El ataque exigía, pues, disparar a ciegas, periodo en el que el comandante del submarino podía adoptar con éxito medidas evasivas. Esta situación se remediaba usando varios buques cooperando juntos y con la adopción de «armas de lanzamiento delantero», como el Hedgehog y más tarde el Squid, que lanzaban las cargas a un blanco situado delante del atacante y por tanto aún en contacto ASDIC. Los desarrollos durante la guerra desembocaron en unos equipos ASDIC que usaban diferentes formas de onda, lo que permitía que los puntos ciegos fueran cubiertos continuamente. Más tarde se emplearon torpedos acústicos.

Al inicio de la Segunda Guerra Mundial la tecnología británica de sonar fue transferida a los Estados Unidos. La investigación sobre el sonar y el sonido submarino se amplió enormemente, particularmente en este país. Se desarrollaron muchos nuevos tipos de sonar militar, entre ellos las sonoboyas, el sonar sumergible y el de detección de minas. Este trabajo formó la base de los desarrollos de posguerra destinados a contrarrestar los submarinos nucleares. El sonar siguió desarrollándose en muchos países para usos tanto militares como civiles. En los últimos años la mayoría de los desarrollos militares han estado centrados en los sistemas activos de baja frecuencia.

En la Segunda Guerra Mundial Estados Unidos usó el término SONAR para sus sistemas, acrónimo acuñado como equivalente de RADAR. En 1948, con la formación de la OTAN, la estandarización de señales llevó al abandono del término ASDIC en favor de SONAR.


Factores de rendimiento del sonar

El rendimiento de la detección, clasificación y localización de un sonar depende del entorno y del equipo receptor, además del equipo emisor en un sonar activo o del ruido radiado por el blanco en un sonar pasivo.

Propagación del sonido

Eco de sonar

El funcionamiento del sonar se ve afectado por las variaciones en la velocidad del sonido, especialmente en el plano vertical. El sonido viaja más lentamente en el agua dulce que en el agua salada, variando en función del módulo de elasticidad y la densidad de masa. El módulo de elasticidad es sensible a la temperatura, a la concentración de impurezas disuelta (normalmente la salinidad) y a la presión, siendo menor el efecto de la densidad. Según Mackenzie,[3] la velocidad del sonido c (en m/s) en el agua del mar es aproximadamente igual a:

Donde T es la temperatura (en grados Celsius , para valores entre 2 y 30 °C), S la salinidad (en partes por mil, para valores de 25 a 40) y D la profundidad en m (para valores entre 0 y 8000 m). Esta ecuación empírica es razonablemente precisa para los rangos indicados. La temperatura del océano cambia con la profundidad, pero entre 30 y 100 m hay un cambio a menudo notable, llamado termoclina, que divide el agua superficial más cálida de las profundas más frías que constituyen el grueso del océano. Esto puede dificultar la acción del sonar, pues un sonido que se origine en un lado del termoclino tiende a curvarse o refractarse al cruzarlo. La termoclina puede estar presente en aguas costeras menos profundas, donde sin embargo la acción de las olas mezcla a menudo la columna de agua, eliminándolo. La presión del agua también afecta la propagación del sonido en el vacío, aumentando su viscosidad a presiones mayores, lo que hacen que las ondas sonoras se retracten alejándose desde la zona de mayor viscosidad. El modelo matemático de refracción se denomina Ley de Snell.

Las ondas sonoras que se radian hacia el fondo del océano se curvan de vuelta a la superficie en grandes arcos senoidales debido a la presión creciente (y por tanto mayor velocidad del sonido) con la profundidad. El océano debe tener al menos 1850 m de profundidad para que las ondas sonoras devuelvan el eco del fondo en lugar de refractarse de vuelta a la superficie, reduciendo la pérdida del fondo el rendimiento. En las condiciones adecuadas estas ondas sonoras se concentrarán cerca de la superficie y serán reflejadas de vuelta al fondo repitiendo otro arco atx. Cada foco en la superficie se denomina zona de convergencia, formando un anillo en el sonar. La distancia y anchura de la zona de convergencia depende de la temperatura y salinidad del agua. Por ejemplo, en el Atlántico Norte las zonas de convergencia se encuentran aproximadamente cada 33 millas náuticas (61 km), dependiendo de la época del año. Los sonidos que pueden oírse desde sólo unas pocas millas en línea directa pueden ser también detectados cientos de millas más lejos. Con sonares potentes la primera, segunda y tercera zonas de convergencia son bastante útiles; más allá de ellas la señal es demasiado débil y las condiciones térmicas demasiado inestables, reduciendo la fiabilidad de las señales. La señal se atenúa naturalmente con la distancia, pero los sistemas de sonar modernos son muy sensibles, pudiendo detectar blancos a pesar de las bajas relaciones señal-ruido.

Si la fuente de sonido es profunda y las condiciones adecuadas, la propagación puede ocurrir en el «canal de sonido profundo». Este proporciona una pérdida de propagación extremadamente baja para un receptor en el canal, lo que se debe a que el sonido atrapado en el canal no tiene pérdidas en los límites. Propagaciones parecidas pueden ocurrir en la «cinta de superficie» en condiciones buenas. Sin embargo en este caso hay pérdidas por reflejo en la superficie.

En aguas poco profundas la propagación es generalmente por repetidos sonidos en la superficie y el fondo, pudiéndose producir pérdidas considerables.

La propagación del sonido también se ve afectada por la absorción del agua así como de la superficie y el fondo. Esta absorción cambia con la frecuencia, debiéndose a diferentes mecanismos en el agua marina. Por esto el sonar que necesita funcionar en distancias largas tiende a usar frecuencias bajas, de forma que se minimicen los efectos de la absorción.

El mar contiene muchas fuentes de ruido que interfieren con la señal deseada. Las principales fuentes de ruido se deben a las olas y la navegación. El movimiento del receptor por el agua también puede producir ruido de baja propagación, en función de sus decibelios.

Reverberación

Cuando se usa un sonar activo, se produce dispersión por los pequeños objetos del mar así como por el fondo y la superficie. Esto puede ser una fuente importante de interferencia activa que no ocurre en el sonar pasivo. Este efecto de dispersión es diferente del que sucede en la reverberación de una habitación, que es un fenómeno reflexivo. Una analogía es la dispersión de las luces de un coche en la niebla: un rayo de luz de una linterna potente puede penetrar la niebla, pero los faros son menos direccionales y producen un «borrón» en el que la reverberación devuelta domina. De forma similar, para superar la reverberación en el agua, un sonar activo necesita emitir una onda estrecha.

Características del blanco

El blanco de un sonar, como un submarino, tiene dos características principales que influyen sobre el rendimiento del equipo. Para el sonar activo son sus características reflectoras, conocidas como «fuerza» del blanco. Para el sonar pasivo, la naturaleza del ruido radiado por el blanco. En general el espectro radiado consistirá en un ruido continuo con líneas espectrales, usadas para clasificarlo.

También se obtienen ecos de otros objetos marinos tales como ballenas, estelas, bancos de peces y rocas.

Contramedidas

Los submarinos atacados pueden lanzar contramedidas activas para aumentar el nivel de ruido y crear un gran blanco falso. Las contramedidas pasivas incluyen el aislamiento de los dispositivos ruidosos y el recubrimiento del casco de los submarinos.

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