Medidor subacuático de la velocidad del sonido

Abstract

Este informe aborda el estudio, diseño y posterior implementación de un sistema de medición de la velocidad de propagación del sonido en el agua de manera directa; siendo este el objetivo principal del proyecto. Se plantea el diseño del circuito eléctrico y construcción del PCB, eje central del sistema; el armado de los hidrófonos mediante los que se realizan las mediciones y la estructura que los contiene en la sumersión a la hora de realizar dichas mediciones. Por último, se realiza un análisis estadístico de los resultados obtenidos. El estudio y fundamentación de este trabajo se lleva a cabo a lo largo del informe, que se dividió en diferentes capítulos para simplificar su entendimiento. El primer capítulo, a modo de introducción, aborda el objetivo principal del proyecto y lo contextualiza. En las comunicaciones subacuáticas en general, y sobre todo en el ámbito militar, resulta importante conocer el medio en el que se lleva a cabo dicha comunicación. En este caso, al ser un medio acuático, es necesario tener un completo conocimiento de cuáles son los parámetros que lo caracterizan, para así lograr una correcta modelización de este. Al tratarse de un medio no homogéneo, se definen diferentes capas con distintas densidades dependiendo de la profundidad. La velocidad de propagación del sonido depende de ciertos parámetros que varían a lo largo de estas capas, siendo estos: la temperatura, la salinidad y la presión. En el segundo capítulo se plantea un análisis teórico a modo de revisión, teniendo en cuenta todos los conceptos estudiados para la realización del proyecto, y que sirven aquí como fundamentación de lo realizado. Se profundiza acerca de los medios acuáticos y cuales son sus características. El océano es un medio diferente al aire en cuanto a propagación de ondas se re#ere. Por un lado, el agua posee una permitividad eléctrica mucho mayor al aire, por lo que ante la aplicación de un campo eléctrico este se va a ver más afectado en dicho medio. Además, el agua de mar posee por su grado de salinidad, una conductividad mayor. Estos factores conllevan a que el océano sea un mal conductor de ondas electromagnéticas. Por otro lado, las ondas mecánicas se propagan mucho mejor en medios acuáticos dada su mayor densidad, y con velocidades de hasta cinco veces mayor que en el aire. La atenuación es mucho menor que en el caso de las ondas electromagnéticas. Principalmente, por esta razón, es que se pre#ere el uso de ondas acústicas en este medio. En el tercer capítulo se hace una revisión teórica acerca del concepto de piezoelectricidad y los materiales que la poseen. Haciendo uso de este tipo de materiales, se lleva a cabo el armado de hidrófonos caseros utilizados como sensores para la realización de las mediciones. Dicho efecto reversible permite la generación de una señal acústica a partir de una eléctrica y viceversa, es decir, una señal eléctrica a partir de una acústica. Estas señales son las utilizadas durante las mediciones en el medio acuático. El capítulo cuatro aborda el desarrollo completo del circuito eléctrico diseñado. Este se divide en tres bloques principales: una etapa de transmisión, otra de recepción y una de procesamiento y almacenamiento de los datos. Todas ellas presentan un elemento común, el microcontrolador Atmega 328p. La etapa de transmisión es la encargada de generar el pulso modulado que, a través del sensor piezoeléctrico, se transforma en la señal acústica que se envía a través del medio. A diferencia de los métodos indirectos para obtener valores para la velocidad del sonido, en los que es necesario realizar la medición de los parámetros temperatura, salinidad y presión, durante este proyecto se implementó un método directo haciendo uso de una variante para el concepto de SONAR. De esta manera, contando el retardo comprendido entre la transmisión del pulso acústico y su correspondiente recepción, y conociendo la distancia comprendida en el viaje del pulso acústico a lo largo del medio, es posible obtener los valores de velocidad correspondientes. Por su parte, la etapa de recepción toma el pulso recibido y lo adapta para la utilización por parte del microcontrolador. Por último, la etapa de procesamiento y control permite la elección de la cantidad de mediciones, controlar el #ujo de información y obtener los resultados #nales ya sea mostrándolos en tiempo real por pantalla o almacenandolos en un dispositivo externo. El quinto capítulo brinda de forma resumida, el procedimiento completo para el armado del PCB (del inglés printed circuit board). Para trabajar de forma ordenada y evitar el uso excesivo de cables adicionales o protoboards, se plantea el diseño y armado de una placa que contiene el circuito electrónico explicado en el párrafo anterior. En el capítulo seis se desarrolla el armado de los hidrófonos utilizados a partir de los ya mencionados materiales piezoeléctricos. Se enumeran los distintos sensores utilizados y los distintos diseños armados para su ensayo: desde los más simples utilizados en el aire, hasta los utilizados bajo el agua, con su correspondiente aislación y funcionamiento. Por último, en el capítulo siete se plantean las mediciones realizadas, los resultados obtenidos y el posterior análisis desarrollado del que se pudo obtener una serie de conclusiones. El dispositivo implementado logró medir tanto la velocidad como la profundidad, pero con un error de precisión mayor al esperado. Estas diferencias son atribuibles a diferentes factores: el error cometido en la medición de la distancia entre sensores, el sistema de medición diseñado y principalmente los hidrófonos construidos. Este último punto es crucial y el primero que debería tenerse en cuenta a la hora de un posible desarrollo a futuro. No obstante, con el sistema implementado fue posible demostrar la factibilidad del método obteniendo resultados, pese al error cometido, en concordancia con el contexto en el que se desarrollaron las mediciones.