Ultrasonic transducer design: Feasibility as parametric echosounder in shallow water

Abstract

In recent decades, acoustic techniques have become the most appropriate tools for biomass estimation in the fishing industry. This is because acoustic waves are the only waves that can be used for remote sensing in the aquatic environment due to their low attenuation compared to electromagnetic waves, which are usually used in long-distance communications in the atmosphere. Ultrasonic echo sounders allow sampling of water columns and cover large areas of ocean by means of sampling campaigns conducted by oceanographic vessels, providing information on fish stocks of commercial interest. Furthermore, as a result of the overexploitation of fishery resources and to cover increasing demand, fish production has been developed as an alternative to capture. Although several species are bred in captivity, in Spain we can highlight three in particular, due to the high economic impact and degree of implantation: Gilt-head bream (Sparus aurata), sea bass (Dicentrarchus labrax) and Bluefin tuna (Thunnus thynnus). There is demand in the aquaculture industry for techniques developed in the field of fishery acoustics to control and estimate biomass. However, various problems related to the geometry of the application and high fish densities in intensive aquaculture have made these techniques difficult to apply directly. The study of biomass and species classification has progressed in parallel with the development of sonar and echo sounder systems used for this type of applications, and particularly with the evolution of ultrasonic transducers. Operation frequency, transmission power, bandwidth and directivity are key factors in the acoustic methods applied to fishing. In addition, other aspects of research are becoming more relevant in this sector, such as the study of nonlinear parametric sound generation. This generation or parametric effect, produced in the medium, has focused so far especially on bathymetry or classification of the oceanic subsoil, by offering much lower operation frequencies with the same directivity as the beam generated at high frequency. Nowadays, their feasibility is studied for application to fisheries or aquaculture, due to the possibility of working at several frequencies with the same transducer, given the same radiation characteristics, which is not possible in the linear regime. This thesis presents the design of an ultrasound transducer for biomass estimation with specific characteristics and demonstrates its capacity to work in a non-linear regime with optimum apertures for use in shallow water or in aquaculture cages. Chapter 2 presents general information on ultrasound waves, the medium through which they are propagated and an introduction to non-linear generation. General concepts in ultrasound generation and design are presented in Chapter 3. Chapter 4 shows the numerical models used to reinforce the experimental results presented during this thesis. Chapter 5 covers the design of the transducer, encompassing all the processes, from characterization of the materials, to assembly, operation and simulation of designed prototypes. To conclude, Chapter 6 presents the behavior of prototypes in a nonlinear regime and their feasibility for estimating biomass of different species in shallow water.

Las técnicas acústicas se han convertido en las últimas décadas en las herramientas más apropiadas para la estimación de biomasa en el sector pesquero. Esto es debido a que las ondas acústicas son las únicas que pueden utilizarse para teledetección en el medio acuático, por su baja atenuación, comparadas con las ondas electromagnéticas, que son las usadas habitualmente en comunicaciones a larga distancia en la atmósfera. Las ecosondas ultrasónicas permiten muestrear la columna de agua y cubrir grandes extensiones de océano mediante campañas de muestreo realizadas por buques oceanográficos, ofreciendo información de las poblaciones de peces de interés comercial. Por otro lado, como consecuencia de la sobreexplotación de los recursos pesqueros y para cubrir la demanda creciente para su consumo, se ha desarrollado como alternativa a la captura, la producción piscícola. Aunque hay diversas especies que se crían en cautividad, en España podemos destacar tres en particular, por el alto impacto económico y grado de implantación: Dorada (Sparus aurata), lubina (Dicentrarchus labrax) y atún rojo (Thunnus thynnus). La aplicación de las técnicas desarrolladas en el campo de la acústica de pesquerías para el control y estimación de la biomasa en jaulas flotantes, es una demanda del sector acuicultor. Sin embargo, diferentes problemas relacionados con la geometría de la aplicación y las altas densidades de peces con las que se trabaja en acuicultura intensiva, han dificultado la aplicación directa de las mismas. Los avances en el estudio de la biomasa o en la clasificación de especies han ido en paralelo con el desarrollo de los sistemas sonar y ecosondas usados para este tipo de aplicaciones, y particularmente con la evolución de los transductores ultrasónicos empleados. La frecuencia de trabajo, la potencia de emisión, el ancho de banda, así como la directividad son factores clave en los métodos acústicos aplicados a la pesca. Además, otras vertientes de investigación están adquiriendo mayor relevancia en este sector, como por ejemplo, el estudio de la generación no lineal paramétrica de sonido. Esta generación o efecto paramétrico, producido en el medio, se ha enfocado hasta ahora especialmente en batimetrías o en la clasificación del subsuelo oceánico, por ofrecer frecuencias de trabajo mucho más bajas con la misma directividad que el haz generado a alta frecuencia. Actualmente, se estudia su viabilidad para ser aplicado a pesquerías o a acuicultura, debido a la posibilidad de trabajar a varias frecuencias con un mismo transductor, presentado éstas las mismas características de radiación, lo que no es posible en el régimen lineal. Esta tesis presenta el diseño de un transductor de ultrasonidos para la estimación de biomasa con unas características específicas. Demostrando, además, la capacidad de éste para poder trabajar en régimen no lineal con aperturas adecuadas para su uso en aguas poco profundas o en jaulas de acuicultura. En el capítulo 2 se presenta información general sobre las ondas de ultrasonidos y el medio por donde se propagan, así como una introducción a la generación no-lineal. Conceptos generales sobre la generación de los ultrasonidos y el diseño se presentan en el capítulo 3. En el capítulo 4, se muestran los modelos numéricos utilizados para afianzar los resultados experimentales presentados durante la tesis. El capítulo 5 recoge el diseño del transductor, que englobará todos los procesos, desde la caracterización de los materiales, hasta el montaje, puesta en marcha y simulación de los prototipos creados. Para finalizar el capítulo 6 presenta el comportamiento de los prototipos en régimen no lineal y su viabilidad para estimar biomasa de diferentes especies en aguas poco profundas

Les tècniques acústiques s'han convertit en les últimes dècades en les ferramentes més apropiades per a l'estimació de biomassa en el sector pesquer. Això és degut a que les ones acústiques són les úniques que poden utilitzar-se per teledetecció en el medi aquàtic, per la seva baixa atenuació, comparades amb les ones electromagnètiques, que són les usades habitualment en comunicacions a llarga distància en l'atmosfera. Les ecosondes ultrasòniques permeten mostrejar la columna d'aigua i cobrir grans extensions d'oceà mitjançant campanyes de mostreig realitzades per vaixells oceanogràfics, oferint informació de les poblacions de peixos d'interès comercial. Per altre costat, com a conseqüència de la sobreexplotació dels recursos pesquers i per cobrir la demanda creixent per al seu consum, s'ha desenvolupat com a alternativa a la captura, la producció piscícola. Encara que hi ha diverses espècies que es crien en captivitat, a Espanya podem destacar tres en particular, per l'alt impacte econòmic i grau d'implantació: Daurada (Sparus aurata), llobarro (Dicentrarchus labrax) i tonyina vermella (Thunnus thynnus). L'aplicació de les tècniques desenvolupades en el camp de l'acústica de pesqueres pel control i estimació de la biomassa en gàbies flotants, és una demanda del sector aqüicultor. No obstant això, diferents problemes relacionats amb la geometria de l'aplicació i les altes densitats de peixos amb les que es treballa en aqüicultura intensiva, han dificultat l'aplicació directa de les mateixes. Els avanços en l'estudi de la biomassa o en la classificació d'espècies han anat en paral·lel amb el desenvolupament dels sistemes sonar i ecosondes usats per a aquest tipus d'aplicacions, i particularment amb l'evolució dels transductors ultrasònics empleats. La freqüència de treball, la potència d'emissió, l'ample de banda, així com la directivitat són factors clau en els mètodes acústics aplicats a la pesca. A més, altres vessants d'investigació estan adquirint major rellevància en aquest sector, com per exemple, l'estudi de la generació no lineal paramètrica de so. Aquesta generació o efecte paramètric, produït en el medi, s'ha enfocat fins ara especialment en batimetries o en la classificació del subsòl oceànic, per oferir freqüències de treball molt més baixes amb la mateixa directivitat que el feix generat a alta freqüència. Actualment, s'estudia la seva viabilitat per a ser aplicat a pesqueries o a aqüicultura, a causa de la possibilitat de treballar a diverses freqüències amb un mateix transductor, presentat aquestes les mateixes característiques de radiació, el que no és possible en el règim lineal. Esta tesi presenta el disseny d'un transductor d'ultrasons per a l'estimació de biomassa amb unes característiques específiques. Demostrant, a més, la capacitat d'aquest per poder treballar en règim no lineal amb obertures adequades per al seu ús en aigües poc profundes o en gàbies d'aqüicultura. En el capítol 2 es presenta informació general sobre els ultrasons i el mitjà pel qual es propaguen, així com una introducció a la generació no-lineal. Conceptes generals sobre la generació dels ultrasons i el disseny es presenten en el capítol 3. En el capítol 4, es mostren també els models numèrics utilitzats per a refermar els resultats experimentals presentats durant la tesi. El capítol 5 recull el disseny del transductor, que englobarà tots els processos, des de la caracterització dels materials fins al muntatge, posada en marxa i simulació dels prototips creats. Finalment, el capítol 6 presenta el comportament dels prototips en règim no lineal i la seua viabilitat per a estimar biomassa de diferents espècies en aigües poc profundes.