Dispositivos pasivos submarinos (Hidrófonos)

Todos los buques producen sonidos cuando navegan, incluso estando parados emiten ruidos, esos pueden ser producidos por las hélices, los motores, y toda la maquinaria que hay abordo de un buque (bombas de achique...). Estos sonidos (ruidos) se propagan en el agua, ya sea directamente el ruido producido por las hélices o de la maquinaria a través del casco, en todas las direcciones y pueden ser captados a gran distancia.

La principal fuente de ruido son las hélices. Las hélices producen un sonido regular, rítmico y también producen un sonido de alta frecuencia producido por la cavitación que aumenta al aumentar la velocidad (revoluciones) de la hélice.
Estos ruidos pueden ser captados mediante los equipos adecuados. Como las bajas frecuencias se atenúan menos al cruzar el agua que las altas frecuencias, pueden ser “escuchadas” a mayor distancia. Por otra parte, las altas frecuencias permiten obtener con mayor precisión la procedencia (posición) del ruido.

La propagación de las ondas sonoras en el agua y alrededor de un buque en movimiento ha sido estudiada con detenimiento. El sonido en el agua se propaga unas 4.5 veces más rápido (y mejor) que en el aire, pero varios factores pueden hacer que este valor no sea siempre el mismo. L.E.Kinsler en su trabajo “Fundamentals of Acoustic” (Fundamentos de la Acústica) propone la siguiente fórmula:

C= 1410 + 4.21t – 0.037t² +11s + 0.018d

Donde C es la velocidad del sonido (en metros por segundo) t es la temperatura (en grados Celsius) s es la salinidad y d es la profundidad del agua (en metros).

El alcance del sonido y por lo tanto la posibilidad de ser captado depende de todos esos factores, de la estratificación del agua y de la sensibilidad del equipo utilizado para captar el sonido.

La función de los sistemas de escucha y detección submarina es la de determinar con la mayor precisión posible la distancia y el rumbo (o posición) del buque analizado.


Antecedentes

Durante la Primera Guerra Mundial los sumergibles alemanes (uboote) estaban equipados con los denominados “Geräuschemptangern” (micrófonos de carbón, parecidos a los utilizados en los teléfonos antiguos). Estos micrófonos estaban situados en diferentes sitios a lo largo del casco para de este modo poder captar el ruido producido por las hélices de los buques. La dirección de procedencia del sonido captado se determinaba conectando o desconectando individualmente los micrófonos (o varios de ellos) se trataba pues de un primitivo hidrófono.

En 1918 la Kaiserliche Marine patentaría un dispositivo con el que se podía determinar la localización y procedencia del ruido captado, al estilo de un radiogoniómetro. (Reichspatentamt, Nr.320/29 de Agosto de 1918, “Verfahren sur Richtungsbestimmung van Schallsignalen”). Ya existía un sistema para “visualizar” mediante un dial circular la procedencia del sonido (aunque muy primitivo) que luego sería mejorado por el grupo Horch y denominado GHA o GHG (Gruppen Horch Gerät) aunque no lograría cumplir con las expectativas creadas, que eran las de abarcar el mayor rango de frecuencias posible, y que durante muchos años no sería modificado a pesar de sus limitaciones. El dispositivo todavía no podía determinar la distancia.

Los micrófonos de carbón (Geräuschemptangern) utilizados en la primera guerra mundial no daban los resultados deseados y se empezó a experimentar con otros tipos de transductores (Un transductor es un dispositivo que transforma en este caso la energía sonora –presión- en impulsos eléctricos, un micrófono es un transductor). Primero se probaron transductores Electro-dinámicos pero no funcionaban correctamente debido a su elevada resonancia. Al final la solución idónea fue utilizar transductores Piezoeléctricos, cuyo funcionamiento descubriría en 1880 Pierre Curie, y que consistía en aprovechar las propiedades de los cristales de cuarzo que adquieren carga positiva o negativa cuando son sometidos a presiones mecánicas.

Explicar brevemente que un transductor es un dispositivo electrónico que permite transformar un tipo de energía en otro. Un ejemplo es un micrófono.
La piezoelectricidad es un fenómeno reversible que se manifiesta en ciertos cristales. Al deformarlos por efectos de una presión mecánica producen una corriente eléctrica. Atravesados por una corriente eléctrica, se deforman.



En cooperación con la Kaiserliche Marine, las empresas Atlaswerke A.G. de Bremen y la Electroacustik de Kiel empezaron a trabajar con los transductores piezoeléctricos (micrófonos piezoeléctricos) y en el desarrollo de equipos de detección y escucha en general.

Experimentaron con varios tipos de cuarzo distintos o combinaciones de varios de ellos. La formula que dio un mejor resultado fue una mezcla de varios cuarzos [KNa(C4H4O6)4H2O].

Esta combinación de cuarzos conseguía una sensibilidad, en el rango de frecuencias de audio (20Hz a 20Khz), de 0.1mV/bar. La superficie del transductor era solo de unos 5cm de diámetro.
Como la velocidad del sonido en el agua es de 1.500 m/s las ondas sónicas que producen las  frecuencias ente los 1.000 y los 15.000 Hertzios (1Khz a 15KHz) varían entre los 1.5 metros a los 0.1 metros. Esto quiere decir que tenemos unas ondas sónicas que varían entre los 5cm y los 1.5 metros. A causa de lo anterior con sólo un transductor no es posible determinar con exactitud la dirección de procedencia del sonido y más si tenemos que controlar la procedencia de varios sonidos procedentes de direcciones distintas.

En un sistema formado por varios transductores (hidrófono) es necesario agrupar los transductores de manera que puedan captar toda la gama de frecuencias. Hay dos maneras de agruparlos:

  1. El método de “base giratoria” en que todos los transductores se instalan en una estructura horizontal que puede girarse para determinar el punto de máxima recepción (el sistema visualmente es parecido a un radar).
    El sistema se denominaba KDB (Kristall-Dreh-Basis-Geräuschpeilage).

  2. El método “compensado” en que los transductores están fijos y que la “rotación” que en el método anterior era manual, se consigue por métodos electrónicos aplicando un retraso entre transductor y transductor y de este modo abarcar todo el entorno. Denominado GHG (Gruppen-Horch-Geräte-Anlage).

Los dos sistemas serían utilizados en los uboot de la Segunda Guerra Mundial. En el primero de ellos el sistema estaba instalado en la cubierta y era muy vulnerable a los ataques con cargas de profundidad. El segundo de ellos estaba instalado a proa en la parte inferior del casco siendo más robusto y efectivo.


Kristall Dreh Basis Geräuschpeilage (KDB)
Este hidrófono consistía en un grupo de seis transductores montados en línea recta y separados unos 8 cm. Esto formaba una superficie de recepción horizontal de unos 50cm de longitud.
Más tarde el grupo de transductores (denominados Streifengruppe) aumentaron en número y se montaron agrupados en unas placas de unos 36cm de longitud y 4 cm. de altura. A más transductores mayor recepción y precisión.

La base del hidrófono se hacia girar manualmente o por control remoto y de este modo la fuente del sonido podía determinarse con una precisión de varios grados en condiciones óptimas. Mediante unos filtros eléctricos era posible eliminar las bajas frecuencias y de este modo determinar con mayor claridad los ruidos de más alta frecuencia. Las hélices que giran más rápido, por ejemplo las de los buques de guerra, emiten un sonido de más alta frecuencia (agudo) que las de los mercantes que navegan más lentos y sus hélices son más lentas produciendo un sonido de más baja frecuencia (grave o bajo).
Los hidrófonos KDB inicialmente fueron diseñados para ser instalados en buques de superficie, pero también serían utilizados en los sumergibles. Especialmente eran muy efectivos en localizar a otros sumergibles.
A causa de que el ruido producido por el propio roce del agua aumenta al aumentar la velocidad del sumergible el hidrófono KDB sólo era efectivo a velocidades más bajas de 6 nudos. Estos problemas se solucionaron en parte al montar el hidrófono dentro de una estructura hidrodinámica.


Gruppen Horch Geräte Anlage (GHG)

El problema de obtener una buena recepción navegando a alta velocidad sólo podía solucionarse instalando los grupos de receptores fijos en el casco del sumergible ya sea en la proa o a lo largo de la quilla. Se utilizó una mezcla de las dos opciones.

Cuando un sonido llega con un ángulo determinado este reacciona de diferente manera al chocar con una parte u otra del casco. Por ejemplo, un sistema de seis receptores montados en línea recta si recibían un sonido procedente de la derecha, los transductores recibirían el sonido uno detrás del otro con una determinada diferencia de tiempo entre uno y otro.
Un sistema electrónico de retraso se situaba entre los diferentes receptores y de este modo mediante un sistema de conectores que se activaban o desactivaban cuando el operario hacia girar un volante (donde una flecha indicaba la posición) era posible determinar de donde procedía el sonido.

Por encima del hidroplano del U99 podemos ver el grupo de transductores del Hidrófono. Loscuatro de mayor tamaño son los transductores del sistema de telefonía submarina.

El primer hidrófono GHG, equipado con transductores electrodinámicos, sería instalado en 1925 en varios buques de línea. Originalmente se montaban “líneas” de 2x6 o 2x12 receptores que estaban colocados en el casco a ambos lados, en la quilla, lo más lejos posible de la línea de flotación (y obviamente debajo de ella).
Este sistema de líneas de transductores ofrecía una excelente cobertura lateral y diagonal pero era poco  eficaz para determinar la procedencia de los sonidos a proa o popa.
Para solucionar este problema, se experimentó variando el posicionamiento de los transductores. La solución ideal era colocar los transductores en la quilla siguiendo un arco en la proa, y de este modo se cubría toda la parte frontal, y una serie de transductores situados a continuación de los primeros. Así se “abrazaba” la proa del buque.

Los primeros sumergibles equipados con el sistema GHG (en 1935) disponían de dos líneas de 12 transductores. El sistema evolucionó y en 1939 se montaban ya dos sistemas de 24 receptores.
La instrucción de los operarios del sistema tenía lugar en el U-boot Abwehrschule (Escuela de defensa submarina) utilizando primero ruidos grabados y después practicando dentro del propio uboot.



En condiciones favorables un uboot en silencio podía captar los siguientes “ruidos”:

  • Un destructor navegando a 20 nudos a una distancia de entre 6 y 12 millas con una precisión de 1 grado.
  • Un mercante navegando a una velocidad de 10 nudos a una distancia de entre 4 y 8 millas con una precisión de 1 grado.
  • Un convoy podía ser detectado a gran distancia.
Por poner un ejemplo, los hidrófonos del crucero pesado Prinz Eugen detectaron al acorazado Hood a una distancia de 20 millas (37 Km).


Gruppen Horch Geräte Anlage (GHG)

El problema de obtener una buena recepción navegando a alta velocidad sólo podía solucionarse instalando los grupos de receptores fijos en el casco del sumergible ya sea en la proa o a lo largo de la quilla. Se utilizó una mezcla de las dos opciones.

Cuando un sonido llega con un ángulo determinado este reacciona de diferente manera al chocar con una parte u otra del casco. Por ejemplo, un sistema de seis receptores montados en línea recta si recibían un sonido procedente de la derecha, los transductores recibirían el sonido uno detrás del otro con una determinada diferencia de tiempo entre uno y otro.
Un sistema electrónico de retraso se situaba entre los diferentes receptores y de este modo mediante un sistema de conectores que se activaban o desactivaban cuando el operario hacia girar un volante (donde una flecha indicaba la posición) era posible determinar de donde procedía el sonido.

El primer hidrófono GHG, equipado con transductores electrodinámicos, sería instalado en 1925 en varios buques de línea. Originalmente se montaban “líneas” de 2x6 o 2x12 receptores que estaban colocados en el casco a ambos lados, en la quilla, lo más lejos posible de la línea de flotación (y obviamente debajo de ella).
Este sistema de líneas de transductores ofrecía una excelente cobertura lateral y diagonal pero era poco  eficaz para determinar la procedencia de los sonidos a proa o popa.
Para solucionar este problema, se experimentó variando el posicionamiento de los transductores. La solución ideal era colocar los transductores en la quilla siguiendo un arco en la proa, y de este modo se cubría toda la parte frontal, y una serie de transductores situados a continuación de los primeros. Así se “abrazaba” la proa del buque.


Evolución

A causa de la importancia del hidrófono en los uboote se efectuaron continuas evoluciones para mejorar la calidad de los equipos. El rumbo y el nivel de ruido captado procedente del buque seguido y el efecto del sonido tras rebotar en el fondo marino eran factores que determinaban la calidad de un sistema de hidrófonos. Se tomaban constantes datos de toda clase de buques navegando a diferentes velocidades, condiciones atmosféricas, estados del mar... desde uboote en la zona de Bornholm. Estos datos eran estudiados minuciosamente para determinar cual era la mejor posición para colocar los receptores, la mejor forma del casco etc.…
Todo ello era necesario para llegar a un compromiso favorable entre el ruido que era necesario escuchar y el ruido que se tenía que discriminar.

Ya avanzada la guerra se introdujo en los uboote lo que se denominó “balcón” que era una estructura donde estaban instalados los transductores. Este diseño había sido solicitado por el Oberkommando der Marine para conseguir que los uboote pudieran “oír” tanto en inmersión como estando en la superficie. En este “balcón” las dos filas de transductores estaban separadas unos 30 cm. Esta disposición permitía abarcar continuamente todas las zonas, aunque existía una zona de “sombra” situada entre los 150 y los 210 grados.


El incremento de la velocidad máxima en inmersión conseguida en los submarinos de los Tipo XXI (21) y XXIII (23) y también en los submarinos Walter (Tipos XVII y XXVI) obligó a instalar el “balcón” en una posición más retrasada y que sobresaliera lo menos posible para mantener unas buenas condiciones hidrodinámicas. El “balcón” está construido por laminas de acero del tipo V2A de 3mm de grosor.
Por poner un ejemplo; a causa del aumento de velocidad, en un submarino del Tipo XXVI, se instalaban 4 grupos de 48 transductores (196 en total) situados en 8 hileras horizontales.
Hubo estudios para incrementar el alcance de detección de los hidrófonos implementando transductores que permitieran captar las frecuencias entre los 100Hz y los 200Hz. Ninguno de estos sistemas vería la luz.

La mayor dificultad era determinar la distancia del objetivo detectado. Había un gran temor en utilizar dispositivos activos para este cometido y por eso se siguió investigando y desarrollando sistemas pasivos.  
Se desarrolló un proyecto denominado “Felchen” que se basaba en la teoría de que partiendo de una distancia determinada conocida (en la que en cada extremo hay situado un receptor) se pueden calcular los ángulos hacia el objetivo y a partir de ellos determinar su distancia.

Además del sistema “Felchen” que no estuvo listo antes de finalizar la contienda hubo otros proyectos:

  • “NHG” y “TAG”: Sistema de alarma que detectaba la aproximación de un torpedo.
  • “WB-Gerät”: Un sistema pasivo para determinar la distancia a la que son lanzadas las cargas de profundidad enemigas.
  • “Dorsch”: Una boya acústica para ampliar la distancia de escucha.
  • “SP-Anlage”: Un sistema que permitiría a un uboot sumergido determinar la distancia y rumbo de un objetivo.
    Este sistema, en teoría, permitiría a un uboot atacar a un destructor (por ejemplo) mediante cohetes. El método para determinar la posición del objetivo era utilizando dos sistemas S-Angalen. El uboot permanecería sumergido a unos 70 metros y la distancia al objetivo se determinaría calculando los ángulos de incidencia al objetivo dado por los S-Angalen. Las pruebas realizadas fueron muy satisfactorias.

Nota de U-Historia:
Os recomendamos consultar el siguiente artículo para ampliar la información sobre el GHG:
Algunos aspectos apenas conocidos del GHG, el aparato de escucha de los uboote

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