D11 Análisis Espectral de Señales Acústicas Subacuáticas

Tópico

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. 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.

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. 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.

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.

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. 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.

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