As ondas electromagnéticas penetram até uma curta profundidade na água salgada.

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Linda Araújo Cipriano
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1 Hidroacústica Fundamentos de acústica As ondas electromagnéticas penetram até uma curta profundidade na água salgada. Certos comprimentos de onda (azul-verde) conseguem penetrar, com efectividade, pouco mais de 50 metros. Razão pela qual a Hidrografia recorre a sinais acústicos (ondas electromecânicas) vezes mais lento que a luz (1500 m/s ± 50 m/s) Velocidade varia com a temperatura da água, salinidade e pressão (profundidade) 1

2 Fundamentos de acústica Frequências usadas no LIDAR Hidrográfico Fundamentos de acústica O método de sondagem (medição de profundidade) consiste na medição de profundidades com base na utilização de ondas sonoras, pois as ondas electromagnéticas sofrem uma dispersão e atenuação muito acentuada na coluna de água. É um método indirecto de medição, pois o que realmente é medido é o tempo de propagação do som do duplo percurso do transdutor ao fundo do mar. 2

3 Fundamentos de acústica Foi em 1822, que pela 1ª vez (Daniel Colloden) se usou um sino submarino para calcular a velocidade do som no Lago Geneva. Propriedades do som Para que haja som são necessários os seguintes elementos: Emissor - Meio de Propagação - Receptor 3

4 Propriedades do som Emissor de som (Fonte sonora) Qualquer objecto que vibre ou perturbe o meio ambiente envolvente é considerado uma fonte sonora. Na hidrografia utilizam-se transdutores como fonte. Os transdutores EMISSORES são denominados PROJECTORES. Meio de Propagação Propriedades do som O meio de propagação p é um factor preponderante p para a existência física do som. É o meio envolvente da fonte sonora (c/ elasticidade), que condiciona a velocidade e propagação da onda sonora. Maior densidade d do meio => Maior velocidade d do som ar 331 m/seg água 1500 m/seg ferro 5200 m/seg 4

5 Propriedades do som Receptor de som (Detector) Os transdutores RECEPTORES são denominados HIDROFONES. Ao contrário dos transdutores projectores, os hidrofones captam a vibração e transformam a energia mecânica em energia eléctrica. Natureza do som Fisicamente, a propagação das ondas sonoras envolve 2 fases: compressão Transdutor dilatação (1) as partículas do meio movem-se e a densidade varia; (2) a variação da densidade gera variação de pressão; (3) a variação de pressão gera deslocação do meio. 5

6 Natureza do som O fenómenos da propagação de ondas sonoras é descrito pelo ciclo: Energia cinética Energia potencial associada à deformação (compressão/dilatação) Transdutor Equação de onda 2 t x c 2 X x Aceleração = constante * curvatura c dp d 0 Velocidade = [elasticidade / densidade] 1/2 6

7 Intensidade Sonora Em acústica recorre-se a uma escala logarítmica de intensidades, id d pois o ouvido humano tem uma resposta aproximadamente logarítmica. As intensidades expressamse em decibéis (db). A Intensidade Sonora representa a potência transmitida por unidade de superfície 2 Pe I [ watt/m 2 ] 0c0 onde ( 0 * c 0 ) representa a impedância acústica Nível de Intensidade O Nível de Intensidade é uma expressão adimensional (em db) com a finalidade de registar a intensidade sonora relativa. IL = 10 log. (I/I ref ), sendo I ref o nível de referência (limiar da audição) = W m -2 I 2 =2I 1 => IL = IL (2) -IL (1) = 10 log. (2) = 3 db O ouvido humano capta sons entre os limites de 0 a 130 db 7

8 A Equação Sonar EN = (SL - 2 TL + TS) - (NL - DI) A equação SONAR (Sound Navigation and Raging) reflecte a grandeza do processo acústico na detecção de um alvo submarino. Permite determinar a quantidade de sonorização disponível para produzir uma imagem sonar. A sua grandeza designa-se Nível de Eco/Ruído (EN - Echo to Noise Level). A Equação Sonar EN = (SL + TS +DI) - NL - 2 TL A performance de um sistema acústico depende de variáveis de controlo na sua concepção: - a potência do sinal original Sound Level (SL); - a largura do feixe acústico Directivity Index (DI); - a frequência de emissão. E de variáveis inerentes ao meio ambiente: - perca de sinal pela distância percorrida devido à absorção do meio e à dispersão esférica Transmisson Loss (TL); - interferências de fontes sonoras não desejáveis Noise Level (NL); - capacidade de reflexão do alvo Target Strength (TS). 8

9 Perdas de Propagação As ondas sonoras sofrem uma diminuição de intensidade devida à combinação dos seguintes factores: Espalhamento / Geometria; Absorção conversão de energia acústica em energia de térmica (fricção); Dispersão devido às descontinuidades do meio onde se propaga a onda sonora (ex. bolhas de ar, partículas, seres vivos, alterações do estado físico-químico í i do meio, etc.) Reverberação (superficial e volumétrica) ruído ou interferência causado por elementos dispersantes e reflectores no oceano (NL). Reflexão e Transmissão Incidência Normal p i p i = p r +p t r 1 = 1 * c 1 p r Coeficiente de Reflexão R = (r 2 /r 1-1) / (r 2 /r 1 +1) r 2 = 2 * c 2 (impedância acústica) p t Coeficiente de Transmissão I = 2 / (1+ r 1 /r 2 ) 9

10 Reflexão e Transmissão Incidência Oblíqua p i = p r +p t p i p r i r Sen i = Sen r Lei da Reflexão r 1= 1 * c 1 r 2 = 2 * c 2 t p t Sen i = Sen t Lei de Snell c 1 c 2 Reflexão e Transmissão Ângulo Critico Sen i = Sen t c 1 c 2 Sen c c = constante, ao longo das camadas de profundidade da coluna de água Reflexão total quando t tende para 90º Sendo sen 90º = 1, temos Sen i = Sen t c 1 c 2 Sen i = c 1 / c 2 i = Sen -1 (c 1 /c 2 ) 10

11 Propagação do som no mar 1.Sem compressibilidade não há propagação acústica. 2.A velocidade de propagação depende da compressibilidade do meio, isto é, da elasticidade e densidade do meio. c K / Para o caso da água, elasticidade de 2 x 10 9 N m -2 e uma densidade de 10 3 kg m -3, temos: C= +/ m/s Equação de Wilson (K, variam com a salinidade (S), com a temperatura (T) e com a pressão (P). Então, c = f(s,t,p) Uma vez que P = f (z), então c = f(s,t,z). Contudo, S e T não são homogéneos nem isotrópicos, i.e., variam com a profundidade, com a horizontalidade e com o tempo. Logo, c também varia. A Equação de Wilson é uma versão simplificada da relação empírica entre c [m/s], S [partes por mil], T [ºC] e z [m]. C= T T T 3 + ( T )(S-35) z 11

12 Variação de T ao longo da Terra A temperatura é o factor com maior peso na velocidade do som Perfil do som na água Termoclina Sazonal - Camada turbulenta superficial verão Termoclina Principal gradiente vertical de temperatura é negativo (todo o ano) SOFAR (Deep sound channel axis) zona de confinamento de energia das ondas sonoras. 12

13 Perfil do som na água A medição de valores da velocidade do som ao longo de uma coluna de água é realizada com recurso a um SVP - Sound Velocity Profiler (perfilador de velocidade do som na água). Este dispositivo mede parâmetros de pressão, temperatura (e salinidade) e determina a velocidade do som ao longo da coluna de água. Aplicação directa da Lei de Snell Traçado do raio sonoro 13

14 Perfil do som na água c 1 1 c 2 2 Sen 1 = Sen 2 c 1 c 2 c 1c2 c 3c c 5 5 Sen 1 = Sen 2 = Sen 3 = Sen 4 = Sen 5 c 1 c 2 c 3 c 4 c 5 Sondadores acústicos 14

15 Transdutores Transdutores Piezo-eléctricos Vibração de um cristal ao aplicar-se uma diferença de potencial alternada. O cristal é excitado com uma frequência igual à frequência de ressonância intrínseca, com a qual se obtém a sua máxima potência. Monofosfato de Alumínio Quartzo Monofosfato de Alumínio ~ Transdutores Transdutores Piezo-eléctricos A frequência de ressonância do cristal depende da sua estrutura molecular e é obtida quando a espessura do cristal é metade do comprimento de onda dessa frequência. h = / 2 ~ 15

16 Transdutores Transdutores Magneto-estritivos Transdutores baseados na propriedade de certos materiais ferromagnéticos, em que variam a sua dimensão quando sujeitos a um campo magnético variável. ~ Transdutores Electro-estritivos Transdutores Transdutor similar ao magneto-estritivo, onde o campo magnético é substituído por um campo eléctrico. A sua vibração deve-se à oscilação de átomos da rede cristalina do material [cristais cerâmicos]. A maioria dos transdutores modernos são deste tipo. ~ 16

17 Transdutores Transdutores Receptor HIDROFONES Transdutores Emissor PROJECTORES Frequência mais usada [1 300 khz] Ao contrário dos transdutores projectores, os hidrofones captam a vibração induzida nos cristais cerâmicos e transformam essa energia mecânica em energia eléctrica. Transdutores Largura do feixe TX Os transdutores concentram a energia ao longo do eixo ortogonal da superfície radiante. A dimensão da superfície determina a largura de feixe. Largura de feixe de um transdutor é o ângulo de abertura do feixe, no qual o nível de intensidade é 3 db inferior ao seu valor máximo. 17

18 Padrão do feixe de TX O padrão do feixe descreve a sensibilidade do transdutor nas diferentes direcções. Apresenta um lóbulo principal ao longo do eixo ortogonal da superfície radiante (eixo do feixe) e vários laterais. Um dos efeitos provocados pelos lóbulos laterais são os ecos laterais ou ecos falsos. Eco lateral LIDAR Hidrográfico 18

19 LiDAR Hidrográfico Light Detection and Ranging - O transmissor emite um pulso laser direccionado para a superfície da água. O receptor detecta o sinal reflectido, com duas respostas distintas (superfície sinal vermelho e fundo sinal verde), a profundidade/altura é obtida pela diferença dos tempos de emissão e recepção. LiDAR Hidrográfico A profundidade (distância D) é determinada a partir do desfasamento de tempo de recepção entre as duas respostas (verde-vermelho), considerando a velocidade de propagação da luz na água. 19

20 LiDAR Hidrográfico LiDAR Hidrográfico apresenta Vantagens & Desvantagens em relação aos Levantamentos Hidrográficos por sondagem acústica de varrimento. LiDAR Light and Detection Range. LiDAR Hidrográfico 20

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