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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo D11 - Análisis Espectral de Señales Acústicas Subacuáticas
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:3112
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Propagación acústica subacuática
¿Qué medio físico transporta la señal y qué propiedades distinguen su propagación?
Grupo 2: Grupo 2: Transformación temporal-espectral
¿Cómo se transforma una señal de presión registrada en tiempo en contenido de frecuencia y potencia?
Grupo 3: Grupo 3: Vocalización y espectrograma
¿Cómo se resuelve en tiempo y frecuencia la estructura de vocalizaciones breves?
Grupo 4: Grupo 4: Cuantificación de intensidad acústica
¿Cómo se cuantifica la intensidad instantánea y la exposición acumulada?
Grupo 5: Grupo 5: Coherencia y dirección de llegada
¿Cómo permiten múltiples hidrófonos estimar la dirección de una fuente?
Grupo 6: Grupo 6: Ruido de fondo y espectro de Wenz
¿Cómo se comporta el fondo espectral oceánico y cómo se separan señales destacadas?
Grupo 7: Grupo 7: Detección e identificación biológica
¿Cómo se convierten los rasgos espectrales en detección e identificación de peces?
ID:1057
Grupo 1: Grupo 1: Propagación acústica subacuática
Descripción
¿Qué medio físico transporta la señal y qué propiedades distinguen su propagación?
Pregunta clave: ¿Qué medio físico transporta la señal y qué propiedades distinguen su propagación?
La acústica subacuática opera bajo el mismo principio físico que la acústica en el aire —ondas de presión que se propagan longitudinalmente a través del fluido— pero con diferencias importantes: el sonido se propaga en el agua a una velocidad mucho mayor que en el aire, cercana a los mil quinientos metros por segundo frente a los trescientos cuarenta metros por segundo del aire, el agua es un medio mucho más denso, y además el agua no ofrece ninguna interfaz libre de reflexión donde el sonido se disipe sin rebotar. El análisis espectral de señales acústicas subacuáticas caracteriza el contenido en frecuencias de los sonidos que producen los peces —su vocalización, la estridulación de ciertas estructuras corporales, la resonancia de la vejiga natatoria— y también del ruido ambiental presente en el agua marina o dulce, y con eso ofrece herramientas para identificar la especie que produjo un sonido, evaluar el comportamiento reproductivo de los peces y detectar el impacto del ruido antropogénico sobre ellos. Además de describir en qué frecuencias ocurre un sonido, el análisis espectral entrega dos indicadores estándar para cuantificar cuán intenso es ese sonido: el nivel de presión sonora, que mide la intensidad instantánea de una señal, y el nivel de exposición sonora, que integra esa intensidad a lo largo de la duración completa de la exposición. Cuando se cuenta con más de un hidrófono, la función de coherencia entre cada par de hidrófonos de la red permite además estimar la dirección desde la que llega una señal acústica, aplicando el principio de formación de haz: este principio combina, con distintos pesos, las señales captadas por los múltiples hidrófonos de la red para apuntar el conjunto hacia distintas direcciones del espacio y así detectar de dónde proviene cada fuente de sonido. Para analizar esos sonidos, el análisis espectral transforma la señal de presión acústica registrada en el tiempo hacia el dominio de las frecuencias, mediante la transformada discreta de Fourier o mediante su versión computacionalmente más eficiente, la transformada rápida de Fourier.
ID:5251
Grupo 2: Grupo 2: Transformación temporal-espectral
Descripción
¿Cómo se transforma una señal de presión registrada en tiempo en contenido de frecuencia y potencia?
Pregunta clave: ¿Cómo se transforma una señal de presión registrada en tiempo en contenido de frecuencia y potencia?
Para analizar esos sonidos, el análisis espectral transforma la señal de presión acústica registrada en el tiempo hacia el dominio de las frecuencias, mediante la transformada discreta de Fourier o mediante su versión computacionalmente más eficiente, la transformada rápida de Fourier. El resultado de esa transformación es la densidad espectral de potencia de la señal, que describe cómo se reparte la potencia total de la señal entre las distintas frecuencias que la componen. Para las señales de vocalización de los peces, que típicamente son pulsos breves con frecuencias de entre cien y mil hercios, en vez de calcular una única densidad espectral de potencia para toda la grabación se calcula un espectrograma, obtenido con una transformada de Fourier de tiempo corto que se repite en ventanas sucesivas a lo largo de la grabación. El comportamiento esperado en el ruido oceánico de fondo es que su densidad espectral de potencia siga el espectro de Wenz, que decae de forma pronunciada, alrededor de veinte decibeles por cada década de frecuencia, tanto para el ruido de origen humano como para el de origen biológico. Además de describir en qué frecuencias ocurre un sonido, el análisis espectral entrega dos indicadores estándar para cuantificar cuán intenso es ese sonido: el nivel de presión sonora, que mide la intensidad instantánea de una señal, y el nivel de exposición sonora, que integra esa intensidad a lo largo de la duración completa de la exposición.
ID:5252
Grupo 3: Grupo 3: Vocalización y espectrograma
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¿Cómo se resuelve en tiempo y frecuencia la estructura de vocalizaciones breves?
Pregunta clave: ¿Cómo se resuelve en tiempo y frecuencia la estructura de vocalizaciones breves?
Ese espectrograma revela cómo cambia el contenido en frecuencias a lo largo del tiempo, permitiendo identificar cada pulso de vocalización, su frecuencia fundamental, los armónicos que la acompañan y la estructura temporal completa de esa vocalización. Para las señales de vocalización de los peces, que típicamente son pulsos breves con frecuencias de entre cien y mil hercios, en vez de calcular una única densidad espectral de potencia para toda la grabación se calcula un espectrograma, obtenido con una transformada de Fourier de tiempo corto que se repite en ventanas sucesivas a lo largo de la grabación. Para analizar esos sonidos, el análisis espectral transforma la señal de presión acústica registrada en el tiempo hacia el dominio de las frecuencias, mediante la transformada discreta de Fourier o mediante su versión computacionalmente más eficiente, la transformada rápida de Fourier. El análisis espectral de señales acústicas subacuáticas caracteriza el contenido en frecuencias de los sonidos que producen los peces —su vocalización, la estridulación de ciertas estructuras corporales, la resonancia de la vejiga natatoria— y también del ruido ambiental presente en el agua marina o dulce, y con eso ofrece herramientas para identificar la especie que produjo un sonido, evaluar el comportamiento reproductivo de los peces y detectar el impacto del ruido antropogénico sobre ellos.
ID:5253
Grupo 4: Grupo 4: Cuantificación de intensidad acústica
Descripción
¿Cómo se cuantifica la intensidad instantánea y la exposición acumulada?
Pregunta clave: ¿Cómo se cuantifica la intensidad instantánea y la exposición acumulada?
Además de describir en qué frecuencias ocurre un sonido, el análisis espectral entrega dos indicadores estándar para cuantificar cuán intenso es ese sonido: el nivel de presión sonora, que mide la intensidad instantánea de una señal, y el nivel de exposición sonora, que integra esa intensidad a lo largo de la duración completa de la exposición.
ID:5254
Grupo 5: Grupo 5: Coherencia y dirección de llegada
Descripción
¿Cómo permiten múltiples hidrófonos estimar la dirección de una fuente?
Pregunta clave: ¿Cómo permiten múltiples hidrófonos estimar la dirección de una fuente?
Cuando se cuenta con más de un hidrófono, la función de coherencia entre cada par de hidrófonos de la red permite además estimar la dirección desde la que llega una señal acústica, aplicando el principio de formación de haz: este principio combina, con distintos pesos, las señales captadas por los múltiples hidrófonos de la red para apuntar el conjunto hacia distintas direcciones del espacio y así detectar de dónde proviene cada fuente de sonido.
ID:5255
Grupo 6: Grupo 6: Ruido de fondo y espectro de Wenz
Descripción
¿Cómo se comporta el fondo espectral oceánico y cómo se separan señales destacadas?
Pregunta clave: ¿Cómo se comporta el fondo espectral oceánico y cómo se separan señales destacadas?
El comportamiento esperado en el ruido oceánico de fondo es que su densidad espectral de potencia siga el espectro de Wenz, que decae de forma pronunciada, alrededor de veinte decibeles por cada década de frecuencia, tanto para el ruido de origen humano como para el de origen biológico. El análisis espectral de señales acústicas subacuáticas caracteriza el contenido en frecuencias de los sonidos que producen los peces —su vocalización, la estridulación de ciertas estructuras corporales, la resonancia de la vejiga natatoria— y también del ruido ambiental presente en el agua marina o dulce, y con eso ofrece herramientas para identificar la especie que produjo un sonido, evaluar el comportamiento reproductivo de los peces y detectar el impacto del ruido antropogénico sobre ellos. Sobre ese fondo decreciente, las vocalizaciones de los peces se detectan justamente como picos espectrales que se elevan por encima de él, picos que, siguiendo el mismo análisis espectral descrito al comienzo de este modelo, permiten identificar la especie que los produjo.
ID:5256
Grupo 7: Grupo 7: Detección e identificación biológica
Descripción
¿Cómo se convierten los rasgos espectrales en detección e identificación de peces?
Pregunta clave: ¿Cómo se convierten los rasgos espectrales en detección e identificación de peces?
El análisis espectral de señales acústicas subacuáticas caracteriza el contenido en frecuencias de los sonidos que producen los peces —su vocalización, la estridulación de ciertas estructuras corporales, la resonancia de la vejiga natatoria— y también del ruido ambiental presente en el agua marina o dulce, y con eso ofrece herramientas para identificar la especie que produjo un sonido, evaluar el comportamiento reproductivo de los peces y detectar el impacto del ruido antropogénico sobre ellos. Sobre ese fondo decreciente, las vocalizaciones de los peces se detectan justamente como picos espectrales que se elevan por encima de él, picos que, siguiendo el mismo análisis espectral descrito al comienzo de este modelo, permiten identificar la especie que los produjo. Para las señales de vocalización de los peces, que típicamente son pulsos breves con frecuencias de entre cien y mil hercios, en vez de calcular una única densidad espectral de potencia para toda la grabación se calcula un espectrograma, obtenido con una transformada de Fourier de tiempo corto que se repite en ventanas sucesivas a lo largo de la grabación. El comportamiento esperado en el ruido oceánico de fondo es que su densidad espectral de potencia siga el espectro de Wenz, que decae de forma pronunciada, alrededor de veinte decibeles por cada década de frecuencia, tanto para el ruido de origen humano como para el de origen biológico.
ID:5257