Canales de Sonido II

En el post anterior hablé del fundamento físico de los canales de sonido. Sin embargo, dejé pendiente la explicación de la historia de estos canales y para qué sirven.

Los canales de sonido fueron descubiertos por casualidad, en 1943, por los científicos, Maurice Ewing (biografía en español) y J.L. Worzel.

Maurice y Worzel estaban investigando cierta hipótesis propuesta por el primero, sobre la propagación de ondas de sonido en el océano. Su experimento consistía en la detonación de medio kilo de TNT en las aguas de las Bahamas, para luego registrar en distintos puntos la llegada de la onda de sonido y sus parámetros (frecuencias, intensidades etc.). El sonido de esa explosión llegó nítidamente hasta la costa occidental de África, a nada menos que 3200 kilómetros.

El análisis de los datos recibidos les hizo percatarse de un “canal” a cierta profundidad del océano que actuaba como un túnel para el sonido, transmitiéndolo prácticamente sin pérdida de intensidad a lo largo de miles de kilómetros de océano. Lo Bautizaron SOFAR (Sound Fixing And Ranging) channel.

Otro científico, Leonid Brekovskikh del Instituto de Física de Lebedev (Rusia), los descubrió de forma independiente en esa misma década gracias al análisis de explosiones en el Mar de Japón. Él lo llamó Deep Sound Channel (DSP). Por lo que podréis encontrar los canales de sonido por ambos nombres.

El canal de sonido es muy intersante porque al curvar las trayectorias del sonido, no lo deja escapar, por lo que evita pérdidas de intensidad. Podéis entender muy bien el fenómeno si pensáis la diferencia entre estos dos casos, que seguramente hayáis experimentado alguna vez:

  • Gritar  en un sitio abierto. La onda sonora se propagará esféricamente (todo a vuestro alrededor), pero claro, esto provoca que a cierta distancia ya no se pueda escuchar, debido a que la energía de la onda (su intensidad) se ha repartido en un área enorme.
  • Gritar por un tubo. Una persona al otro lado del tubo, aunque esté muy lejos, podrá escucharos, ya que la intensidad del sonido ha viajado atrapada dentro del tubo, sin repartirse en una gran área (como ocurría con el grito normal).

He aquí una imagen sobre la transmisión del sonido por un canal oceánico (click para ampliar)

img002

En el eje vertical está la profundidad del océano (en metros). En el eje horizontal se representa distancia horizontal (en millas naúticas). Como veis, por el canal se transmiten ondas en muchas trayectorias diferentes, algunas más amplias y otras más cerradas. De nuevo, no confundáis estas líneas, que son trayectorias, con el propio movimiento ondulatorio de las ondas. No tienen nada que ver. Si no lo entiendes bien, te recomiendo leer este artículo.

En la siguiente animación (Fuente: wikipedia) podéis ver como se propaga el sonido en un canal:

La utilidad de estos canales se encontró muy pronto y no es difícil imaginar cuál es: detección se submarinos. Así, la marina de EEUU desarrolló, desde 1949 y durante la siguiente década, el proyecto Jezebel. Más tarde conocido como SOSUS (Sound Surveillance System). El sistema consistía en la colocación de hidrófonos (micrófonos submarinos) en lugares claves a distintas profundidades, conectados por cables a tierra. Estos micrófonos permitían localizar submarinos en casi todo el hemisferio norte y, más aún, podía distinguirse el número de hélices, el tipo de propulsión (diesel o nuclear) e incluso, en algunos casos, el tipo de submarino.

Canales de sonido I

Hace un tiempo hablé sobre cómo la luz puede tomar trayectorias curvas debido a la refracción, puesto que es una onda. Pero hoy vamos a ir un paso más allá.  Sin embargo, esta vez lo haremos con el sonido.

Como muchos sabréis, el sonido es una onda mecánica, por lo que sólo puede propagarse en medios materiales. En cualquier caso, como es una onda, responde a los comportamientos ya explicados.

En primer lugar hay que recordar el punto esencial: la trayectoria de una onda puede curvarse debido al índice de refracción. Pero si pueden tomar trayectorias curvas significa que la onda podría moverse de forma sinusoidal (Siento la palabrota) si se dan las condiciones adecuadas. Para quién no sepa que significa la palabrota esa de sinusoide, voy a darle una imagen, que dicen que vale más que mil palabras (sobre todo de las mías)

sinusoide_1

La línea azul marca la trayectoria de la onda. Ojo, no confundáis su trayectoria con su oscilación, no tienen NADA que ver.

La cuestión es ¿bajo que condiciones puede darse este tipo de trayectoria?

Sabemos que la trayectoria se curva siempre hacia el lugar donde el índice de refracción es mayor. Es lógico pensar que en la zona central de la sinusoide es donde hay un mayor índice de refracción que éste va disminuyendo hacia arriba y hacia abajo. Así la onda, al alejarse de la zona central, tiende a torcerse de nuevo hacia ella, regresando siempre hacia la zona central:

oceano1

La curva roja es la trayectoria de la onda. El fondo marca el valor del índice de refracción: cuanto más azul, mayor índice de refracción, y por tanto menor velocidad de propagación.

Como podéis imaginar, si estoy hablando de este efecto, es porque ocurre en la naturaleza. El caso del que voy a hablar es la propagación del sonido en los océanos mediante los Canales de Sonido.

Como ya sabemos, el índice de refracción de una onda depende de la naturaleza del medio, así como de la densidad del medio. En concreto, para el sonido, cuanto mayor es la densidad de cierto fluido menor velocidad de propagación tiene (mayor índice de refracción). Nuestra conclusión sería que la gráfica anterior no sería estable: si la región azul oscuro es más densa que la que tiene por debajo, tendería a hundirse, lo mismo que una piedra se hunde en el agua debido a que su densidad es mayor que la del agua (coloquialmente “porque pesa más”). Parece que hemos llegado a un punto muerto… pero hay una cosa que no he tenido en cuenta y es que no “es densidad todo lo que reluce”.

En los océanos hay tres factores que afectan a la densidad: Temperatura, presión y salinidad. La temperatura y la salinidad afectan mucho a la densidad del agua, pero más la temperatura. Sin embargo, la presión casi no afecta a la densidad del agua. Esto es así porque el agua es un líquido, y tanto los líquidos como los sólidos son extremadamente poco compresibles: vamos, que para variar un poquito su densidad tienes que hacer presiones gigantescas.

Ahora bien, resulta que la velocidad del sonido, debido a que es una onda mecánica, se ve bastante afectada por la presión. Así, tenemos que la velocidad del sonido depende de la densidad (que a su vez depende de la temperatura y la salinidad) y de la presión. En concreto, cuanto mayor densidad, menor velocidad (mayor índice de refracción), pero cuanto mayor presión, mayor velocidad (menor índice de refracción)

A lo largo de la altura del océano conviven estos dos factores, pero cada uno tiene una influencia diferente según la altura a la que lo miremos.

Así en superficie hay poca presión, pero la densidad es bastante baja por efecto de la temperatura (el agua superficial suele ser más cálida y salina). El resultado es el efecto de la densidad se impone al de la presión y el índice de refracción es pequeño. Después la densidad disminuye rápidamente en los primeros cientos de metros, pues el agua se enfría rápidamente con la profundidad. Pero en esta distancia la presión casi no ha crecido y por tanto su influencia no puede compensar la brusca variación debida a la temperatura. Por tanto, aquí encontramos una zona con un valor alto del índice de refracción comparado con el agua que tiene encima. Pero cuanto más bajamos, más efecto tiene la presión, mientras que la densidad se mantiene casi constante ya que la temperatura es casi constante a esas profundidades. El resultado es que el índice de refracción disminuye bastante.

Veamos una imagen para aclarar la idea:

canales

En la parte de la izquierda podemos ver una medida de la variación de la velocidad del sonido con la profundidad según diferentes factores. La Ct se refiere a lo que varía debido a la variación de la temperatura del agua. La Cp se refiere a lo que varía debido al aumento de la presión con la profundidad. La figura de la derecha muestra que pasa si se combinan ambas variaciones: Nos encontramos con una zona donde la velocidad del sonido (llamada C) es menor (índice de refracción mayor) que la de las zonas que tiene por encima y por debajo.

¡Tachán! Es justo lo que había dicho al comienzo que necesitábamos para que el sonido se propagara sinusoidalmente.

Como el post está quedando kilométrico, prefiero cortarlo aquí por hoy. Mañana hablaré de las consecuencias de la existencia de estos canales, cómo se descubrieron y para que se han usado (y se usan).