EL PRINCIPIO DE LA ECOGRAFIA SISMICA ACUSTICA

En la búsqueda de un sistema de prospección sub-superficial basado en los fenómenos de interacción y propiedades de las ondas mecánicas, que adquiera o desempeñe maneras más ágiles de llevar a cabo una prospección, surge el concepto de ecografía de

suelo o ecografía sísmica. Esta técnica utiliza en parte los mismos principios del método de sísmica de reflexión, pero requiere de diferentes maneras de realizar tanto la perturbación del medio como de sistemas de adquisición, medición y procesamiento de señal diferentes, tendientes a obtener la versatilidad que posee el Geo Radar, en cuanto a la velocidad de prospección y a la operatividad del método. Particularmente, si la perturbación del medio a prospectar se realiza indirectamente a través de la emisión de ondas acústicas y se lleva a cabo la prospección a partir de los fenómenos de interacción de ondas acústicas y sísmicas (tal como se desarrolló en el Capítulo II), el sistema adquiere el nombre de ecografía sísmica acústica o ecografía acústica del suelo. La Figura III.1 muestra un esquema que ilustra el concepto del método de ecografía sísmica. Básicamente, se mide la diferencia de tiempo transcurrido entre el pulso de onda que se emite y aquellos pulsos de onda reflejados. Aún cuando la propagación del pulso es esférica, la dirección principal del frente de onda puede materializarse mediante una línea recta. La reflexión se produce en planos en los cuales existe una discontinuidad en el material o un cambio en la impedancia mecánica del mismo.

Z1 Z2 Arribo directo Interfase 1 Interfase 2 a)

Pantalla del Sistema de Adquisición

Impulso

AD R1 R2

b) Generador Sensor Receptor

Inclusión

ρ , vP , vS

c)

Perfil Transversal de Registros Acumulados

Inclusión

d)

Figura III.1: Principio de funcionamiento de la ecografía sísmica acústica. a) Principio de la reflexión sísmica. b) Arribo directo del frente de ondas AD; reflexión en la interfase 1, R1; reflexión en la interfase 2, R2. c) Modo de prospección por reflexión.

d) Registros de señales indicando arribos directos y reflexiones o ecografía sísmica. Cada registro obtenido del sensado de la onda reflejada constituye una traza o señal. El procedimiento de emisión y recepción de los pulsos de onda, se repiten a lo largo de una

línea de barrido obteniéndose una traza para cada posición (Scanning). Estos registros son capturados por un conversor analógico – digital de alta velocidad y enviados en formato digital a una computadora personal. Mediante un programa computacional, es posible almacenar las trazas digitales y representarlas en la pantalla del computador de manera ordenada y secuencial (Figura III.1.d). A esta matriz de trazas se la denomina como ecografía sísmica, en modo A de representación (A mode scan). Si a los valores de esta matriz de amplitudes, se les asigna una escala de colores, se obtiene una imagen de ecografía en modo B de representación (B mode scan). Por otro lado puede representarse imágenes en coordenadas cartesianas o polares de ubicación versus energía de reflexión. En ese caso se obtiene una imagen de ecografía en modo C de representación (C mode scan).

Existen una serie de investigaciones y desarrollos sobre sistemas de prospecciones subsuperficiales de elementos estructurales u objetos enterrados a bajas profundidades, destinados principalmente a la detección de minas enterradas (Rogers y Don,1993; House y Pape, 1994; Codron, 2000; Sabatier y Gilbert, 2000; Scott et al., 2000; Xiang y Sabatier, 2000; Sabatier y Xiang, 2001; Donskoy y Sutin, 2002; Younis et al., 2002; Scanlon, 2003; Bellan et al., 2004; Hickling, 2005). Dicha detección se realiza mayormente a través de la utilización de fuentes acústicas de perturbación y diferentes tipos de sensores: sensores acoplados directamente al suelo (como por ejemplo geófonos y acelerómetros) y no acoplados directamente al suelo. Entre los sensores no acoplados, cabe destacar la utilización de configuraciones de micrófonos, vibrómetros láser de efecto Doppler o LDV (por sus siglas en ingles de Laser Doppler Vibrometry), vibrómetros ultrasónicos de efecto Doppler o UDV (por sus siglas en ingles de Ultrasonic Doppler Vibrometer), entre otros (Sabatier et al., 2003). El resultado de dicha detección se manifiesta a través de una señal acústica que informa el lugar en donde se encuentra la interfase o cambio de impedancia mecánica, mediante el análisis de los registros sensados (en el dominio del tiempo o de la frecuencia) o mediante el análisis de imágenes que muestren algún patrón o contraste relacionado a la detección. En la Tabla III.4 se distinguen aquellos métodos subsuperficiales de detección a través de sensores no acoplados directamente al suelo, cuyos resultados finales consisten en imágenes. Si bien estos sistemas presentan sus resultados finales en un formato de imagen, los mismos no se pueden relacionar directamente con el concepto de ecografía sísmica, ya que estas imágenes no se obtienen conforme se realizan las detecciones.

Existen adicionalmente, investigaciones y desarrollos destinados puntualmente a la obtención de imágenes ecográficas del suelo aplicable a diferentes escenarios y cuyas características principales se describen en los párrafos siguientes.

Tabla III.4: Sistemas de detección subsuperficiales de sensores no acoplados directamente al suelo, cuyos resultados finales consisten en imágenes.

Tipo de Emisión Tipo recepción Formato de Representación Referencia Ondas acústicas

generadas por medio de un tubo resonante

Configuración de micrófonos

Señales e imágenes

ecográficas en modo C. Rogers and Don, 1993 Ondas acústicas

generadas por medio de un tubo resonante Utilización de un micrófono o un transductor ultrasónico Imágenes ecográficas en

modo C. House and Pape, 1994

Ondas acústicas generadas por medio

de un parlante Vibrómetro Laser de efecto Doppler Imágenes ecográficas en modo C

Sabatier and Gilbert, 2000; Xiang and

Sabatier, 2000; Sabatier and Xiang,

2001 Ondas elásticas

generadas por medio de un vibrador electromecánico Sistema transductor por medio de guías de onda Imágenes ecográficas en

modo C Scott et al., 2000

Ondas acústicas generadas por medio de 4 tubos resonantes Array de 32 micrófonos Imágenes ecográficas en modo C y tomografías acústicas de elementos superficiales Younis et al., 2002

Cannelli, et al. (1987) y Cannelii y D'ottavi (1989), muestran el desarrollo de un sistema para obtener imágenes ecográficas en todo tipo de terreno, llegando en sus experimentos a profundidades de investigación del orden de los 30 m. Para realizar la prospección el sistema cuenta con un diseño novedoso tanto para perturbación del medio como para la recepción de ondas P. El diseño consiste en dos campanas parabólicas en cuyos orificios inferiores posee membranas de goma de policloropreno (marca comercial neopreno) que sirven como medio de acople entre el suelo y un fluido, no volátil ni combustible (Ej: vaselina), interno a las campanas. Con respecto a la fuente, la perturbación del medio se produce a partir de la generación de ondas de choque dentro de la campana debido a un arco eléctrico controlado que se realiza en tres electrodos especiales ubicados en el extremo superior de la campana. Para lograr el arco eléctrico controlado, desarrollaron una fuente de tensión capaz de generar 150 kV con energías del orden de los 1.1 kJ. Para controlar la respuesta en frecuencia del arco eléctrico, la fuente de tensión posee un

banco de capacitores de diferentes valores de capacidad. Con respecto a la campana receptora, esta posee en la parte superior interna una varilla piezoeléctrica cuyo extremo libre se encuentra en el foco de la parábola, ya que allí se concentran los pulsos de onda recibidos. El movimiento de la varilla piezoeléctrica se transduce en una señal eléctrica, la cual se acondiciona, digitaliza y visualiza en un osciloscopio. Las dimensiones de las campanas están en función de los rangos de frecuencia con la cual opera el sistema. Para llevar a cabo la prospección se trasladan las campanas con separaciones fijas en el sentido del perfil a prospectar, obteniendo en cada proceso de perturbación el registro correspondiente a las ondas reflejadas, con los cuales componen la imagen de ecografía sísmica en modo A de representación.

Smith et al. (1997) muestran el desarrollo de un método para la localización de elementos enterrados en arenas a profundidades del orden de los 3 m, a partir de la interpretación de reflexiones de onda superficiales. Como fuente de perturbación del medio utiliza un transductor electromecánico de bobina que transduce pulsos eléctricos de frecuencia fundamental de 100 Hz, en el movimiento de un soporte que se apoya en la superficie y que posee clavos metálicos para una mayor adherencia. Como elemento receptor, utiliza una configuración de tres geófonos triaxiales que se adhieren a la superficie a una distancia de 50 cm de la fuente. Para realizar la prospección se mueve el arreglo de geófonos alrededor de la fuente desde un ángulo 0º a 180º con un paso de rotación de 22.6º. En cada proceso de rotación se incrementa la distancia entre la fuente y el receptor, en pasos de 1.08 m. De esta manera se obtiene una imagen polar de ecografía en modo C de representación y cuya escala de colores representa la amplitud de la densidad espectral de potencia cruzada entre la señal compuesta vertical y la señal compuesta radial proveniente del arreglo de geófonos triaxiales. Debido a problemas de reverberancia manifestados en las imágenes ecográficas como contrastes no deseados, desarrollaron un modo de procesamiento al cual lo llamaron “substracción coherente de

fondo” o “coherent subtraction background”. La técnica consiste básicamente en restar

las imágenes que se obtienen de realizar la prospección del lugar con y sin objeto enterrado, obteniéndose una mejora significativa en la apariencia de las imágenes resultantes, pero que conlleva a una situación de poca practicidad.

Frazier et al. (2000) muestran un sistema desarrollado en laboratorio para obtener ecografías en arenas con una profundidad máxima de investigación de 1 m, realizado en

una celda de 0.86 m3con arena media. El sistema utiliza transductores piezoeléctricos tanto para realizar la perturbación del medio como para la recepción de ondas de P. Para acoplar los transductores con la superficie de arena, se utiliza una tela plástica con la cual se logra un recipiente que contiene agua. De esta manera los transductores pueden sumergirse en el agua a una profundidad de 3 cm. El transmisor de pulsos de onda consiste en un transductor circular de 7.5 cm mientras que el receptor consta de un arreglo de 52 transductores rectangulares de 3.56 cm2 cada uno. La distancia entre los centros del transmisor y receptor es de 33 cm. La excitación eléctrica del transmisor se logra con un generador de señal y un amplificador de 3000 W que produce un pulso cosenoidal modulado por amplitud (AM) de 6 kHz de frecuencia fundamental y 6 ciclos. Las características de esta señal están en relación a la resolución versus profundidad de investigación. El proceso de prospección consiste en trasladar el conjunto transmisor – receptor en la dirección del perfil de arenas a prospectar. En cada proceso de transmisión y recepción de los pulsos de onda se capturan 52 señales, las cuales se acondicionan, digitalizan y se componen en una única señal digital a partir de la implementación de un modelo de procesamiento que contempla las características físicas del receptor. Para realizar la composición de señal utilizan un computador personal lo que les permite finalmente construir las imágenes de ecografía sísmicas conforme se realiza la prospección.

Mamou (2002), muestra también un sistema desarrollado en laboratorio para obtener ecografías en arenas con una profundidad máxima de investigación de 30 cm, realizado en una celda de 0.86 m3 con arena fina. El concepto es similar al desarrollado por Frazier et al. (2000), sin embargo, presenta notables variantes en el transmisor y receptor, como en el modo en que estos se acoplan con la arena. Como elemento transmisor utiliza un transductor piezoeléctrico desarrollado por Penn State Applied Research Laboratory de 3.8 cm de diámetro y como recetor utiliza un transductor magnetoestrictivo o magnetostrictive desarrollado por Industrial Measurements System de 3.75 cm de diámetro; ambos de frecuencia fundamental 2 kHz. Los transductores se colocan en contacto directo con la arena y sostenidos a través de dos soportes. Estos soportes son parte de un sistema de movimiento del par transmisor – receptor controlado por un computador, lo que permite cubrir toda la superficie de estudio y posicionarse según coordenadas rectangulares como en coordenadas polares. El proceso de prospección consiste en trasladar sucesivamente el conjunto transmisor – receptor a

una posición en particular, para luego transmitir y recibir los pulsos de onda P. La señal eléctrica que se obtiene del receptor se acondiciona, se digitaliza y se envía a un computador. Implementaron una serie de algoritmos en la aplicación MATLAB, lo que les permitió procesar las señales, como así también construir y procesar las imágenes de ecografías sísmicas.