Modelación de la respuesta acústica de peces : aplicación a ensayos de laboratorio con percas (Percicthys trucha)

• Autores: González, Juan Domingo; Blanc, Silvia; Prario, I.; Madirolas, Adrián Osvaldo
• Año de publicación: 2011
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: artículo
• Fuente: An. (Asoc. Fís. Argent., En línea) 2011;01(23):92-101
• Materia: DISPERSION ACUSTICA; ESFEROIDE PROLADO; VEJIGA NATATORIA; ACOUSTIC SCATTERING; PROLATE SPHEROID; SWIM BLADDER
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Cuando se propaga sonido en un medio acuoso, éste encuentra a su paso gran cantidad y variedad de inhomogeneidades correspondientes a discontinuidades en las propiedades físicas del medio, tal como ocurre en el mar con las algas microscópicas fitoplanctónicas, zooplancton, partículas en suspensión, cardúmenes de peces, submarinos y gradientes térmicos y salinos. Esas inhomogeneidades producen dispersión acústica debido a la interacción entre la onda incidente y el medio dispersor. Este fenómeno depende de la frecuencia de la onda incidente, de las dimensiones y forma del dispersor y de sus propiedades físicas y las del fluido en el que se transmiten las ondas. Las técnicas actuales de medición con fuentes ultrasónicas de banda angosta, como las utilizadas en las ecosondas modernas, habituales en pesquerías, se basan en el fenómeno de dispersión acústica para obtener información sobre las propiedades físicas de los dispersores de volumen presentes en el océano, lo que constituye una herramienta para el sensado remoto de las mismas. Con el objetivo de calcular la dispersión acústica producida por diferentes elementos de volumen cuya forma puede ser geométricamente descripta por esferoides prolados (pez, vejiga natatoria, vehículo submarino, etc.), se adoptó un sistema de coordenadas curvilíneas esferoidales proladas para resolver la ecuación de onda mediante separación de variables. De este modo se plantearon las condiciones de contorno en términos de superficies coordenadas aproximadamente coincidentes con las interfaces agua-medio dispersor, apropiadas para resolver la ecuación de onda y calcular la intensidad de la onda dispersada. Ello permitió el cálculo del parámetro Fuerza de Blanco (TS: “Target Strength”) que se utiliza en acústica submarina para caracterizar la intensidad del eco dispersado. En este trabajo se implementó un modelo para calcular las funciones esferoidales proladas, angulares y radiales, involucradas en la solución analítica de la ecuación de onda con condiciones de contorno para los casos de interface blanda y rígida. Sus predicciones fueron comparadas con datos experimentales de TS para el caso particular de retro- dispersión (backscattering), correspondientes a una especie de la fauna ictícola autóctona argentina (Percichthys trucha). Los datos de campo fueron medidos a 38 kHz en una experiencia usando jaulas de engorde de peces y una ecosonda de haz dividido (SIMRAD-EY500). Las primeras comparaciones entre los valores de TS promedio predichos por el modelo resultaron muy similares a los medidos (discrepancia menor que el 3%). Asimismo, los histogramas de TS generados con el modelo, considerando cierta distribución de ángulos de orientación del pez respecto del eje de haz, muestran un comportamiento análogo a las distribuciones de los TS medidos. El modelo se usó además para analizar la dependencia de TS máximos con la longitud total del pez, es decir, cuando el ángulo de orientación del eje mayor del esferoide es normal al eje acústico del haz, situación en la que el pez ofrece su máxima área efectiva al haz sonoro incidente. Los resultados se contrastaron además con datos experimentales reportados en la literatura, obteniéndose un acuerdo muy razonable
When sound is propagated in an aqueous medium, it intercepts a great amount and variety of inhomogeneities that form discontinuities in the physical properties of the medium such as it takes place at sea with microscopic algae, zooplankton, suspended particles, schools of fish, submarines and temperature and salinity gradients. These inhomogeneities produce acoustic scattering due to the interaction between the incident wave and the scatterer medium. This phenomenon depends on the incident wave frequency, the scatterer size and shape and on the physical properties of the fluid where waves are transmitted. Measurements current techniques using narrow band ultrasound sources are based upon the acoustical dispersion phenomenon in order to obtain information about the physical properties of the volume scatterers present in the ocean. Thus, scattering of sound constitutes a tool for remote sensing of the scatterers properties. A system of prolate spheroidal curvilinear coordinate system was adopted to solve the wave equation by separation-of-variables with the aim of computing the acoustical dispersion produced by different volume elements whose shape can be geometrically described with prolate spheroids (fish, swim bladders, submarine vehicle, etc.). In this way, when solving the wave equation and computing the scattered wave intensity, boundary conditions were expressed in terms of appropriate coordinate surfaces that are approximately coincident with the water-scatterer medium interface. This fact enabled the calculation of the Target Strength parameter (TS) which is used in underwater acoustics to characterize the scattered echo. In this paper a model was implemented to compute the angular and radial prolate spheroidal functions, involved in the analytical solution of the wave equation with boundary conditions for the cases of rigid and soft interfaces. Its predictions were compared with TS experimental data for the particular case of backscattering produced by a native species of Argentinean fish fauna (Percichthys trucha). Field-data were measured at 38 kHz in an experiment using fish farming cages and a split-beam echo sounder (SIMRAD-EY500). First comparisons between average TS values predicted by the model resulted very similar to the measured ones (with a discrepancy less than 3%). Moreover, TS histograms generated by the model taking into account certain distribution of fish angle orientations regarding the beam axis, show behaviour analogous to the corresponding distribution of the measured TS. The model was also used to analyse the dependence of the maxima values of TS with the whole fish length, namely, when the orientation angle of the spheroid major axis is normal to the acoustic beam axis, that means situations where the fish presents the maximum effective area to the incident sound beam. When results were also contrasted with experimental data reported in the literature, a very reasonable agreement was obtained
Fil: González, Juan Domingo. Ministerio de Defensa - CONICET. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa. Dirección de Investigación de la Armada (UNIDEF-DIIV). Buenos Aires. Argentina
Fil: Blanc, Silvia. Ministerio de Defensa - CONICET. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa. Dirección de Investigación de la Armada (UNIDEF-DIIV). Buenos Aires. Argentina
Fil: Prario, I.. Ministerio de Defensa - CONICET. Unidad de Investigación y Desarrollo Estratégico para la Defensa. Dirección de Investigación de la Armada (UNIDEF-DIIV). Buenos Aires. Argentina
Fil: Madirolas, Adrián Osvaldo. Instituto Nacional de Investigación y Desarrollo Pesquero (INIDEP). Buenos Aires. Argentina