Libro: Introducción a la Acústica Subacuática

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Título: Introducción a la Acústica Subacuática
Año: 2026
Autor: Ángel C. Veca ( Ex Profesor Titular, Instituto de Automática y Departamento de Electrónica y Automática, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de San Juan)
ISBN: En Tramite

Contenido:

Contenido

Prólogo del Autor

Capítulo I

Introducción 1

1.1. Introducción 2
1.2. Breve reseña Histórica 2
1.3. Referencias 9
Capítulo II

Ondas Elásticas 11

2.1. Introducción 12
2.2. Parámetros de interés en acústica 14
2.3. Atenuación de las ondas elásticas en medio subacuático 17
2.3.2. Absorción 18
Viscosidad 18
Conducción térmica 18
Relajación 19
2.4. Cambio de medio. Concepto de interfaz, reflexión, refracción 22
2.4.1. Concepto de interfaz 21
2.4.2. Coeficientes de Reflexión y Transmisión 21
2.4.2.1. Incidencia Oblicua a la Interfaz 24
2.4.2.2. Incidencia Normal a la Interfaz 25
2.4.3. Análisis de interfaces con Incidencia Oblicua 28
2.4.3.1. Incidencia Oblicua medio fluido a medio gaseoso 29
2.4.3.2. Incidencia Oblicua medio fluido a medio fluido 29
2.4.3.3. Incidencia Oblicua medio fluido a medio sólido 31
2.4.3.4. Incidencia Oblicua medio solido a medio fluido 33
2.4.3.5. Incidencia Oblicua en capas paralelas 34
2.5. Método de los Rayos 35
2.5.1. Ecuación del rayo 38
2.5.2. Variante de la ecuación del rayo 44
2.6. Resumen del capítulo 47
2.7. Problemas propuestos 48
2.8. Referencias 49
Capítulo III

El Medio y la Velocidad del Sonido 51

3.1 Introducción 52
3.2. Determinación de la velocidad del sonido 55
3.2.1. Aproximación de Lovett 55
3.2.2. Aproximación de Medwin 56
3.2.3. Aproximación de Mackenzie 56
3.2.4. Aproximaciones de Del Grosso y de Chen-Millero 57
3.2.5. Aproximación de Leory 57
3.2.6. Resumen de las aproximaciones 59
3.2.7. Perfil de Munk 61
3.2.8. Perfil de la Velocidad del sonido real: Análisis de un caso 62
3.3. Resumen del capítulo 65
3.4. Problemas propuestos 66
3.5. Referencias 66
Capítulo IV

Variantes del Perfil de la Velocidad del sonido 69

4.1. Introducción 70
4.2. Perfiles del sonido en aguas profundas 71
Canal sonoro profundo de primer tipo 72
Canal sonoro profundo de segundo tipo 72
4.3. Propagación en la capa mezclada 74
4.4. Canal sonoro profundo de dos ejes 75
4.5. Propagación del sonido en los casos de g>0, g<0 y g=0 76
Propagación anti-guía de onda 77
Canal sonoro profundo de velocidad constante 77
4.6. Resumen del capítulo 77
4.7. Problemas propuestos 78
4.8. Referencias 79
Capítulo V

Pérdidas por Transmisión I 81

5.1. Introducción 82
5.2. La ecuación de onda 83
5.2.1. Intensidad y Potencia 85
5.3. Pérdidas por Transmisión 85
5.3.1. Pérdidas por divergencia geométrica 85
5.3.1.1. Reflexión superficial. Breve reseña histórica 87
5.3.1.2. Demora del pulso reflejado 88
5.3.1.3. Modificación del efecto Imagen por Refracción 89
5.3.1.4. Teoría del efecto imagen de superficie- Anomalía por transmisión 90
5.3.1.5. Efecto de las burbujas de gas en las pérdidas por trasmisión 96
5.3.2. Pérdidas en la capa mezclada 98
5.3.3. Pérdidas en el canal acústico profundo 103
5.3.4. Generalización de TL por el método del espejo de Leory 105
5.3.5. Ambientes donde las pérdidas por trasmisión son mínimas 110
5.4. Rangos de frecuencia de los principales sistemas acústicos 110
5.5. Resumen del capítulo 111
5.6. Problemas propuestos 112
5.7. Referencias 113
Capítulo VI

Pérdidas por Transmisión II

6.1. Introducción 116
6.2. Perdidas de transmisión con modelo semi empíricos 117
6.2.1. Modelo de Marsh-Schulkin 117
6.2.2 Modelo de Roger 122
6.2.3. Extensión del Modelo de Marsh-Schulkin 127
Distancia de salto 127
Región lejana 128
6.3. Canal de aguas poco profundas de isovelocidad 129
6.3.1. Introducción 129
6.3.2. Concepto de Imagen Acústica 130
6.3.2.1. Fondo Perfectamente rígido 132
6.3.2.2. Fondo lento 133
6.3.2.3. Fondo rápido 135
6.4. Método de los Modos Normales 137
6.4.1. Introducción 137
Fondo rígido 138
Fondo lento 138
6.5. Resumen del capítulo 139
6.6. Problemas propuestos 140
6.7. Referencias 140
Capítulo VII

Efecto Doppler, Reverberación y Ruido 143

7.1. Introducción 144
7.2. Efecto Doppler, conceptos Básicos 146
7.2.1. Procesamiento de la frecuencia diferencia 149
7.3. Ruido 151
7.3.1Ruido en el medio 151
7.3.2. Detección de señales en presencia de ruido 153
7.3.3. Umbral de detección 155
Si se conoce exactamente la señal 156
Si se conocen completamente las propiedades de la señal 156
7.3.3.1. Aplicación del concepto umbral de detección a sistemas subacuáticos 157
Sistemas pasivos 158
Respecto del ancho de banda del receptor 159
7.3.2.2. Ruidos y ancho de banda que afectan a los sistemas pasivos y activos 160
Ruido ambiente 160
Ruido propio 161
Sistemas activos 161
Fuerza del blanco 161
7.4. Reverberación 163
7.4.1. Generalidades 163
7.4.2. Reverberación en ambiente subacuático 163
Reverberación superficial 165
Reverberación del fondo 166
7.5. Resumen del capítulo 169
7.6. Problemas propuestos 170
7.7. Referencias
Capítulo VIII

Fuentes Acústicas de Alta Energía 173

8.1. Introducción 174
8.2. Fuentes Impulsivas 174
8.3. Ondas de Choque 176
8.3.1. Características de las Ondas de Choque 177
8.3.1.1. Gráficos normalizados para la estimación de po y to. 178
8.3.1.2. Cargas TNT de Referencia 180
8.3.2. Pulsos de las burbujas 182
8.4. Transmisión de Señal 184
8.4.1. Intensidad Acústica 184
8.4.2. Intensidad recibida por señales impulsivas 185
8.5. Resumen del capítulo 185
8.7. Problemas propuestos 186
8.8. Referencias 187
Capítulo IX

Emisión y Recepción de Señales Acústicas en Medio Subacuático

Parte I: Transductores Acústicos 189
9.1. Introducción 190
9.2. Definición 190
9.3. Modelo y Respuesta Mecánica de un Transductor Acústico 190
9.4. Tipos de Transductores y sus Características Relevantes 193
Electrostáticos 193
Electromagnéticos 194
Piezoeléctricos 194
9.4.1. Modelo Eléctrico, Factor de Mérito y Acoplamiento de un Transductor Piezoeléctrico 195
9.4.2. Radiación de un Transductor tipo Pistón 197
9.4.3. Excitación Pulsada y Resolución Axial 200
9.4.4 Parámetros de Calidad de las Imágenes Acústicas 203
Resolución axial 203
Resolución lateral 203
Rango dinámico 204
9.4.5. Características constructivas y variantes de Transductores Piezoeléctricos 204
9.4.6. Características temporales y frecuenciales 205
9.4.7. Otros tipos de Transductores Piezoeléctricos 206
9.4.7.1. Membranas PVDF 206
Hidrófonos 206
Generadores de banda ancha 207
9.4.7.2. Transductores piezoeléctricos Langevin 207
9.4.7.3. Análisis de un transductor tipo Langevin 208
9.4.7.4. Modelos de un transductor tipo Langevin 211
Modelo Mason simplificado 211
Modelo Mason completo 214
Modelo Redwood 214
Modelo KLM 215
9.4.7.5. Detalles constructivos de transductores de alta intensidad 215
9.5. Sonar 216
9.5.1. Frecuencia de operación, ancho de banda y directividad 217
9.5.2. Transductores para sistemas de sonar 217
Acoplamiento Eléctrico 218
9.5.3. Parámetros de un transductor para sonar típico 218
9.6. Arreglos Acústicos 221
9.7. Resumen del capítulo 221
9.8. Preguntas y problemas propuestos 223
9.9. Referencias 224
Capítulo X

Emisión y Recepción de Ondas Acústicas en Medio Subacuático

Parte II: Tiempo de Transito y La Señal de Eco 227
10.1. Introducción 228
10.2. Método de Pulso-Eco 228
10.3. Medición de tiempo de tránsito 229
10.3.1. Introducción 229
10.3.2. Existencia de la Zona Ciega o Zona Muerta del Transductor Receptor 230
10.3.3. Existencia de Ruido 232
10.4. Métodos para la determinación del tiempo de tránsito 232
Métodos Analógicos 233
Métodos de Procesamiento de Señal 233
10.4.1. Detección de tt por Umbral 233
10.4.2. Inconvenientes 233
10.5. Modelos de la envolvente del eco 237
10.5.1. Envolvente Modelo Polinomio 238
10.5.1.1. Simulación de una señal de eco descripta por el modelo polinomico 241
10.6. Operadores asociados a la reducción de datos 243
10.6.1. Detector de un máximo 245
10.6.2. Detector de picos múltiples 246
10.6.3. Diezmado, interpolación y compresión 247
10.7. Resumen del capítulo 249
10.8. Preguntas y Problemas propuestos 251
10.9. Referencias 252
Capítulo XI

Emisión y Recepción de Ondas Acústicas en Medio Subacuático

Parte III: Métodos, Técnicas y Focalización Electrónica 255
11.1. Introducción 256
11.2. Génesis de la señal acustica con la técnica de emisión pulsada 256
Señal recibida del medio con obstáculos 256
Señal recibida de un conjunto de medios 256
11.3. Sistemas de Representación 257
11.3.1. Representación tipo A-Scan 257
11.3.1. Base de Tiempo y Sincronismo 258
11.3.2. Interpretación de Registros Típicos A-Scan 259
Caso I: Medio sin obstáculos 259
Caso II: Medio conteniendo un obstáculo 259
Caso III: Medio conteniendo un objeto reflector inclinado respecto al haz 260
Caso IV: Medio con falta de paralelismo de las caras 260
Caso VI: Medio que contiene elementos dispersores 260
11.4. Diferencias entre Modos, Pantallas o Scan 261
11.4.1. Esquema en bloques de un Sistema de Emisión y Recepción Básico 262
11.5. Métodos de Exploración Electrónica 263
11.5.1. Sistemas Lineales 263
11.5.2. Sistemas Sectoriales 264
11.6. Arrays 265
11.6.1. Concepto de Array 267
11.6.2. Interferencia de ondas 263
11.6.3. Arrays lineales de N fuentes equi-espaciadas 269
11.6.4. Lóbulos de rejilla 271
11.7. Sistemas de imagen acústica 272
11.7.1 Sistemas de barrido lineal 273
11.7.2. Sistemas de barrido sectorial (Phased Arrays) 274
11.7.3. Focalización en recepción 276
11.7.4. Técnicas Confocales 278
11.8. Elementos de Simulación 279
11.8.1. Monopolo 279
11.8.2. Dos fuentes monopolares 281
11.8.3. Array 282
11.9. Resumen del capítulo 288
11.10. Preguntas y problemas propuestos 285
11.11. Referencias 286
Capítulo XII

Sonar, Sonoboyas y Balizas 289

12.1. Introducción 290
12.2. Sonar 290
12.2.1. Clasificación básica de sonares, según el principio de funcionamiento 291
Eco Sonda (Echo Sounder) 291
Barrido lateral (Side-Scanning) 292
Doble Haz (Dual Bean) 292
Multiaz (Multibeam) 292
Doppler 293
Doppler Pulsado direccional 295
De haz dividido (Split-Beam) 295
12.2.2. Sonar Genérico 296
Respecto a las reglas de identificación 296
12.2.3. Relación entre el índice de directividad de transmisión y el nivel de fuente 297
Índice de directividad de transmisión 297
Nivel de fuente 297
12.3. Sonoboyas 300
12.3.1. Sonoboyas militares 300
Sonoboyas activas 300
Sonoboyas pasivas 301
Sonoboyas no desechables 301
Sonoboyas de comunicaciones 301
Utilización de las Sonoboyas 301
Operación de las Sonoboyas 301
Sistema de recepción y procesamiento 302
12.3.2. Sonoboyas para aplicaciones no militares 303
Alerta temprana de Tsunamis 303
Detección de Cetáceos 304
12.4. Ruido Propio Generado 306
Ruido hidrodinámico 307
Ruido de maquinaria 307
12.4.1. Nivel de ruido radiado 309
Embarcaciones de superficie 310
Submarinos 312
12.5. Resumen del capítulo 312
12.6. Problemas propuestos 313
12.7. Referencias 314
Capítulo XIII

Estaciones Hidroacusticas 317

13.1. Introducción 318
13.2. Red de Estaciones Hidroacusticas 318
13.2.1. Estación Hidroacústica HA10 315
13.4. Anomalías Hidroacusticas 319
13.4.1. Análisis de una Anomalía Hidroacústica 323
Parte I: El Evento 323
Parte II: Calibración 326
Parte III: Estimación de las trayectorias 328
a- Trayectorias recibidas por la estación HA10N 328
b- Trayectorias recibidas por la estación HA4S 331
13.4. Resumen del capítulo 333
13.5. Referencias 333
Anexo A 3

Propiedades Acústicas en Medios Materiales Metálicos, no Metálicos y Líquidos 335

Tabla A1
Densidades, velocidades e impedancias acústicas en materiales Metálicos 335
Tabla A2
Densidades, velocidades e impedancias acústicas en materiales No Metálicos 336
Tabla A3
Densidades, velocidades e impedancias acústicas en líquidos 337
Anexo B

Calculo de la velocidad del sonido de acuerdo a las aproximaciones de Del Grosso y ChenMillero 339

B.1. Calculo de la Presión necesaria para las aproximaciones de Del Grosso y Chen-Millero
B.2. Aproximaciones de Del Grosso 339
B.3. Cómputo aproximación Chen Millero 340
Apéndice A

Ondas Longitudinales y Transversales 343

A.1. Coeficientes de Young, Poisson y de compresibilidad 343
A.2. Velocidad de propagación 343
A.2.1. Ondas Longitudinales en medios materiales 343
A.2.1.1. Ondas Longitudinales en medios gaseosos 345
A.2.2. Ondas transversales 346
A.3. Ecuaciones finales y relación entre los diferentes medios 347