Dispositivos activos submarinos (Sonda, Sonar)


Antecedentes

En el siglo XIX se llevaron a cabo varios experimentos para determinar la profundidad del Océano mediante una señal acústica. Esta señal era producida por un transductor situado debajo del agua (en la quilla) y se calculaba cuanto tiempo tardaba la señal en rebotar en el fondo y regresar al punto de origen donde era captada por otro transductor.
Las pruebas llevadas a cabo ya al inicio del Siglo XX todavía no eran del todo precisas ni satisfactorias principalmente a causa de las limitaciones dadas por la tecnología utilizada en la época. Este sistema lo conocemos actualmente como sonda.

Hubo un suceso que impulsó las investigaciones para fabricar un sonar "horizontal", el hundimiento del Titánic el 15 de Abril de 1912. No había pasado un mes desde el desastre del Titánic (el 10 de Mayo) cuando el Inglés Lewis Richardson presentó la patente de lo que debía ser un aparato emisor de señales ultrasónicas y un receptor para captar los ecos (Patente entrada en la “British Patent Office” el día 27 de marzo de 1913 con el número 11.125). La idea era buena aunque todavía no existía la tecnología para llevarla a cabo.
En Alemania el profesor Behm y en Estados Unidos el Canadiense Reginald Fessenden, ya trabajaban en emisores sónicos pero se daría un gran paso cuando en 1917 el francés Paul Langévin presentó un transductor que trabajaba según el principio piezo-eléctrico.
Unos diez años más tarde el trabajo del francés Pierce, junto al de otros,  dio como resultado un emisor de frecuencias ultrasónicas y un transductor magnetostrictivo que captaba el eco ultrasónico. Este dispositivo debía permitir localizar a los icebergs, u otros obstáculos, en condiciones de pobre visibilidad.

"Magnetostricción": Deformación en algunos materiales cuando son atravesados por un campo magnético

Por lo tanto podemos distinguir dos equipos que funcionando bajo el mismo concepto sirven para cosas diferentes. Tenemos la sonda, para determinar la profundidad y el “sonar” (denominación inglesa del dispositivo pero que solemos utilizar comúnmente) para determinar la distancia a un objetivo.



Como ya hemos visto en el apartado dedicado a los Hidrófonos, en la primera guerra mundial ya existían dispositivos de escucha pasivos, pero estos hidrófonos no podían determinar la distancia exacta a la que se encontraba el objetivo. Incluso los sumergibles británicos disponían de un sistema de sonar que les permitía detectar la posición de las minas en un campo minado.
Por eso, a finales de los años veinte, la Reichsmarine empezaría a experimentar con sistemas de localización horizontales activos. Inicialmente utilizaron convertidores piezoeléctricos; las primeras pruebas las realizaron en 1932 con los sumergibles construidos para Finlandia, y más tarde utilizarían transductores magnetostrictivos.

Como sabemos, las frecuencias bajas se captan a mayor distancia que las frecuencias altas, pero también se necesitan equipos más complejos (y más grandes) para captarlas.
Se llegó a un compromiso razonable utilizando la banda de frecuencias situada entre los 15 y los 20KHz (Kilo Hertzios). Alemania escogió para todos sus dispositivos la frecuencia de los 15KHz. El dispositivo emitía impulsos de unos 5Kw de intensidad de 0.02 segundos de duración. El dispositivo (conjunto emisor-receptor) recibiría el nombre de Kündhold.

En condiciones ideales un sumergible equipado con el sistema Kündhold en silencio podía detectar a un buque de gran tamaño a una distancia de entre 5.000 y 10.000 metros. Por otra parte los destructores podían detectar a un sumergible a una distancia de entre 3.000 y 5.000 metros.

Al principio de la Segunda Guerra Mundial el denominado “Mob S-Anlage” (o Mob S-Gerät) fabricado por la casa “GEMA” (Gesellschaft für akustiche und mechanische Geräte -sociedad para los equipos acústicos y mecánicos-) estaba ya listo.


Evolución

El peligro de que un sumergible utilizara el sonar activo era enorme, ya que sus señales podían (y eran) captadas por el buque enemigo antes incluso de que el propio sumergible hubiera detectado al buque enemigo. Por este motivo, en la Kriegsmarine se dio la orden de buscar primero utilizando el GHG-Angale (hidrófono) y determinar la posición del enemigo.
Una vez conocida la posición del buque enemigo se utilizaría el Mob-S-Gerät para determinar su distancia exacta. Esto permitía que, en teoría, con pocos impulsos (en condiciones idóneas incluso con sólo uno) se pudiera determinar la distancia y de este modo minimizar el riesgo de ser detectados.


En las fotos de arriba vemos dos unidades de la sonda (tiefenlotanlage) fabricada por la marca Atlaswerke, el "Atlas-Echolot". El de la izquierda pertenece a un uboot del Tipo VIIc (el U98) y el de la derecha a un Uboot del Tipo IXc (el U190). Ambos son prácticamente idénticos.

Se puede apreciar las dos escalas para mostrar la profundidad, una graduada de 0 a 125 metros y la otra (la exterior) de 0 a 1.000 metros, en combinación con las dos escalas se podía determinar la profundidad entre los 150 y los 3.000 metros.
Para las mediciones de 0 a 125 metros y de 0 a 1.000 metros se utilizaba un sólo transductor de los seis que había. Para las mediciones de la escala 150-3.000 metros se utilizaban tres transmisores situados a babor y a la altura de la sala de los motores diesel. Los receptores estaban a estribor a la altura de la sala de radio.

A partir del “Mob S-Gerät” que utilizaba dos impulsos, se desarrolló el “S-Gerät” que utilizaba cuatro impulsos y reducía el haz emitido a una franja de 15 a 20 grados lo que lo hacía más preciso. La señal recibida era representada en un tubo de rayos catódicos (similar a un osciloscopio) de 9 cm. de diámetro (Braun tube). Esta señal era proyectada, mediante un dispositivo inclinado, a un espejo semitransparente donde el operador podía interpretarla y podía seleccionar distintas escalas de distancias que también se reflejaban en el espejo. Este dispositivo sólo fue instalado en un Uboot, en el U43 (tipo IX). Nunca sería instalado en un tipo VII, aunque en el desarrollo del Tipo VIIb se tuvo en cuenta la instalación del S-Gerät.

Una evolución posterior del S-Gerät fue el SZ-Gerät en el que en un mismo dispositivo tenías un hidrófono y el Sonar. De este modo era posible “oír” los ecos y determinar la velocidad del objetivo mediante el efecto “Doppler”. La frecuencia (sonido) devuelto por el eco se comparaba con la frecuencia utilizada en el impulso del sonar, si la frecuencia aumentaba el objetivo se acercaba, si la frecuencia disminuía el objetivo se alejaba.

Un ejemplo que todos conocemos del efecto Doppler es oír la sirena de una ambulancia, el sonido que oímos va variando a medida que la ambulancia se acerca, pasa a nuestro lado y se aleja. El tono (la frecuencia) va variando.
Cuando la ambulancia se acerca, las ondas de sonido “se comprimen”, aumentan de frecuencia y el tono se hace más agudo. Cuando la ambulancia se aleja, las ondas de sonido “se descomprimen”, disminuyen de frecuencia y el tono se hace más grave.

Una evolución más avanzada del S-Gerät fue el Nibelung que sería probado por primera vez en un uboot del Tipo VIIc, el U1008. Este sistema (inicialmente desarrollado para el Tipo VIIc/42) debía instalarse en los uboote de los tipo XXI y XXIII y permitiría la localización del enemigo y el lanzamiento de torpedos desde una profundidad de unos 50 metros.

A diferencia del S-Gerät y del SZ-Gerät el Nibelung calculaba la distancia del objetivo electrónicamente. El sistema estaba instalado en la torreta del Tipo XXI (hacia la proa) y abarcaba un arco de unos 100 grados. Ver el artículo dedicado al SU y al GHG en los Tipo XXI.

A finales de la guerra estaban en desarrollo varios sistemas (Sarotti, Most y Hildebrand) que debían aumentar la localización panorámica del S-Geräte y del Nibelung (limitada inicialmente a un arco de 100 grados).

La investigación y desarrollo de los sistemas de recepción activos submarinos era responsabilidad del Nachrichtenmittelversuchsanstalt (NVA) que posteriormente, el 8 de Septiembre de 1939, pasó a llamarse Nachrichtenmittelversuchskommando (NVK) y era un departamento del OKM/Amtsgruppe Technisches Nachrichtenwesen (OKM/Nwa).
La NVA no podía probar sus equipos en las condiciones de trabajo necesarias y en Septiembre de 1936 se crearía la NEK (Nachrichtenmittelerprobungskommando) que también pasaría a estar bajo la supervisión del NVA/NVK al mando del Doctor Rudolf Kuknhold.

Los aparatos eran construidos por Electroakustik GmbH de Kiel y en Atlaswerke en Bremen. Eran instalados en los astilleros, donde había departamentos especiales dedicados a su montaje y ajuste, siguiendo las directrices dadas por el OKM.

En la fotografía de la derecha (de la torreta del U3017) puede apreciarse la carcasa del "Nibelung".

En la fotografía (de la torreta del U3017) puede apreciarse la carcasa del "Nibelung".
En 1943 el departamento de investigación de la Kriegsmarine pasaría a estar supervisado por el profesor Küpfmüller que puso todos sus esfuerzos en todo lo relacionado con los sistemas de detección submarina.

El Sonar del Wilhelm Bauer (ex-U2540) aunque no es el original, nos da una idea de como era. Se aprecia perfectamente la base rotatoria que servía para "dirigir" el impulso del Sonar.

Hubo una gran colaboración entre todos los departamentos de la Kriegsmarine y con las fábricas de Kiel y Bremen (Electroakustik GmbH y Atlaswerke) en parte gracias a la fuerte personalidad del profesor Küpfmüller. Los sistemas de detección submarina alemanes estaban un paso por delante al inicio de la Segunda Guerra Mundial y lo seguirían estando durante toda la contienda.

A pesar de los excelentes sistemas de detección submarina, tanto activos como pasivos, el principal problema de los uboote era acercarse al objetivo en inmersión, problema derivado de su baja velocidad. Por ejemplo navegando a 8 nudos (un tipo VII) tardaba unas dos horas en interceptar a un convoy siempre que antes no fuera localizado por los escoltas.

A la izquierda el "Sonar" del Wilhelm Bauer (ex-U2540) aunque no es el original, nos da una idea de como era. Se aprecia perfectamente la base rotatoria que servía para "dirigir" los impulsos del Sonar.


Ampliación: Ecosonda o sonar de profundidad

Se denomina ecosonda al escandallo de ultrasonido que aprovecha la reflexión de las ondas en el fondo marino o de los obstáculos que se interponen durante su difusión en el medio marino.
Se utiliza especialmente para conocer la profundidad vertical de  los fondos marinos y para la pesca industrial.
Para el caso que nos ocupa nos referiremos solamente a su aplicación como sonda de profundidad.


Antecedentes

Desde los inicios de la navegación el desplazarse por aguas poco profundas constituia un riesgo por cuanto en zonas de poco calado o lugares en los que el fondo iba disminuyendo, el peligro de varada o colisión con esos fondos con el riesgo añadido de naufragio era muy frecuente y a veces con resultados catastróficos, se imponía la necesidad de conocer el calado cuando un buque se acercaba a la costa para evitar ir a parar a un banco de arena, un arrecife, una roca, una aguja con los consiguientes perjuicios que ello podía ocasionar tanto al buque como a su carga y tripulación es por ello que se inventa es escandallo
En su forma más simple para medir la profundidad se usaba un escandallo que consistía en un peso de plomo con un orificio en su extremo superior al que iba amarrado un cabo con unas marcas hechas a base de de tiras de cuero, piolas con nudos o cuerdas de colores que dispuestas a distancias regulares conocidas (en sus inicios brazas o pies) permitían conocer la profundidad cuando el escandallo tocaba fondo.

Dependiendo del peso del escandallo las sondas eran de dos clases: las de puerto o las de costa. Las de puerto pesaban unos 5 kilos y tenían una sondaleza (cabo de la sonda) de unos 25 metros de longitud; las de costa eran de mayor peso unos 15 o 20 kilos y entre 100 y 150 metros de longitud. La diferencia de pesos y medidas se debe a que para obtener una medida correcta la profundidad debe comprobarse en el mismo instante en que el escandallo toca fondo y se halla en la misma vertical del encargado de medir la misma, lo que además exige que el escandallo descienda a una velocidad y con una rapidez proporcional a la profundidad que se supone.

Los escandallos y para profundidades acusadas son bastante inexactos siendo bastante útiles cuando un buque se encuentra muy cerca de la costa y con profundidades pequeñas. Hoy en día y gracias a los avances tecnológicos los escandallos están en desuso y han sido sustituidos por las ecosondas eléctricas.


Ecosondas en los sumergibles alemanes


Los sumergibles alemanes disponían de ecosonda para determinar la profundidad existente por debajo de la quilla.

La ecosonda en los sumergibles era esencial pues al estar sumergidos no tenían ninguna referencia visual que pudiera permitir el conocimiento de la situación, los sumergibles y submarinos alemanes usaban una ecosonda Echolot.


El Dispositivo Echolot


Echolot era el nombre de la ecosonda usada por los sumergibles alemanes durante la segunda guerra mundial

Este dispositivo para aguas poco profundas era del tipo supersónico, usaba un transmisor de magneto-estricción con un tono de 1500 ciclos por segundo/frecuencia 1500 Hertzios y un receptor similar, montado en una brida, bajo la quilla.
Los impulsos de transmisión se producían mediante el sistema de descargas periódicas de un condensador. El dispositivo para aguas profundas consistía en tres transmisores sónicos "Wall" (1) conectados en paralelo y tres receptores con bobinas móviles conectadas en serie entre sí, montadas en la quilla, separadas entre sí 10 metros.

Estos equipos electrónicos eran suministrados/alimentados con una corriente eléctrica alterna a 1500 Hertzios, que era producida por un alternador dedicado a suministrar la potencia necesaria a los transmisores a la frecuencia de trabajo, que era 3 Kilohertzios.

El mismo indicador de profundidad, construido mediante un tubo de neón giratorio, era usado para presentar los resultados de las mediciones de profundidad, tanto para aguas profundas como someras. Eran dos o tres escalas concéntricas con tres rangos, 0-125 metros, 0-1000 metros o 0-3000 metros de profundidad.

Estaba situado en la Central sobre una mesa al lado del potabilizador de agua (ver la foto superior)  

Asímismo estaba preparado para transmisiones manuales y recepción aural -es decir mediante escucha directa-, auxiliándose en este caso con el uso de un cronómetro para la determinación de la profundidad.

En las siguientes imágenes vemos las cajas y el interior de un amplificador de una ecosonda (Tieflotvestärker) alemana y sus componentes.


1.- Carcasa metálica que cubre las bobinas de Alta Frecuencia y los apantalla o blinda magnéticamente entre sí, con el fin de evitar las inducciones mutuas, 2.- Zócalos o bases para las válvulas amplificadoras, 3.- Cápsulas para fusibles, 4.- Caja y rejilla disipadora de la fuente de alimentación, 5.- Junta de goma tórica, 6.- Transformador de alimentación, 7.- Condensador, 8.- Resistencias, 9.- Pasantes de cable tipo "sici", 10.- Diodos rectificadores de la fuente de alimentación (en ésta foto no se ven),  



1.- Carcasa metálica que cubre las bobinas de Alta Frecuencia y los apantalla o blinda magnéticamente entre sí, con el fin de evitar las inducciones mutuas, 2.- Zócalos o bases para las válvulas amplificadoras, 3.- Cápsulas para fusibles, 4.- Caja y rejilla disipadora de la fuente de alimentación, 5.- Junta de goma tórica (en ésta foto no se ve), 6.- Transformador de alimentación, 7.- Condensador, 8.- Resistencias (en ésta foto no se ven), 9.- Pasantes de cable tipo "sici" (en ésta foto no se ven), 10.- Diodos rectificadores de la fuente de alimentación (los diodos parecen ser del tipo MOS > metal oxido semiconductor) 



  1. "Wall" debe ser una transcripción equivocada de Whall -Ballena en Alemán. Debe ser por el sonido producido, semejante a los sonidos que suenan parecidos a los emitidos por estos animales marinos.

Apartado dedicado a la ecosonda o sonar de profundidad realizado por José A.R. Mediavilla y Juan Jaramillo Blasco.

Desde U-Historia queremos agrader a ambos su colaboración.

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