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Universidade de BrasíliaUniversidade de Brasília Instituto de Geociências Laboratório de Geofísica Aplicada Cursos de Graduação em Geofísica Disciplina: 205214 – Princípios de Geofísica 1 Módulo: Geofísica Aquática Professor: Marco Ianniruberto Princípios de acústica submarinha Instrumentação para levantamentos marinhos Estrutura de um sistema de levantamento marinho Planejamento de uma campanha de levantamentos Gestão de uma campanha de levantamento Pós-processamento e cartografia Campos de aplicação TEMAS Princípios de acústica submarinha Entre todas as formas de radiação, o som é a que se transmite melhor no mar. As ondas eletromagnéticas são fortemente atenuadas nas águas salinas e túrbidas do mar, de forma muito maior que as ondas mecânicas. Graças a esta característica, o som vem sendo utilizado por muitas aplicações na exploração do mar e estas aplicações estão fundadas na engenharia do sonar, definido como o sistema que usa energia acústica para efetuar medições em ambiente aquático. A palavra “sonar” é o acrônimo do termo “SOund Navigation And Ranging”, que foi assim chamado em analogia com o sistema terrestre “radar”, “RAdio Detection And Ranging”. Algumas aplicações típicas dos sonar incluem: detecção de cardumes, medição batimétrica, estratigrafia e sonar de varredura lateral. Os sonar podem ser ativos ou passivos. Os ativos utilizam uma fonte acústica própria e os passivos escutam o sinal gerado pelo alvo/objeto de interesse. A equação do sonar foi desenvolvida durante a Segunda Guerra Mundial para ajudar no calculo da máxima distancias de operação de um sonar. Desde então, a equação do sonar vem sendo utilizada por uma ampla gama de equipamentos subaquáticos. A equação do sonar trata todos os aspectos envolvidos com a geração, a propagação e a atenuação do som no meio aquático; por este motivo constitui um ótimo objeto de estudo no campo da acústica submarinha e a base de desenho de equipamentos para aplicações geofísicas e oceanográficas. Breve historia do sonar A historia conta que foi o cientista e artista italiano Leonardo Da Vinci que em 1490 declarou a possibilidade de ouvir navios se aproximando usando um simples tubo colocado na água. Depois de quase três séculos, em 1826 Daniel Colladon, um físico suíço, e Charles Sturm, um matemático francês, mediram de forma precisa a velocidade do som na água. Com a ajuda de um tubo cumprido para escutar abaixo da água (como tinha sugerido Da Vinci), conseguiram registrar a velocidade do som de um sino submergido ao longo do Lago Lemán. O resultado foi 1.435 metros por segundo em água a 8 graus centígrados, só 3 metros por segundo menos da velocidade aceita hoje em dia. Esta medição demonstra que a água, doce o salgada, é um meio excelente para a propagação do som, que se transmite quase cinco vezes mais rápido que no ar. No século XIX, outros cientistas descobriram e estudaram os fenômenos da transdução piezelétrica (Jacques e Pierre Curie, 1880) e magnetostrição (James Joule, 1840). Uso do sonar Medições batimétricas: Batimetria convencional Batimetria multifeixe Estratigrafia: Perfilador de sub-fundo Sparker Air-gun / Water-gun Geomorfologia: Sonar de varredura lateral Recursos pelágicos e demersos: Fish finder Avaliação de biomassa Ecobatímetros medem o tempo de viagem de pulsos acústicos e seus ecos para detectar o fundo do mar. O ecobatímetro simples usa um feixe único e fornece uma profundidade por cada pulso, enquanto o ecobatímetro multifeixe fornece varias medições em uma seção transversal do fundo. A intensidade do eco pode ser utilizada para estimar a natureza do fundo. Sistemas de prospecção sísmica usam pulsos acústicos de freqüência menor, em relação aos ecobatímetros, para aproveitar as características de penetração no fundo e medir a estratigrafia. Dentro desta categoria se encontram sistemas de sísmica rasa (perfilador de subfundo e sparker) e profunda (Air-gun). Sistemas de medição da litologia superficial do fundo usam o principio interferométrico para varrer seções do fundo e registrar a intensidade do eco. São usado também para detectar objetos no fundo (naufrágios, estruturas, etc...). Ecobatímetros de alta freqüência com função de detectar cardumes, acompanhados por software de calculo para estimar a biomassa. Uso do sonar Sonar ativos usam o efeito Doppler para medir correnteza. Sistemas de transmissão e recepção de pulsos acústicos à longa distancia para estimar a estrutura termo-salina interna dos oceanos e monitoramento do aquecimento global. Oceanografia: Medição de correnteza (Doppler) Tomografia acústica Posicionamento subaquático: Long Base Line (LBL) Short Base Line (SBL) Ultra Short Base Line ( USBL) Comunicação e telemetria: Modem acústico Outros: Monitoramento dos cetáceos Navegação subaquática Sistemas de localização de sinal enviado por beacon ou transponder, amplamente utilizados nas construções subaquáticas (instalação de plataformas, cabos e dutos submarinhos) e no posicionamento de veículos ROV. Sistemas de comunicação para transmissão de dados e informações entre estações submarinhas. O meio aquático funciona como o fio condutor nas comunicações tradicionais. Sonar passivos para traçar rotas migratórias dos grandes cetáceos e estudos de bioacústica. Uso do sonar Navegação subaquática: Posicionamento acústico LBL – 9 kHz to 15 kHz Posicionamento acústico SBL – 15 kHz to 20 kHz Posicionamento acústico USBL – 17 kHz – 30 kHz Mapeamento: Perfilador de sub-fundo – 2 kHz a 16 kHz Sonar de varredura lateral – 50 kHz a 800 kHz Sonar Multifeixe – 30 kHz a 450 kHz Oceanografia: Perfilador Acústico Doppler – 100 kHz a 1 MHz Velocímetro Doppler - 100 kHz a 1 MHz Comunicação acústica: Modem Acústico - 9 kHz a 17 kHz Tomografia, Traçamento de peixes e mamíferos, etc. etc. Física do som na Água O som é um movimento regular de moléculas de uma substancia elástica. O som é gerado por um projetor que transfere o movimento para as moléculas em contato com a própria superfície, e de aí para as moléculas adjacentes. Em um fluido, o movimento das moléculas é paralelo à direção de propagação e gera modificações na pressão ambiente que podem ser detectadas por um hidrofone. Para uma onda plana, a pressão p (N/m2 o Pa) está relacionada a velocidade das moléculas v através da fórmula: onde ρ (kg/m3) é a densidade do fluido e c (m/s) é a velocidade de propagação da onda acústica. Por analogia a notação em uso no eletromagnetismo (lei de Ohm), o fator de proporcionalidade ρc é definido como resistência acústica especifica ou impedância acústica específica do fluido. A propagação da onda acústica consiste na transferência da energia mecânica, que é a soma da energia cinética das moléculas com a energia potencial acumulada no meio elástico. A quantidade de energia por segundo (potência) que atravessa uma unidade de superfície é chamada de intensidade. A intensidade instantânea (W/m2) está relacionada à pressão acústica instantânea pela formula: Para sinais transitórios, ou seja, aqueles que têm curta duração, é mais significativo utilizar a densidade do fluxo de energia definida como: (Pa)ou )(N/m p 2cvρ= )(W/m /p I 22 cρ= == ∫∫ 2 dtpcρ1 dt I E Física do som na Água ... que acontece com as moléculas do fluido? Física do som na Água Calculo da impedância acústica para a água salgada e o ar TABELA I Temperatura (°C) Densidade ρ (kg/m3) Velocidade c (m/sec.) Impedância Acústica ρc (MKS Rayls) Água doce 20 1000 1480 1.48 x 106 Água do mar (35 ppm salinidade) 13 1026 1500 1.54 x 10 6 Ar 0 1.29 332 428 Ar20 1.21 343 415 Unidades de medida: Micropascal e Decibel Em acústica subaquática se tornou usual comparar as intensidades acústicas a uma intensidade padrão (standard), I0. Na água, esta intensidade padrão é igual a intensidade resultante da passagem de uma onda plana com uma pressão quadrática media (p) de 1 µPa. De acordo com a equação I = p2/ρc, uma pressão de 1 µPa na água é equivalente a intensidade padrão I0 (W/m2) é importante notar que a intensidade acústica padrão no ar é muito mais alta, I0 = 1.0 x 10-16 W/m2, e corresponde ao limite mínimo de detecção para o ouvido humano. Analogamente, a unidade de referencia para a densidade do fluxo de energia é a densidade de energia de uma onda plana com pressão quadrática media de 1 µPa integrada por um período de 1 segundo. Para representar a razão entre a intensidade e a intensidade padrão I/ I0, foi utilizada a unidade logarítmica decibel (dB), que é muito útil para representar variáveis que abrangem várias ordens de transforma multiplicação ou divisão em soma ou subtração de valores equivalentes em dB. No caso das intensidades acústicas, a intensidade I de um pulso representado em dB referente a intensidade padrão I0 é: onde N é o equivalente em decibéis da intensidade I referida a I0 (I0 = 6.5x10-19 W/m2), e se representa como dB re 1µPa para manter sempre claro qual é a intensidade de referencia. Isso implica que a intensidade é medida relativamente à intensidade de uma onda plana com pressão quadrática media de 1µPa. 10 x 6.504 1500) x (1025 / )(1x10c/p I -192-620 === ρ Pa ) I I ( 1 re dB log10 N 0 µ= magnitude. Alem disso, o uso de unidade logarítmica Exemplos Se a intensidade da onda é o dobro ou a metade da intensidade padrão, ou seja: (I/I0) = 2 N = 10 log (2) = 3.013dB re 1µPa (I/I0) = 1/2 N = 10 log (0.5) = -3.013dB re 1µPa Analogamente, se as intensidades medidas forem 10, 100 ou 1000000 vezes a intensidade padrão, os equivalentes em dB seriam 10dB re 1µPa, 20dB re 1µPa e 60dB re 1µPa respectivamente: 10 log 1 = 0 dB re 1µPa 10 log 10 = 10 dB re 1µPa 10 log 100 = 20 dB re 1µPa 10 log 1000000 = 60 dB re 1µPa Conversão de decibel para unidade linear Considerando a equação que expressa a intensidade em dB: N = 10 log(I / I0) N/10 = log(I / I0) e tomando o inverso do logaritmo (elevando ambos o termos a potencia 10): 10N/10 = (I / I0) e reorganizando para determinar I: I = I0 10N/10 Regras de aritmética logarítmica Produto e divisão de duas intensidades I1 e I2: log(I1xI2) = log(I1) + log(I2) log(I1/I2) = log(I1) - log(I2) Então: N = 10 log(I / I0) = 10 log(I) - 10 log(I0) Potencia log(In) = n log(I) Então: N=10 log(I) = log(I10) Calculo de intensidades acústicas usando a pressão Considerando novamente a expressão da intensidade em dB: N = 10 log(I / I0) sabendo que: I = p2/ρc Então: N = 10 log {(p2 / ρc) / (p02 / ρc)} N = 10 log (p2 / p02) se obtém: N = 20 log (p / p0) Diagrama do sonar ativo Equação do sonar ativo: SL + DIT + TS - 2TL - (NL-DIR) > DT (ambiente dominado por ruído) SL + DIT + TS - 2TL - RL > DT (ambiente dominado por reverberação) Equação do sonar A equação do sonar é uma forma compacta de descrever quantitativamente todos os fenômenos que afetam a propagação do som gerado no meio aquático e, portanto, o funcionamento de um equipamento sonar. A equação relaciona os efeitos do equipamento acústico, do meio de propagação, das fontes de ruído e do alvo a ser detectado. A equação é normalmente formulada de acordo com a função a ser desenvolvida pelo sonar, onde a parte que interessa do campo acústico medido pelo hidrofone é chamada de sinal e aquela que não interessa é chamada de ruído ou “background”. Um mesmo sonar pode ter funções diferentes, por exemplo, um ecobatímetro de alta resolução pode ser utilizado para detectar um cardume, enquanto o eco produzido pelo fundo oceânico, que neste caso não interessa, é considerado ruído. O desenho de um sistema sonar tem como objetivo melhorar a relação entre sinal e o ruído de fundo (background), ou seja, aumentar a razão sinal/ruído (SNR = “signal-to-noise ratio”). A equação do sonar indica, portanto, quando é atingido o nível mínimo para que o sinal seja detectado. Em geral, existem dois tipos de sonar: ativo e passivo. O sonar é ativo quando o som utilizado pelas medições é gerado pelo próprio sistema, em particular por um dispositivo chamado projetor. O pulso acústico gerado viaja no meio aquático e é refletido pelo alvo gerando um eco que é detectado por um hidrofone, o qual converte o sinal de acústico para elétrico. Esse ultimo sinal é processado pela unidade de controle e detecção para determinar a distancia do refletor. O sonar passivo, ou sonar de escuta, é mais simples pois simplesmente recebe o som radiado pelo alvo. Neste caso a energia acústica cumpre a viagem em um único sentido, ou seja, da fonte (alvo) até o hidrofone. Vale lembrar que, sendo todos os parâmetros em dB, somas e diferenças representam respectivamente produtos e divisões em termos reais. Equação do sonar ativo Dentro das aplicações dos sonar que interessam especificamente a este curso, vale mencionar como exemplo o ecobatímetro, o sonar de varredura lateral e o perfilador acústico de subfundo. A equação básica para um sonar ativo inclui os parâmetros relativos ao equipamento, ao meio de propagação e ao alvo. Os parâmetros são níveis de intensidade acústica, expressa em unidades de decibéis relativas a intensidade padrão de referencia de uma onda plana de 1 µPa. 1) O equipamento Source Level (SL), Directivity Index (DI) e Detection Threshold (DT) 2) O meio Transmission Loss (TL), Reverberation Level (RL) e Noise Level (NL) 3) O alvo Target Strength (TS) Para entender o sentido destes parâmetros podemos utilizar um simples modelo de sonar ativo, mostrado na figura precedente. Uma fonte acústica, que também funciona como transdutor em recepção (configuração monoestática), gera um sinal de intensidade SL a uma distancia de 1m ao longo do eixo. Quando o sinal atinge o alvo, a sua intensidade será reduzida por causa das perdas de transmissão (TL) e se torna igual a (SL - TL). A capacidade do alvo refletir ou espalhar o sinal é definida pelo parâmetro TS, desta forma a uma distancia de 1m do centro acústico do alvo, o sinal que retorna no sentido da fonte é (SL – TL + TS). Na viagem de retorno para a fonte (ou seja, para o hidrofone), o sinal é novamente atenuado por perdas de transmissão e o eco que atinge o hidrofone é (SL – 2TL + TS). Equação do sonar ativo Consideramos agora o meio onde acontece a propagação: supondo que o mesmo seja caracterizado por ruído onidirecional (em todas as direções), o nível de ruído de fundo é simplesmente NL. Este ruído de fundo é reduzido se o hidrofone for direcional (ou seja, apresentar uma direção preferencial) com índice DIR, de forma que o hidrofone capte um ruído total igual a (NL – DIR). A intensidade acústica total, ou seja SNR, captada pelo hidrofone será: SL + DIT – 2TL + TS – (NL – DIR) Se a função do sonar é detectar um objeto, a detecção é possível somente quando a intensidade acústica total captada (sinal - ruído, SNR) for igual ou maior que o patamar/ limite de detecção especifico do sistema. Se o SNR for menor, considera-se que o alvo é ausente; se o SNR for igual ou maior, considera-se o alvo esta presente. Esta afirmação é resumida pela equação do sonar ativo em termos de patamar/limite de detecção (DT): SL + DIT – 2TL + TS – (NL – DIR) = DT ou SL + DIT – 2TL + TS = NL – DIR + DT Como mencionado, esta equação se refere ao caso monoestático, no qual a fonte acústica e o hidrofone são coincidentes implicando que o caminho deida e volta do sinal seja o mesmo. Alguns sonares têm fonte e hidrofone separados e esta configuração é chamada de biestática; neste caso as perdas de transmissão nos caminhos de ida e volta do sinal não são iguais. Equação do sonar ativo Em alguns sonares DIR e DT se apresentam como um parâmetro único e se torna mais adequado considerar o termo (DIR - DT) como o incremento da razão sinal – ruído devido às características do sistema de recepção (transdutor, eletrônica e sistema de processamento). A equação precisa ser modificada quando o ruído de fundo é caracterizado por reverberação. Neste caso o parâmetro DIR, que é definido com referencia ao ruído isotrópico, não é apropriado enquanto a reverberação não é isotrópica. No caso de um fundo dominado por reverberação é preciso substituir o termo (NL – DIR) com um nível equivalente de reverberação por onda plana (RL) observado aos terminais do hidrofone. A equação do sonar se transforma em: SL – 2TL + TS = RL + DT onde o parâmetro DT, no caso de um meio dominado por reverberação, tem valor diferente em relação ao meio dominado por ruído. Outro exemplo de sonar ativo: biosonar Referencia: Aroyan JL : Simple models of the dolphin echolocation emission system Larynx Tongue e s Bony nares np MLDB complex Nasal air sacs partially surrounding MLDB complex Melon Rostral & upper jaw bone Portion of lower Brain Skull bone Blowhole jaw bone Diagrama do sonar passivo Equação do sonar passivo: SL - TL - (NL - DI) ≥ DT SL = Source Level; TL = Transmission Loss; NL = Noise Level; DI = Directivity Index; DT = Detection Threshold Equação do sonar passivo No caso de sonar passivo, como mostrado na figura seguinte, o alvo produz o sinal a ser detectado, e a intensidade da fonte acústica (SL) se refere a intensidade do sinal radiado pelo alvo a uma distancia de referencia de 1m do centro acústico. Neste caso, o parâmetro que define a intensidade do alvo (TS) se torna irrelevante e as perdas transmissivas são computadas ao longo de um caminho só de ida. Com estas modificações, a equação do sonar passivo se escreve: SL -TL - (NL-DI) = DT ou SL -TL = NL - DI + DT Vale notar que o parâmetro DI (sem subscrito porque faltando o projetor acústico não tem mais ambigüidade) se refere a diretividade do hidrofone e que o sonar passivo será sempre caracterizado por um fundo de ruído enquanto a parte de sinal espalhado pelo meio (“backscatter”) não atinge o hidrofone. Em alguns casos, quando a fonte-alvo tem características de diretividade, pode se escrever: SL + DIS -TL = NL - DI + DT aonde DIS é a diretividade do alvo-fonte acústica. Parâmetros da equação do sonar 1) O equipamento Source Level (SL), Directivity Index (DI) e Detection Threshold (DT) 2) O meio transmissivo Transmission Loss (TL), Reverberation Level (RL) e Noise Level (NL) 3) O alvo Target Strength (TS) Definição dos parâmetros da equação do sonar PARÂMETRO SÍMBOLO REFERENCIA DEFINIÇÃO Nível da fonte (Source Level) SL 1m de distancia da fonte, ao longo do eixo 10 log intensidade da fonte intensidade de referencia Perdas de transmissão (Transmission Loss) TL De 1m da fonte ate o objetivo o hidrofone 10 log intensidade do sinal a 1m intensidade do sinal ao objetivo o hidrofone Intensidade do objetivo (Target Strength) TS 1m de distancia do centro acústico do objetivo 10 log intensidade do eco a 1m do objetivo intensidade do sinal incidente Nível de ruído (Noise Level) NL No lugar do hidrofone 10 log intensidade do ruído intensidade de referencia Nível de Reverberação (Reverberation Level) RL Aos terminais do hidrofone 10 log potencia de reverberação aos terminais do hidrofone Potencia gerada por um sinal de intensidade de referencia Índice de Diretividade de um hidrofone (Directivity Index) DI Aos terminais do hidrofone 10 log potencia do ruído medida por um hidrofone onidirecional equivalente potencia do ruído medida pelo hidrofone atual Limiar de detecção (Detection Threshold) DT Aos terminais do hidrofone 10 log mínima potencia do sinal para detecção potencia do ruído aos terminais do hidrofone Parâmetros da equação do sonar SL e DI O nível da fonte acústica (SL) é uma medida da intensidade acústica do sinal, tomada a uma distancia padrão de 1m da fonte. Este parâmetro assume que a energia é irradiada uniformemente em todos os sentidos ao redor da fonte. Todavia, a maioria das fontes acústicas é desenhada para direcionar a energia acústica em um setor angular menor, para melhorar a eficiência. Este efeito é calculado na equação do sonar através do índice de diretividade (DI). TL A intensidade de um sinal acústico se reduz ao longo do caminho, a medida que se afasta da fonte. Este fenômeno é devido ao efeito conjunto de dois fatores: a atenuação por absorção e a perda por dispersão geométrica, que se combinam no parâmetro TL. TS A força do alvo (Target Strength) é uma medida da capacidade do alvo de refletir a energia acústica. A intensidade do eco é função crescente da força do alvo. DT O patamar/limite de detecção (Detection Threshold) é um parâmetro característico do sistema sonar. Se a razão sinal/ruído excede o limite de detecção, o alvo é considerado presente. Parâmetros da equação do sonar NL e RL Há dois tipos de ruído de fundo que podem mascarar o sinal de interesse para detecção: 1) Nível de Ruído (Noise Level, NL). Este é um termo associado a um som quase constante e isotrópico, gerado por ventos, ondas, atividades biológicas e transito de navios. 2) Nível de Reverberação (Reverberation Level, RL). Este parâmetro refere-se a parte do eco retro-espalhado (backscattered) no meio que decai lentamente. Os típicos refletores são as interfaces físicas: o fundo e a superfície do mar. Alem disso, o som pode ser difundido por matéria orgânica (plâncton) e cardume presentes na coluna de água. Ruído e reverberação A figura acima mostra como a intensidade do eco em dB decresce com a distancia. Isso ocorre devido ao efeito conjunto de divergência e atenuação. O nível de reverberação também decai com a distancia, mas mais lentamente que o nível do eco. No exemplo acima Rr é a distancia critica, além da qual a reverberação é maior que o sinal , ou seja, RL > EL: quando a distancia for maior que Rr, o sinal não é detectável. Neste exemplo o nível de ruído é tão baixo que não impede/ atrapalha a detecção do sinal, tornando-se a reverberação o fator limitante. O efeito da reverberação põe um limite superior a intensidade da fonte, porque se é verdade que aumentando a intensidade da fonte aumenta a intensidade do sinal, isso provoca também uma perda de eficiência do sistema sonar, ou seja, quando SL excede um certo nível, o efeito da reverberação mascara o sinal (caso dos faróis altos na neblina). Por ser a reverberação direcional (não isotrópica), o uso de um hidrofone direcional não melhora o desempenho do sonar. Neste caso substitui-se o termo NL-DI por RL e a equação do sonar se escreve: SL + DIT + TS - 2TL - RL = DT Um caso diferente ocorre quando o nível de ruído atinge um nível mais alto, como indicado na figura acima pela linha pontilhada “Noise Level 2”. Neste caso, existe uma distancia critica Rn alem da qual o nível de ruído é maior que o nível do sinal, ou seja, o sinal não é detectável devido ao ruído. Vale notar que o nível do ruído é independente da distancia. Ruído e reverberação Em um sonar ativo o sinal de retorno é diretamente proporcional ao nível da fonte, ao índice de diretividade e a força do alvo, mas é inversamente proporcional as perdas transmissivas e ao nível de ruído. Então, a razão entre sinal e o ruído é representada pela seguinte formula: SL+ DIT + TS - 2TL - (NL-DIR) E importante ressaltar a diferença existente entre a diretividade da fonte, que foca a energia acústica, e a diretividade do hidrofone, que reduz o nível de ruído que afeta o sistema. O desempenho de um sonar melhora quando a fonte e o hidrofone são ambos diretivos. Normalmente se define uma razão critica entre o sinal e o ruído para que o sinal seja detectado. Com a introdução deste parâmetro, chamado de limite de detecção, a equação do sonar se escreve: SL + DIT + TS - 2TL - (NL-DIR) = DT Transdutores: definição e propriedades Definições: • Transdutor • Hidrofone • Projetor Princípios de funcionamento: • Piezeletricidade (e a sua variante eletroestrição) • Magnetoestrição. Configuração: • Projetor ≡ HidrofoneÎ Afastamento nulo (“zero offset”) • Projetor ≠ Hidrofone. Diretividade da fonte: Em um sonar ativo, a diretividade da fonte se refere ao transdutor usado para transmitir o sinal acústico. Em muitas aplicações a capacidade de enfocar a energia acústica em um feixe estreito é muito útil para aumentar a intensidade do sinal na direção de interesse. A diretividade representa quantitativamente esta capacidade da fonte de focar a energia. O Índice de Diretividade é definido por uma escada em decibel como segue: DIT = 10 log (Intensidade do feixe acústico / Intensidade de uma fonte onidirecional) Propriedades dos transdutores Cada sistema sonar é composto por vários elementos, dentre os quais o hidrofone desempenha a função de transdução da energia acústica em energia elétrica. Um equipamento que converte uma forma de energia em outra é chamado de transdutor; no caso especifico, um transdutor que converte energia acústica em energia elétrica é chamado de hidrofone e um transdutor que converte energia elétrica em acústica é chamado de projetor. Alguns sonares usam o mesmo transdutor para desempenhar as duas funções (configuração monoestática, ou zero-offset), outros usam o projetor afastado do hidrofone (configuração com afastamento não nulo). A habilidade de converter estas formas de energia se baseia em dois fenômenos físicos: piezeletricidade (e a sua variante eletroestrição) e magnetoestrição. Algumas substâncias cristalinas, como o quartzo, adquirem uma carga entre suas superfícies cristalinas quando estas são colocadas sob pressão; de forma recíproca, essas substancias cristalinas sofrem deformação quando submetidas a uma voltagem. Essas sustâncias são chamadas de piezelétricas. Materiais eletrostritivos apresentam o mesmo efeito, mas são constituídos de cerâmicas poli-cristalinas que precisam de uma polarização apropriada para manter um campo eletromagnético forte. Um material magnetostritivo muda de tamanho quando colocado em um campo magnético; reciprocamente esse material gera uma alteração do campo magnético quando sofre deformação. Materiais piezelétricos e magnetostritivos são os mais usados no campo da acústica submarinha, porque a impedância deles combina melhor com a água. Além disso, os materiais cerâmicos oferecem as vantagens de serem facilmente moldados nas formas desejadas e são econômicos Índice de diretividade: DI O termo diretividade se refere a capacidade da fonte acústica o hidrofone de privilegiar algum setor angular na geração o recepção do sinal acústico. Se o sinal é uma onda plana unidirecional, portanto perfeitamente coerente, e se o ruído é isotrópico, ou seja, a potencia do ruído é igual em todas as direções, a capacidade de um transdutor de focar a energia acústica chama-se de directivity index, DI. (mais tarde vamos ver como combinando vários transdutores em um array podemos definir um parâmetro geral, chamado de array gain, que pode ser utilizado quando o ruído não é isotrópico). Por ser possível calcular o valor do DI, este parâmetro é utilizado para dar uma primeira estimativa das características de um transdutor, embora as situações idealizadas (onda plana e ruído isotrópico) nunca se verifiquem no oceano real. Por exemplo, sabe-se que o ruído é anisotrópico no oceano porque tem uma diretividade nos planos vertical e horizontal. Alem disso, os sinais transmitidos são coerentes só a uma distancia curta, enquanto a distancias grandes o sinal é recebido por varias direções devido às reflexões e refrações que geram multi-caminhos. Índice de diretividade: DI bn(θ) 1 θ Lobulo principal Lobulos secundarios 0 db -10 db -20 db θ -3 db 0.25 0.50.3750.125 Half-power beam width Coordenadas retangulares {b(θ),θ} e escada de potencia em decibéis Half-power beam width Coordenadas polares {b(θ),θ} e escada de potencia linear Índice de diretividade: DI Em caso de sistemas mono-estáticos, a diretividade da fonte o hidrofone pode ser considerada equivalente para transmissão e recepção, enquanto por sistemas bi-estáticos tem que ser diferenciada. Diretividade da fonte (DIT). Em um sonar ativo, a diretividade da fonte se refere ao transdutor usado para transmitir o sinal acústico. Em muitas aplicações a capacidade de enfocar a energia acústica em um feixe estreito é muito útil para aumentar a intensidade do sinal na direção de interesse. A diretividade representa quantitativamente esta capacidade da fonte de focar a energia. I Índice de Diretividade é definido por uma escada em decibel como segue: DIT = 10 log (Intensidade do feixe acústico / Intensidade de uma fonte onidirecional) Uma representação esquemática é ilustrada figura ao lado: O diagrama mostra a energia da fonte S que é focada em um feixe estreito de abertura angular α. A distancia de referencia é sempre tomada a R = 1m do centro acústico da fonte, e o raio do feixe é indicado com r. Para uma fonte onidirecional, a potencia do sistema é distribuída sobre uma área igual a superfície de uma esfera de raio R (o seja, 4πR2). No caso de fonte direcional, a potencia se distribui sobre superfícies menores, o que comporta uma maior intensidade; neste caso a energia é espalhada sobre uma área πr2. Índice de diretividade: DI Utilizando agora a definição de DT: Considerando que R = 1 e simplificando os termos da equação: DIT = 10 log (4 / r2) E usando as equivalências trigonométricas: tan(α/2) = r / R = r (por R=1) Então: r2 = tan2(α/2) Substituindo este ultima equivalência na definição de DT, se obtém a expressão de DT em função da abertura do feixe a: DIT = 10 log(4 / tan2(α/2)) Alguns sonar, como o sonar de varredura lateral, são desenhados para emitir um feixe de forma elíptica; neste caso e´preciso considerar a abertura do feixe como função de dois ângulos α1 e α2: DIT = 10 log(4 / { tan (α1/2) tan(α2/2)} ) . ( )( )2 2 4/ /log10 RP rPDIT π π= Para transdutores de forma simples, o DI pode ser calculado analiticamente, sendo α função do tamanho do transdutor e do comprimento de onda do sinal λ. Por exemplo, para um pistão circular de diâmetro D se obtém a seguinte expressão para a diretividade do transdutor: DIT = 20 log(πD / λ ) = 10 log(πD / λ )2 Índice de diretividade: DI Exemplo: Dado: Calcular: f = 12 kHz λ = c/f Pistão circular de diâmetro D= 0.5m DIT = 0.125 m = 22 dB Diagrama dos feixes A abertura do feixe de um transdutor é definida como a largura do feixe central do diagrama de transmissão. A largura é medida no meio dos dois pontos a –3dB aos lados do eixo acústico. A figura abaixo mostra o diagrama de transmissão para um transdutor a 125 kHz. A forma do diagrama de transmissão é o resultado do desenho do transdutor, composto de elementos cerâmicos que emitem som a uma freqüência especifica. A distancia entre os elementos e a freqüência definem a forma do diagrama de transmissão. No exemplo, no centro do diagrama se localiza o lóbulo principal com uma abertura de 7°. Os lóbulos laterais deste transdutor sãomenores, cerca de 18 dB abaixo do nível do lóbulo principal. Diagrama dos feixes A abertura do feixe é importante para determinar o tamanho mínimo dos objetos que podem ser detectados. Se dois objetos caem dentro do feixe principal, eles serão vistos pelo sistema como um único objeto. Então, um feixe bem estreito é necessário para os ecobatímetros de navegação, para discriminar obstáculos pequenos. A figura seguinte mostra como varia a abertura do feixe de um transdutor circular operante a freqüência de 12kHz em função do diâmetro do mesmo D=(0.25m, 0.5m e 1m). Vale ressaltar como a abertura do feixe diminui quando o diâmetro do transdutor aumenta. Diagrama dos feixes Notar como, sendo λ=c/f, a razão D/λ determina também o numero de lóbulos laterais presentes no feixe acústico. Caso 1: λ=0.125m e D/λ= 2 Caso 2: λ=0.125m e D/λ= 4 Caso 2: λ=0.125m e D/λ= 8 Geração do som na água: Source Level Todos os sonares ativos utilizam um projetor para gerar energia acústica. Este processo é realizado por meio de transdutores que convertem energia elétrica em acústica através da vibração mecânica de materiais cerâmicos: as ondas acústicas são provocadas pelo movimento da superfície do transdutor que cria regiões de alta e baixa pressão alternadas na água. Não todos os transdutores são eletroacústicos, mas, apesar do diferente mecanismo de geração do pulso acústico, os princípios são os mesmos. Na equação do sonar, o parâmetro Source Level (SL) indica a intensidade de energia radiada pelo projetor, expressa em unidade de decibéis relativa a intensidade de uma onda plana com pressão quadrática media de 1 µPa a distancia de 1m do centro acústico do projetor na direção do eixo. O Directivity Index (DI) de um projetor é a diferença, medida ao longo do eixo de um diagrama de radiação, entre o nível ID de som gerado pelo projetor e o nível IND que seria gerado por um projetor não direcional com a mesma potencia total de energia acústica: DIT = 10 log ID/ IND A curta distancia o projetor não irradia como uma fonte puntiforme porque o campo acústico é formado pela contribuição de elementos radiadores diferentes; neste caso formam-se áreas de interferência construtiva e destrutiva alternadas, gerando ambigüidade na medição do campo. A distancias maiores, o projetor se comporta como uma fonte puntiforme e o campo decai regularmente com a distancia. O campo próximo (região de Fresnel) e o campo distante (região de Fraunhofer) são separados por uma região de transição, centrada a uma distancia r0 do centro acústico do projetor; esta distancia pode ser considerada o começo do campo distante. Como mostra a figura seguinte, a distancia r0 é a distancia pela qual a diferença AC – BC é igual a λ/2π, onde λ é o comprimento de onda; no caso de um projetor na forma de pistão circular r0 = D/ λ, onde D é a área da superfície ativa do transdutor. Campo próximo e campo distante Nível da fonte e potencia acústica O Source Level (SL) é relacionado de forma simples com a potencia acústica gerada e o Directivity Index (DI). A distancia padrão de 1m, o projetor é circundado por um envelope esférico de superfície 4πr2 =12.6m2. Se o projetor irradia uma potencia acústica P onidirecional, a intensidade da fonte é: I =Potencia / Área = P / 12.6 Pa que, referindo-se a uma intensidade de 1µPa, fornece: SL = 10 log (I/ I0) = 10 log P – 10 log 12.6 - 10 log I0 + DI SL = 10 log P – 11 + 182 + DI SL = 10 log P + 171 + DI I0 = 6.504 x 10-19 W/m2 10 log I0= -182 dB Fator limitante: Cavitação Para atingir a máxima profundidade com um sonar, parece natural utilizar fontes acústicas poderosas, mas um fator limitante para a máxima potencia é a cavitação. Quando se aumenta a potencia aplicada a um projetor acústico na água, se observa que bolhas se formam na interface entre a superfície ativa do transdutor e a água, este fenômeno chama-se cavitação. As bolhas indicam que as moléculas de água começam a quebrar sob a ação das pressões negativas do campo acústico. As bolhas surgem quando este campo acústico supera um nível critico chamado de limite de cavitação. O limite de cavitação pode ser expresso em termos da pressão de cume em atmosferas. Quando o limite de cavitação é superado, vários efeitos negativos aparecem: 1. erosão da superfície do transdutor; 2. perda de potencia acústica por difusão e absorção, causada pelas nuvens de bolhas de cavitação; 3. redução da impedância acústica do meio onde o transdutor opera. A ocorrência da cavitação é acompanhada por uma serie de fenômenos físico-químicos, como a luminescência e a quebra de compostos químicos. Uma forma de se melhorar o desempenho de um transdutor é aumentar a profundidade de operação, porque o aumento da pressão hidrostática provoca o aumento do limite de cavitação. Fator limitante: Cavitação Fluxo laminar Fluxo turbulento Universidade de Brasília TEMAS Princípios de acústica submarinha Breve historia do sonar Uso do sonar Uso do sonar Uso do sonar Física do som na Água Física do som na Água Física do som na Água Calculo da impedância acústica para a água salgada e o ar Unidades de medida: Micropascal e Decibel Exemplos Regras de aritmética logarítmica Diagrama do sonar ativo Equação do sonar Equação do sonar ativo Equação do sonar ativo Equação do sonar ativo Outro exemplo de sonar ativo: biosonar Diagrama do sonar passivo Equação do sonar passivo Parâmetros da equação do sonar Definição dos parâmetros da equação do sonar Parâmetros da equação do sonar Parâmetros da equação do sonar Ruído e reverberação Ruído e reverberação Transdutores: definição e propriedades Propriedades dos transdutores Índice de diretividade: DI Índice de diretividade: DI Índice de diretividade: DI Índice de diretividade: DI Índice de diretividade: DI Diagrama dos feixes Diagrama dos feixes Diagrama dos feixes Geração do som na água: Source Level Campo próximo e campo distante Nível da fonte e potencia acústica Fator limitante: Cavitação Fator limitante: Cavitação
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