EEM I_6 Sonar

8/2/2019 EEM I_6 Sonar

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Equipamentos Electrónicos

Marítimos I

Sonda Gráfica e SONAR

Princípios Gerais de Funcionamento

e Circuitos característicos



Preia‐mar

Baixa‐mar

Nível do mar (actual)

Zero Hidrográfico

Fundo

Sonda actual

(Sonda à hora)Sonda verdadeira(Sonda reduzida)

Altura da

Maré

Sonda negativa

Medidas para a sonda e zero hidrográfico



Posidonius

• conducted the first bathymetric studies

• 85 B.C.

http://www‐groups.mcs.st‐and.ac.uk/history/BigPictures/Posidonius.jpeg

2 km

Bathymetry = study of ocean floor contours

The early, simplest methods involved

lowering a weight on a line.



http://www.nefsc.noaa.gov/history/ships/albatross1/sigsbee‐sounding.jpg

Sigbee sounding machine

• developed around 1880

Tanner sounding machine

• developed around 1880

http://woodshole.er.usgs.gov/operations/sfmapping/images/theb0914_small.jpg

Sometimes the weight was tipped with wax to

retrieve a sample of bottom sediment.



V = speed of sound in

water

(about 1.5 km/sec)

T = time

Echo sounders sense the

contour of the

seafloor by

beaming sound

waves to the

bottom and

measuring the

time required for

the sound waves

to bounce back

to the ship.



Echo Sounding



Base de tempo Oscilador e Gerador de

impulsos

Transdutor

UNIDADE

INDICADORA

Amplificador de

recepção

Amplificador de

transmissão

Transdutor

Largura do

impulso

Largura do

feixe

ECOS

IMPULSO

Distância ao alvo = (te + tr)*c/2

te ‐ tempo de ida do impulso

tr ‐ tempo de retorno do impulso

c ‐ velocidade de propagação

Diagrama funcional da sonda acústica



SOund NAvigationand Ranging• Developed for tracking submarines during World

War II

• Improvements were

made when first‐generation echo sounding

could not penetrate into

deep canyons where enemy submarines were

hiding.

SONAR

Sverdrup, Duxbury, & Duxbury, An Introduction to the World’s Oceans, 8th ed., McGraw Hill, Fig. x



Sonar ‐ Sound Navigation And Ranging

• Paul Langevin (físico Francês – 1917)‐

localizarsubmarinos alemães

• Não foi usado antes do final da primeira guerra

mundial (1914–1918)

Esquema simplificado do sonar – O aparelho emite ultra‐sons (em vermelho) que atingem o objeto (em azul), sendo refletidas sobre a forma de eco (em

verde) e voltando ao aparelho receptor. Com base no tempo entre a emissão

e a recepção, é calculada a distância (r)

http://pt.wikipedia.org/wiki/Imagem:Sonar_Principle_pt-BR.svg

http://pt.wikipedia.org/wiki/Imagem:Sonar_Principle_pt-BR.svg



The Ocean Floor

Hand soundings:20/hour in 33’

1/ 4 hours at 13,000’

Echo sounding

(original):36,000/hr in 33’680/hr in 13,000’

Echo sounding(modern systems):

293,000/hr in 33’

20,000/hr in 13,000’

Braça : Antiga medida de comprimento. usada no comprimento das amarras

e das linhas de prumo. A que hoje ainda se usa tem cerca de 1,83 m .



• Sound waves are compressional

waves, longitudinal wave• Atoms in rock move

back and forth, parallel to the direction in which

the wave is traveling

• Less attenuation in water than EM

waves

Sonar; Sound Waves



• A transducer generates a pulse of sound

• The sound wave hits an object

and bounces back• Transducer: converts electrical

energy to mechanical

vibrations

Elements of SONAR

From www.ndt‐ed.org/education



Basic Sonar Systems

• Active – Echo Ranging Systems• Passive

– Listening Systems• Communications

– Underwater telephone

• Range of Penetration into the Medium.

• Ability to differentiate between

objects in the Medium.

• Speed of Propagation.



Concepts of Sound

• Three (3) elements required for this to

work

– Source – Medium – Detector (Receiver)

• The source VIBRATES causing a series of compressions and rarefactions in the

medium



Transmission Losses

Two main types:

• Spreading – Spherical (omni‐directional point source)

– Cylindrical (horizontal radiation only, or thermal layer, or large ranges compared to depth)

• Attenuation – Absorption

– Scattering and Reverberation



Transmission Losses (cont.)

• Attenuation

– Absorption

• Process of converting acoustic energy into heat.• Increases with higher frequency

– Scattering and Reverberation

• Volume: Marine life, bubbles, etc.

• Surface: Ocean surface, wind speed

• Bottom: – Not a problem in deep water.

– Significant problem in shallow water; combined

with refraction and absorption into bottom.



Speed of Sound in Seawater

V is dependent on:

• water

temperature

• salinity

• water pressure

Average speed of sound in seawater: 1500 m/s



Self Noise

• Machinery Noise – Pumps, reduction gears, power plant, etc.

• Flow Noise – High speed causes more noise

– Hull fouling ‐ Animal life on hull (not smooth) – Want LAMINAR flow

• Cavitation

– Low pressure area – Bubbles collapse, VERY NOISY



Screw Cavitation

Screw Speed, Pressure behind screw blades, Water Boils,Bubbles form, The subsequent collapsing of the bubbles cause

the noise.Going deep increases pressure so can go

faster without cavitating.

Water

Flow Water

Flow

Blade Tip

CavitationSheet Cavitation



Ambient Noise

• Hydrodynamic – Caused by the movement of water.

– Includes tides, current, storms, wind, rain, etc.

• Seismic

– Movement of the earth (earthquakes)• Biological – Produced by marine life

• Ocean Traffic

– At long ranges only low frequencies are present.



Dissolved Components in Seawater



Composition of Seawater

Salinity

Salinity is

the

total

amount

of

solid

material

dissolved in water

Typically expressed as a %

Dissolved substances

in

seawater

are

small

numbers

and therefore expressed in parts per thousand Most of the salt in seawater is sodium chloride

(table salt)



Composition of Seawater

Salinity

Processes affecting seawater salinity

Primarily due to changes in the water content of the solution

These include the addition of fresh water

due to precipitation, runoff, icebergs melting, and sea‐ice melting

The removal of fresh water by evaporation

and the formation of sea ice also affect salinity



Mapping the Ocean Floor

Multibeam

sonar

Employs and array of sound sources and

listening devices

Obtains a profile

of

a narrow

strip

of

seafloor

Measuring the shape of the ocean surface

from space

Employs satellites equipped with radar altimeters



Echo Sounder



Multibeam systems combine many echo sounders.

• up to 121 beams

• signal sent every 10 secs <200 research vessels are

equipped with multibeamsystems



Seabed contours can be mapped using satellites.

Satellites cannot

measure ocean

depths directly

• but, they can

measure sea surface

height



Gravitational attraction “pulls” water

Over a 2000 m seamount, water rises about 2

m

Seafloor

Sea surface



Ocean‐floor topography varies with location



Launching,Towing, and

Recovery ofROVs andAUVs

Wind Speed/ Direction System

CTD

Depth Finding System

Doppler Speed Log

NAVSTAR GPS

I-MET Sensors

AcousticPosition

Acoustic DopplerCurrent Profiler

HydrographicEcho Sounder

Deep Water MultibeamEcho Sounder

Shallow WaterMultibeam EchoSounder

Picture courtesy of Lockheed Martin

AcousticPositioning

System

OCEAN Class Sonar Systems

• EM 122 1 x 2 DegMultibeam

• EM 710 0.5 x 1 Deg

Multibeam• EA-600 Single Beam

Echosounders- 12,30 120, KHz

• HiPAP 500 - Acoustic PositioningSystem

• SBP 120 6 x 6Subbottom Profiler

• ADCP – 38, 150,300 KHz



Ultra‐Som e Intervalos Sonoros

20Hz 20000Hz

Infra-Sons Ultra-Sons Audição Humana

Elefantes(2 km)

Cão, morcegoE golfinho

• Som = Vibração da matéria;

• Transmissão:



Propagação do Som

• Objeto vibra = O movimento

das partículas carrega e

transmite a vibração.

• Expansão ‐ compressão e

corresponde à pressão máxima da propagação

sonora

• Contração ‐ rarefação e corresponde à pressão

mínima da propagação

sonora.



Esquema de Onda Sonora

Individualmenteas ondas sonorassão caracterizadas por:

• O comprimento de onda , é a menor distância que vai de uma

crista à outra ou de uma depressão à outra.• A amplitude é a distância que vai de uma crista ao eixo depropagação da onda. Pode ser também a distância do pontomáximo da depressão ao eixo de propagação.

• Período é o tempo gasto para que uma oscilação sejacompletada. No exemplo da figura 2, o período é de 1 segundo.

• A velocidade de propagação das ondas é constante para umdeterminado meio.

Esquema de Onda



Freqüência de uma Onda

• A frequência = número de oscilações por segundo;• A unidade é chamada de hertz (Hz).• As ondas tem a mesma frequência da fonte emissora,

independente do meio em que se propaga;• Período (inverso da frequência);

Esquema de Onda

F=1/T

T=1/F



What do we mean by ultrasound?

• Acoustic waves with frequencies above those which can be detected by the human ear. In

practice, 20 kHz < f < 200 MHz.

• An acoustic wave is a propagating disturbance in a medium, caused by local pressure changes at a transducer.

• The molecules of the medium oscillate about their resting (equilibrium) positions, giving rise to a longitudinal waves.

• c ≈ 1540 m/s ≡ 6.5 μs/cm in most body tissues• λ = c / f = 1.5 mm at 1 MHz.



Speed of sound• The speed of sound is a constant in a given material (at a

given temperature), but varies in different materials:

• Material Velocity ( m/s)

Air 330Water 1497

• Água doce 1435• Metal 3000 ‐ 6000

No vácuo, onde não existe o indispensável meio

material que o transporte, o som não se propaga.



Fenômenos Sonoros

Interface:

Transmitida;

Refletida;

Refratada...

Onda Sonora

•Comportamento do som;



Reflexão

• Quando encontra um meio que não pode ser contornado aonda "bate e volta“;

• Mudança de direção de propagação da energia ;

• Retorno da energia incidente em direção à região de onde ela éoriunda;

• O ângulo de incidência tem valor igual ao valor do ângulo de

reflexão;

Diagrama simples ilustrando o fenômeno da reflexão.

Ângulo deIncidência

Ângulo deReflexão

Normal

http://pt.wikipedia.org/wiki/Imagem:Reflexao.png






Reverberação

• Chama‐se reverberação o fato de tantas reflexõeschegarem ao ouvinte que ele não as pode distinguirumas das outras.

• É a chamada continuidade sonora e o que ocorre em

auditórios acusticamente mal planejados.

O som breve refletido chegaao ouvido antes que otímpano, já excitado pelo

som direto, tenha tempo dese recuperar da excitação(fase de persistênciaauditiva).

http://pt.wikipedia.org/wiki/Reverbera%C3%A7%C3%A3o

http://pt.wikipedia.org/wiki/Reverbera%C3%A7%C3%A3o



Refracção• A mudança da direção das ondas, devido a entrada em outro

meio;

• alteração da direção do feixe transmitido em relação ao feixe

incidente;• passagem da onda por meios com diferentes índices de

refração;

• mudança no comprimento e velocidade, freqüênciapermanece a mesma;

Refração do ar para a água

- Falta de ângulo

impede a refração eleva à reflexão



Difracção•A onda tem a capacidade de contornar obstáculos;

•A difração sonora é imensa por ter seu comprimento muito

grande ‐ enorme quando comparado com o comprimento deonda da luz



Interferência

• Representa a superposição de duas ou maisondas num mesmo ponto;

http://pt.wikipedia.org/wiki/Imagem:Onda.png



Interferência Construtiva

• caráter de reforço quando as fases combinam

(interferência construtiva).

Exemplo: Quando escutamos música em nosso lar, percebemos que certos locais no

recinto é melhor para se ouvir a música do que outros. Isto é porque nestes pontosas ondas que saem dos dois alto‐falantes sofrem interferência construtiva

Interferência construtiva



Interferência Destrutiva

• Caráter de aniquilação, quando as fases nãosão as mesmas (interferência destrutiva)

Ex: Ao contrário, os locais onde o som está ruim de ouvir é causado pela interferência destrutiva das ondas.

Interferência destrutiva



Impedância

Impedância acústica de alguns materiais

Material (106 Rayls)Ar 0,0004

Água 1,48

Todo meio material elástico oferece uma certa"resistência" à transmissão de ondas sonoras;



Mapping the ocean floor

Bathymetry – measurement of ocean

depths and the charting of the shape or topography of the ocean floor

Echo sounder (also referred to as sonar)

• Invented in the 1920s

• Primary instrument for measuring depth

• Reflects sound from ocean floor



Detected

school

School

NOT

detected

Use of the Sonar

U f th S



Use of the Sonar

Positioning & Orientation Systems for



50

Positioning & Orientation Systems for MultiBeam Hydrography

To generate the

digital map of

water depth…

… the sounder measures

the length of each

echo return path

The sounder must

be supplied with

the vessel position ...

...and the individual

beam pointing angles

i i i & O i i S



Caris200551

Positioning & Orientation System

Components

PCSPOS

Computingsystem

IMU Inertial Measurement System

GPS Antennae

h d d ff h b d



Echo Sounders Bounce Sound off the Seabed

M ltib S t C bi M



Multibeam Systems Combine Many

Echo Sounders

Multibeam systems can provide more accurate measurements than echo

sounders do. Multibeam systems collect data from as many as 121 beams to

measure the contours of the ocean floor.



Mapping the ocean floor

Multibeam sonar

• Employs and array of sound sources and

listening devices

• Obtains a profile of a narrow strip of seafloor

Measuring the shape of the ocean surface

from space

Multibeam sonar



Multibeam sonar



Careful converge to map the seafloor

Major topographic divisions of the



Major topographic divisions of the North

Atlantic

Ocean

The Ocean Floor



A. Single‐beamsonar

B. Multibeam sonar

Side Scan Sonar Fish



The Ocean Floor



Single‐beam echo sounder trace

The Ocean Floor



Example of multibeam echo soundings

The Ocean Floor



A PIC

sonar

(ultrasonic) range



( ) gfinding project using

a seven segment

display and

a PIC

micro

http://www.best-microcontroller-projects.com/support-files/pic-sonar.pdf

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