Acústica submarina: ruido radiado e hincado de pilotes

El sonido submarino se refiere a 1 µPa (no los 20 µPa de la acústica en aire), y su exposición a 1 µPa²·s. Esta página cubre los niveles de referencia de la ISO 18405 realizados como primitivos compartidos, el nivel de ruido radiado de buques y el nivel de fuente monopolar equivalente de la ISO 17208, y la exposición sonora por golpe, de pico y acumulada del hincado de pilotes por percusión de la ISO 18406. Toda magnitud es una forma cerrada exacta, verificada analíticamente.

1. Niveles de referencia (ISO 18405)

Tres primitivos, referidos a 1 µPa, se calculan desde una señal de presión capturada (en Pa):

$$\mathrm{SPL}=10\lg \frac{⟨p^2⟩}{p_0^2},\mathrm{SEL}=10\lg \frac{\int p^{2}dt}{E_0},L_{p,\mathrm{pk}}=20\lg \frac{\max |p|}{p_0},$$

con p₀ = 1 µPa y E₀ = 1 µPa²·s. El nivel de presión acústica es el nivel cuadrático medio (ISO 18406 Fórmula 7); el nivel de exposición sonora integra la presión al cuadrado sobre el registro (Fórmulas 3–4); el nivel de pico es el valor de cero a pico.

from phonometry import underwater

spl = underwater.sound_pressure_level(pressure)        # dB re 1 µPa
sel = underwater.sound_exposure_level(pressure, fs)     # dB re 1 µPa²·s
pk = underwater.peak_sound_pressure_level(pressure)     # dB re 1 µPa

Para re-referenciar un nivel entre las convenciones submarina (1 µPa) y aérea (20 µPa), que supone un desplazamiento de 20·lg(20) ≈ 26,02 dB y no una equivalencia de energía/intensidad, usa underwater_to_in_air_spl / in_air_to_underwater_spl. Para restar el ruido de fondo, reutiliza el background_noise_correction (K1) de la ISO 3744.

2. Ruido radiado y nivel de fuente de buques (ISO 17208-1/-2)

Un buque de superficie medido en aguas profundas se describe primero por su nivel de ruido radiado y después por un nivel de fuente monopolar equivalente:

$$L_{\mathrm{RN}}=20\lg \frac{p_{\mathrm{rms}}}{p_0}+20\lg \frac{r}{r_0}\mathrm{dB}\mathrm{re}1\mu \mathrm{Pa}\cdot \mathrm{m},L_s=L_{\mathrm{RN}}+\Delta L,$$

donde la corrección de superficie de Lloyd’s mirror (ISO 17208-2 Fórmula 3) para una profundidad de fuente nominal d_s = 0,7·D (D = calado medio) y u = k·d_s, k = 2πf/c, es

$$\Delta L=-10\lg \frac{2u^4+14u^2}{14+2u^2+u^4}\mathrm{dB}.$$

ΔL diverge a u bajo (rasante / baja frecuencia) y tiende a −10·lg(2) = −3,01 dB cuando u → ∞. El nivel de fuente reportado es un valor monopolar equivalente de través y debe indicarse junto con su profundidad de fuente.

Ver el código de esta figura

import numpy as np
from phonometry import underwater

freqs = np.array([20, 25, 31.5, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315,
                  400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150,
                  4000, 5000, 6300, 8000, 10000, 12500, 16000, 20000.0])
rnl = 175.0 - 12.0 * np.log10(freqs / 20.0)
res = underwater.monopole_source_level(rnl, freqs, draught=6.0)
res.plot(language="es")

from phonometry import underwater

lrn = underwater.radiated_noise_level(2e-6, 100.0)   # p_rms = 2 µPa, r = 100 m
res = underwater.monopole_source_level(lrn, 200.0, draught=6.0)
print(res.source_level, res.surface_correction, res.source_depth)
res.plot()   # RNL, Ls y ΔL en función de la frecuencia (necesita matplotlib)

hydrophone_depths da las tres profundidades de medida de la ISO 17208-1 a partir de los ángulos de depresión 15°/30°/45°, y source_level_uncertainty la incertidumbre expandida tabulada (5 dB ≤100 Hz, 3 dB 125 Hz–16 kHz, 4 dB

16 kHz).

Lo que convierte estas formas cerradas en un número comparable es la disciplina de medida con que la ISO 17208-1 las envuelve. El buque recorre un rumbo recto frente a una línea vertical de tres hidrófonos con un punto de máxima aproximación de 100 m o una eslora, lo que sea mayor, en aguas de al menos 150 m o 1,5 esloras de profundidad para que el fondo quede fuera de la escena (apartados 5.2, 5.4). Solo puntúa la ventana de datos de ±30° alrededor del CPA: el promediado corre mientras el buque cruza una ventana de longitud $2d_{CPA}\tan 30°$ (aproximadamente 1,15 distancias de CPA), centrada en el aspecto de través para el que se define el nivel de ruido radiado (apartado 3, figura 3). Se exigen cuatro pasadas, dos por banda; los tres niveles de hidrófono de cada pasada se promedian en potencia (fórmula 8), las pasadas se promedian después aritméticamente (fórmula 9), y babor y estribor se reportan también por separado, porque un buque real no radia de forma simétrica (apartado 6.5). El ruido de fondo se mide al principio y al final de cada periodo de ensayo y se aplica por banda la corrección al estilo de la ISO 3744; el límite de viento recomendado es de 20 kn para buques de más de 100 m (apartado 5.3). Si se omite algo de esto, el número que se cita es un nivel, pero no un nivel de ruido radiado ISO 17208.

3. Sonido del hincado de pilotes (ISO 18406)

El hincado de pilotes por percusión radia un pulso impulsivo por cada golpe de martillo. Cada golpe tiene un nivel de exposición sonora por golpe SEL_ss; a lo largo de una secuencia de hincado las exposiciones se suman en un nivel de exposición sonora acumulado:

$$\mathrm{SE}{\mathrm{L}}_{\mathrm{cum}}=10\lg \sum _{n}10^{{\mathrm{SEL}}_n/10},\text{y para }N\text{ golpes ideˊnticos }=\mathrm{SE}{\mathrm{L}}_{\mathrm{ss}}+10\lg N.$$

Ver el código de esta figura

import numpy as np
from phonometry import underwater

fs = 48000
t = np.arange(int(0.3 * fs)) / fs
envelope = np.where(t < 0.01, t / 0.01, np.exp(-(t - 0.01) / 0.04))
pressure = 8000.0 * envelope * np.sin(2 * np.pi * 180.0 * t)
res = underwater.pile_strike_metrics(pressure, fs)
res.plot(language="es")

from phonometry import underwater

sel_ss = underwater.single_strike_sel(strike_pressure, fs)   # dB re 1 µPa²·s
sel_cum = underwater.cumulative_sel_identical(sel_ss, 2000)   # 2000 golpes
res = underwater.pile_strike_metrics(strike_pressure, fs)
print(res.single_strike_sel, res.peak_spl, res.pulse_duration)
res.plot()   # forma de onda + energía acumulada (necesita matplotlib)

pile_strike_metrics agrupa el SEL por golpe, el nivel de pico, el SPL/Leq y la duración de pulso al 90 % de energía de un golpe registrado; cumulative_sel suma una secuencia de SEL por golpe distintos.

Estas son las métricas en que está escrita la regulación. La ISO 18406 existe porque las cimentaciones de parques eólicos marinos, de plataformas de hidrocarburos y de puentes se autorizan bajo marcos de evaluación de impacto ambiental que exigen monitorizar el sonido radiado, y su alcance se dibuja en consecuencia: hincado percusivo en aguas de 4 a 100 m, con el vibrohincado y las tablestacas excluidos (apartado 1). La campaña mínima es una posición de medida lo más cerca posible de 750 m del pilote, registrando la secuencia de hincado completa y reportando la distancia real; el estándar es explícito en que los 750 m se eligen por comparabilidad con el gran cuerpo de medidas existente, no porque el límite de ningún regulador viva ahí, y en que un nivel a una sola distancia no tiene valor predictivo para otros emplazamientos (apartado 6.1.2, notas 1-2). Los criterios de impacto sobre la fauna marina se formulan exactamente en las magnitudes de esta sección, un tope al SEL por golpe o acumulado y al nivel de pico a una distancia declarada, y por eso pile_strike_metrics los reporta juntos y cumulative_sel sigue la suma energética golpe a golpe de las fórmulas 8-9.

Qué cubre esta guía

Cubierto. La ISO 18405:2017 para los niveles de referencia re 1 µPa y 1 µPa²·s: sound_pressure_level, sound_exposure_level y peak_sound_pressure_level. Las ISO 17208-1:2016 e ISO 17208-2:2019 para el nivel de ruido radiado del buque y el nivel de fuente monopolar equivalente: radiated_noise_level y monopole_source_level, con la corrección de superficie de Lloyd’s mirror (fórmula 3) y la profundidad de fuente de 0,7·calado (fórmula 1), la geometría de tres hidrófonos (hydrophone_depths) y la incertidumbre tabulada del nivel de fuente (source_level_uncertainty). La ISO 18406:2017 para las métricas de hincado de pilotes de la sección 3: la exposición sonora por golpe (fórmulas 3-4), el SPL cuadrático medio (fórmula 7) y la exposición sonora acumulada (fórmulas 8-9), que calculan single_strike_sel, cumulative_sel, cumulative_sel_identical y pile_strike_metrics.

No cubierto. La disciplina de medida de la ISO 17208-1 en sí no está implementada: el promediado en potencia y aritmético de cuatro pasadas y tres hidrófonos (fórmulas 8-9), las comprobaciones de geometría de CPA y profundidad de agua, el puntuado de la ventana de datos de ±30° y la corrección de ruido de fondo al estilo ISO 3744 descrita en la sección 2 anterior quedan a cargo del lector; la biblioteca solo aporta las fórmulas cerradas radiated_noise_level y monopole_source_level. La propia ISO 18406 excluye el vibrohincado y las tablestacas de su alcance (apartado 1), así que el ruido del hincado continuo no tiene forma cerrada aquí ni en ningún otro lugar de phonometry.

Véase también

• Referencia de la API: underwater.acoustics, underwater.pile_driving_noise y underwater.ship_radiated_noise.
• El modelado general de propagación submarina (rayos, modos normales, ecuación parabólica) se cubre en Propagación submarina del sonido.

Referencias

• Ainslie, M. A. (2010). Principles of sonar performance modelling. Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-540-87662-5El tratamiento sistemático de las magnitudes acústicas submarinas en la línea que la ISO 18405 normalizó; sustenta los niveles de referencia y el nivel de fuente de las secciones 1-2.
• International Organization for Standardization. (2016). Underwater acoustics — Quantities and procedures for description and measurement of underwater sound from ships — Part 1: Requirements for precision measurements in deep water used for comparison purposes (ISO 17208-1:2016). El nivel de ruido radiado, la geometría de tres hidrófonos en aguas profundas y la incertidumbre tabulada del nivel de fuente de la sección 2.
• International Organization for Standardization. (2017). Underwater acoustics — Measurement of radiated underwater sound from percussive pile driving (ISO 18406:2017). La exposición sonora por golpe (Fórmulas 3–4), de pico y acumulada (Fórmulas 8–9) de la sección 3, y el nivel de presión acústica cuadrático medio (Fórmula 7) de la sección 1.
• International Organization for Standardization. (2017). Underwater acoustics — Terminology (ISO 18405:2017). Las referencias de 1 µPa (presión) y 1 µPa²·s (exposición) y las definiciones de nivel de presión acústica, nivel de exposición sonora y nivel de pico.
• International Organization for Standardization. (2019). Underwater acoustics — Quantities and procedures for description and measurement of underwater sound from ships — Part 2: Determination of source levels from deep water measurements (ISO 17208-2:2019). El nivel de fuente monopolar equivalente mediante la corrección de superficie de Lloyd's mirror (Fórmula 3) para una profundidad de fuente de 0,7·calado.
• Urick, R. J. (1983). Principles of underwater sound (3.ª ed.). McGraw-Hill. Reimpreso en 1996 por Peninsula Publishing. ISBN 978-0-932146-62-5. Ficha en Open Library (https://openlibrary.org/books/OL9317725M). El tratamiento clásico de los niveles de sonido submarino y del ruido radiado por buques que sustenta las convenciones de referencia de las secciones 1-2.