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Introducción
Los hidrófonos o sensores
de sonido que son desplegados desde embarcaciones
en la superficie son el principal método para
registrar las vocalizaciones de los cetáceos. Sin
embargo, posee algunas limitaciones: a) la
embarcación puede afectar la conducta de los
animales con su presencia, b) restricciones
náuticas pueden restringir la posibilidad de
registro durante la noche, c) el oleaje que afecta
a la embarcación, se transmite como movimiento al
sensor adicionando ruido y d) el clima pude
impedir el zarpe de embarcaciones en momentos que
se desea registrar.
En zonas cuya profundidad lo permita, es posible
instalar un equipo que registre durante un tiempo
razonable. Esta es la misión de SALu y nos permite
obtener abundantes datos en zonas de difícil
acceso.
Objetivos
principales del Proyecto SALu
- Desarrollar un equipo
registrador pasivo de sonido submarino, capaz de
operar por un par de semanas sin la presencia
humana e independientemente del clima. Así,
abrir una ventana al conocimiento sobre la
conducta de los cetáceos de día y de noche, en
zonas apartadas, cuando no hay personas y
embarcaciones en la zona.
- SALu debe poder ser programado
para registrar no solo en base a esquemas de
fecha y hora sino también, poder discriminar
cuando hay cetáceos y tomar la decisión en forma
autónoma de cuando registrar.
- SALu debe poder ser programado
desde diferentes equipos como notebooks,
netbook, PPC y smartphones con diferentes
sistemas operativos.
- SALu debe poder ser programado
manualmente en terreno, como alternativa de
emergencia.
- El firmware del microprocesador
de SALu, debe poder ser reemplazado de forma
simple para incorporar nuevas funciones como uso
de video, nuevos modos de registro, etc. Incluso
por el usuario facilitando cambios adecuados a
necesidades particulares.
- Utilizar exclusivamente software
libre (Licencia
Pública General - GNU) y/o gratuito.
Aplicaciones
de SALu
- Determinar la presencia de
cetáceos en zonas remotas, de difícil acceso o
donde se presume una conducta evasiva por parte
de la fauna local hacia las embarcaciones
(Líneas de Base - Evaluación de Impacto
Ambiental).
- Determinar patrones de uso de
hábitat tanto diarios como estacionales
(migratorios) en lugares determinados, así como
documentar variaciones inusuales.
- Fiscalizar la presencia de
embarcaciones en zonas remotas o donde un radar
es de difícil acceso.
- Hacer estudios sistemáticos de
la conducta vocal nocturna o comparativa durante
la presencia de embarcaciones y sin ellas.
- Hacer estudios rápidos
tendientes a apoyar el desarrollo de operaciones
de turismo de observación de cetáceos con
información local sobre los animales con que
cuentan.
- Determinar repertorio vocal de
los cetáceos en un lugar específico.
- Hacer estudios tendientes a
apoyar la resolución de conflictos de
interacción pesquera.
- Otros donde el campo de la
hidroacústica tenga una contribución
(sismología, etc).
Especificaciones
y Prestaciones
Las prestaciones de SALu
han superado lo estimado por el modelamiento
computacional de su diseño tanto físico como
electrónico. Así, la siguiente información
presenta los resultados hasta el momento de las
pruebas desarrolladas y algunas de sus
habilidades.
Grabador
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M-Audio
Microtrack II (Modificado). Registra en
formato WAV, MP3 y BWF, en 16 o 24 bits (136
dB de rango dinámico) y con una tasa de
muestreo entre 44.1 y 96 kHz. El registrador
incluye un filtro analógico para evitar clipping
atenuando señales sobre 1 dBFS antes de ser
digitalizadas.
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Sensor
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Hidrófono
SQ26-08, con un rango de frecuencia entre
0.020 y 50kHz, y resistente hasta los 100m
de profundidad. En conjunto logra registrar
entre menos de 20 y 4716.8 Hz en excelente
calidad. Posee dos posiciones: operación y
transporte. En la posición de operación,
100% horizontal, se aprovecha su propiedad
omnidireccional sin elementos perturbadores
cerca del sensor.
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Programación
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Con aplicación propia SALi, manual o por
transferencia completa de firmware
al microprocesador.
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Conexión con
PC
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Por
puerto USB. Uno para descarga de los datos y
otro para módulo de control.
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Modos de
grabación
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Cuatro modos de registro que cubren todas
las necesidades posibles.
- Trigger : analiza
seis muestras de sonido cada 30 ms y las
compara con un umbral, predefinido por
el usuario con SALi, para decidir
registrar en base a las propiedades del
sonido ambiental. El módulo de control
activa el grabador para registrar sólo
eventos que superan el umbral por al
menos 30 ms y por una duración
predefinida por el usuario con SALi.
Este modo, una novedad tecnológica,
procura registrar sólo eventos acústicos
de cetáceos en vez de sólo sonido
ambiental en determinados momentos,
ahorrando tiempo de análisis de los
datos y haciendo más eficiente el uso de
la memoria disponible.
Es recomendado para producir archivos de
registros basados en las propiedades del
sonido.
- Continuous :registra
de forma continua produciendo
automáticamente archivos de 1.9 GB cada
uno, hasta que se cumpla la fecha y hora
predefinida para detenerse o se terminen
la energía y/o memoria disponibles.
Es recomendado para la búsqueda
intensiva de señales en el más corto
plazo.
- Period : registro por
eventos de frecuencia, duración y número
definidos previamente.
Recomendado para maximizar la
distribución de los eventos de registro
en un tiempo definido.
- Timers :registro
mediante temporizadores que definen la
fecha, hora y duración de hasta 18
eventos independientes de registro. Los
complejos cálculos que se requieren para
hacer un uso eficiente de los
temporizadores, son hechos por SALi
facilitando su programación.
Recomendado para producir archivos de
sonido en fechas, horas y duración
determinados e independientes entre sí.
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Modo de
recuperación
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SALi,
permite programar a SALu para que facilite
su re-ubicación durante la recuperación de
noche o en aguas turbias, mediante el uso de
señales luminosas y acústicas.
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Dimensiones
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350
mm de largo x 235 mm de ancho y 149 mm de
alto. Califica como equipaje de mano para
transporte aéreo incluyendo cargador y
varios accesorios en una maleta con ruedas
tipo Pelican case.
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Peso
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27.5
kilos incluyendo las baterías, conformando
un buen balance entre ligereza para
transportarlo en aire y agua, y lastre para
sostener la posición en el fondo del mar.
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Materiales
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Caja
estanca de acero de 3 mm de espesor
galvanizado en caliente dos veces, equipada
con dos ánodos de zinc. Carro interior base
para el módulo de control y el grabador, de
aluminio de diferentes espesores. Conectores
pasa-cables de bronce con doble O'rings.
Tornillos de cierre manuales (mariposas -
sin requerir herramientas) de acero
inoxidable al igual que las piezas contra
las que trabaja.
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Batería
principal
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7.2
V y 100 A en 10 empaques sellados e
independientes de baterías NiMh recargables.
Seguras en altos amperios, económicas, sin
problema de memoria, de muy baja descarga,
buena densidad de energía (+80 wh/kg), no
modifican sus dimensiones al ser cargadas y
están autorizadas para transporte aéreo. Son
más seguras que las baterías de un notebook
pese al alto amperio.
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Batería
secundaria
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1200
mAh / 3.7 VCD, de Li-Ion, interna en
grabador. Sólo para mantener ajustes en
grabador. Se carga con un cable USB y tiene
una duración de varios meses.
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Tipo de
cargador
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Cargador
inteligente (en fases) de 3 A, autovoltaje
(110-220 VAC) con función adicional de
seguridad mediante sensor de temperatura
instalado en el banco de baterías.
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Tiempo de
carga completa
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La
primera carga del banco completo de
baterías, toma 35 horas. Las siguientes
cargas toman aproximadamente 10.2 horas.
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Ciclos de
carga
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Más
de 1000 ciclos antes de requerir cambiar las
baterías.
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Mínima
autonomía de energía
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Teniendo todas las funciones activas
(situación forzada), las pruebas con sólo
uno de los 10 bancos activados, arrojó 2088
minutos de operación (aprox. 35 horas - 287
mAh de consumo). Así se estima que tiene una
autonomía mínima de 348 horas (14.5 días).
SALu nunca tiene todas las funciones activas
de forma simultánea y su firmware
incluye funciones de ahorro de energía
cuando está en espera de un evento de
registro. Es una estimación con un amplio
margen de seguridad.
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Máxima
autonomía de energía
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En
el modo de ahorro de energía en espera de un
evento de registro, con sólo un banco de
batería activado, permaneció activo por
12400 minutos. Se estima que con todos los
bancos activados, el módulo de control
debiera superar los 86 días de autonomía.
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Medio de
registro
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Tarjetas
de memoria CompactFlash (CF) de al menos 4
GB y máximo 100 GB.
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Consumo de
memoria
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Depende
de la calidad de registro. En la máxima
calidad, 32 GB, 64 GB y 100 GB, corresponden
respectivamente a 16h:34min:12s,
33h:8min:24s y 51h:47min:5s. Sólo en el modo
de grabación continua el uso de la memoria
es el consistente con la autonomía final de
SALu. En los otros modos, la memoria se
dosifica para abarcar eventos en un rango
más amplio de tiempo.
En el modo Trigger, SALu puede
estar dos semanas registrando sólo cuando el
módulo de control determina que las
propiedades de sonido recibidas son tales
que merece registrarse. Si se registra en
calidades inferiores, la duración de la
memoria se incrementa considerablemente (ej.
32 GB, registrando a 44.1 kHz/16 bits,
corresponden a 101h:13min:22s). |
Desarrollo
¿Porqué SALu? En los
últimos 10 años han surgido varios proyectos
tecnológicos para desarrollar registradores
acústicos de fondo de mar y recientemente se han
agregado nuevos proveedores. Básicamente, estas
unidades se pueden reducir a dos conceptos de
diseño que cumplen con la función de registrar
sonido: a) un computador con hardware acústico,
baterías y elementos de almacenamiento de memoria;
y b) en base a usar una placa de circuito impresa
con un microprocesador que opere los botones de un
grabador en reemplazo del operador.
El primer concepto ya ha sido utilizado pero tiene
el problema de un aún muy elevado consumo de
energía. Entre los más avanzados, se ha logrado
disminuir el consumo a un amperio por hora sin
considerar accesorios. Así, en la práctica una
fuente de energía de 100 amperios, lograría una
autonomía de menos de cuatro días. Para elevarlo,
adicionar baterías aumentaría también el tamaño
del equipo.
El segundo concepto incluye un microprocesador con
menos alternativas de complejidad de software que
la primera opción, pero con un consumo
significativamente menor. Se aprovecha durante la
etapa de configurar los esquemas de registro, las
capacidades de un computador externo (pantalla,
teclado, procesamiento, etc) con una aplicación
que lo conecte con el microprocesador del
registrador remoto. Este ha sido el concepto más
desarrollado en los últimos años, utilizando en
general el mismo grabador (M-audio MKII) e
hidrófono (SQ-26) y la mayoría de sus cajas
estancas contenedoras son hechas por también el
mismo proveedor. Sin embargo, ninguna de estas
unidades parece presentar las características que
se requieren en la práctica en terreno.
Entre los problemas más comunes que se pueden
encontrar, están:
- elevado precio (hasta 20 mil USD);
- excesivo tamaño (más de un metro) y peso
dificultando el transporte, instalación y
recuperación por varias personas. La mayoría de
los sensores son hechos de cerámica y se dañan
al ser golpeados o expuestos a más de 60 C. Al
ser equipos tan delicados, es deseable que
puedan ser transportados como equipaje de mano y
una persona debiese ser suficiente para operar
en todas las etapas de su uso;
- pero los equipos que son de tamaño razonable,
poseen una autonomía de tan sólo algunas horas y
suelen ser programados sólo mediante un
computador externo;
- e incluso algunos producen archivos de sonido
sin fecha y hora de cuando fueron registrados,
perdiéndose esta información fundamental;
- los sensores con frecuencia son instalados
dentro de una jaula de metal, que puede alterar
la recepción omnidireccional, en forma directa o
al proveer de una superficie donde crecen
rápidamente organismos (ej. algas) pudiendo
alterar las capacidades del sensor conforme
avanzan los días. Esto es particularmente serio
para estudios en los que se desea instalar un
red de unidades georeferenciadas para triangular
la posición de la fuente de sonido - los
cetáceos;
- la mayoría posee formas cómodas para la
fabricación pero complicadas para la instalación
porque los sensores quedan en posiciones
inadecuadas;
- los eventos de registro se programan
generalmente en base a fecha, hora y duración.
Registrándose abundante material sin
necesariamente contener datos relevantes,
perdiéndose extensas horas de análisis por el
investigador, y
- tienen bloqueado el acceso por parte del
usuario al programa firmware del
microprocesador que controla la conducta del
equipo, impidiendo que su usuario pueda
modificarlo para agregarle o alterar sus
funciones en base a sus necesidades
particulares.
Así nace la idea de diseñar
un equipo que supere estas limitaciones.
En el desarrollo de un
equipo de este tipo, se requiere de la
comunicación entre los investigadores en terreno,
buzos, capitanes de embarcación, biólogos
acústicos, programadores, diseñadores, ingenieros
electrónicos y la maestranza que construye las
piezas. Con los potenciales problemas que pueden
surgir considerando que cada uno tiene intereses,
capacidades, lenguaje y motivación particulares y
que se traducen en el producto final.
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Tal vez la
característica que hace de SALu un equipo
tan sobresaliente es el que todas las
etapas, actividades y funciones descritas,
fueron desarrolladas por la misma persona,
conservando en todas la motivación,
preocupación por los detalles, y
conociendo de las necesidades y
capacidades de éstas.
En cuatro años, contando con el permanente
apoyo del Laboratorio Marino de Duke
University y OAK Foundation, G. Paolo
logró terminar el primer prototipo en un
nivel muy cercano al comercial.
El diseño del hardware fue modelado en
linux por las aplicaciones Blender y
OpenOffice.Draw. Mientras que la
electrónica fue diseñada y modelada
también con diversas aplicaciones linux.
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La construcción de SALu fue hecha en su taller
personal, mismo con el que diseñó y construyó el velero de
investigación Leviathan II. Otra parte fue
hecha en horas de la noche a bordo de la M/N
Atmosphere de Nomads
fo the Seas.
El software tanto para el
firmware del microprocesador de SALu como para la
aplicación que simplifica su programación, fueron
hechas en lenguaje java, con Netbeans para linux.
Más de seis mil líneas de código para SALi y 1500
para SALu resultaron en el aporte más relevante
para las características que diferencian a este
equipo de registro autónomo.
Operación
La operación con SALu es muy
simple. Se carga sus 10 bancos de baterías
mediante un único conector. El cargador verifica
el estado de cada banco y SALu posee un sensor de
temperatura que alerta al cargador ante
cualquier anomalía. Idealmente se carga de forma
simultánea la batería interna del grabador. Esta
se usa sólo para mantener la fecha, hora y
configuración del grabador mientras SALu está
apagada. Una vez que el cargador indica que está
cargado (LED verde), se desenchufa y procede a
programar la unidad controladora mediante un cable
USB conectado a un notebook (netbook, PC, PPC, u
otro equipado con Java).
La aplicación con la que se programa a SALu, es
SALi (Seafloor Acoustic Logger interface). SALi ha
sido concebida para facilitar gráficamente la
decisión del investigador, al momento de maximizar
el uso tanto de la energía como de la memoria
disponibles en SALu de acuerdo al tiempo que se
desea dejar instalada a SALu en el mar.
SALi requiere conocer el amperio del banco de
memoria disponible (100 A por defecto) y la
memoria instalada (64 GB por defecto). Luego el
programa toma la fecha y hora del computador donde
está instalada, para elaborar los cálculos
necesarios. A SALi se le indica cuándo debe
encenderse SALu, en qué modo hará los registros y
cuando será recuperada del mar. En esta última
pudiendo colaborar mediante indicaciones luminosas
y/o acústicas.
Las siguientes son unas capturas de pantalla de
una versión de SALi, la aplicación para programar
a SALu.
Se activa la batería
principal y enciende SALu (la batería interna del
grabador es automáticamente desconectada sin
perder los ajustes), los datos le son traspasados
a la unidad controladora por el cable USB y desde
entonces el equipo está listo para ser cerrado. en
espera a ser instalado en el mar. Esta
programación puede hacerse en terreno antes de
instalarse o incluso días antes en el laboratorio.
Si por alguna razón, en terreno se desea alterar
la programación y no se dispone de un computador,
PPC o Smartphone con SALi instalada, entonces se
pude cambiar el modo de grabación mediante el uso
de un panel de control en la Unidad de Control.
Los ajustes son indicados mediante LEDs y señales
acústicas simples a modo de evitar consumir
energía mediante una pantalla extra.
SALu puede instalarse mediante un descenso con una
cuerda desde una embarcación, (marcando su
posición con una boya que permite su izado
posterior) o libremente por un buzo con una bolsa
de levante simple. Dispone de tres patas
ajustables, conformando un triángulo equilátero
perfecto, que permiten una posición horizontal
(verificable con un nivel de burbuja incluido en
la parte superior de SALu). El sensor se levanta y
fija en la posición de operación, quedando sólo su
porción activa expuesta y sin necesidad de
herramientas.
Dependiendo de las condiciones locales puede ser
recomendable amarrarla a un ancla, roca u otro
elemento para evitar la acción de corrientes o de
terceros. Las pruebas hechas, han mostrado que el
propio peso de SALu y su forma le protegen de las
corrientes en forma eficiente. Su fijación obedece
más a una necesidad en lugares inseguros donde la
unidad pueda ser objeto de curiosos y ser hurtada.
SALu operará conforme fue programada y esperará
hasta el momento de ser recuperada. Si el programa
indicaba un término de actividad en una fecha y
hora, pero en la práctica es recuperada más tarde,
no es problema. El uso que SALu hará de dicho
tiempo extra dependerá del programa que le fue
solicitado. En algunos sólo significa que seguirá
registrando hasta que se le acabe la energía.
Cuando esto pasa, el grabador es desconectado
automáticamente mientras la unidad de control
entra en un modo de ahorro de energía manteniendo
una actividad mínima. Si la energía decae
demasiado, esta unidad también se apaga. Los datos
grabados en ningún momento son alterados por esta
situación.
Al recuperar a SALu, se procede a abrirla en la
embarcación o en el laboratorio, para apagar el
interruptor de encendido, desconectar el banco
principal de baterías (ya se puede iniciar una
nueva carga), y se conecta con un cable USB a la
unidad controladora para descargar los archivos
grabados. Durante esta etapa, la batería interna
del grabador es automáticamente recargada.
En
acción
Las pruebas han incluido
exámenes tanto en laboratorio, en tierra como en
el mar. Las primeras pruebas fueron hechas a bordo
de la M/N Atmosphere gracias a Nomads of the Seas
en la Patagonia chilena (bahía Tictoc). Donde
superó pruebas de estanqueidad, control de la
energía y se probaron los modods de grabación bajo
el agua. Luego se incluyó a SALu como equipo de
apoyo en un estudio de Línea de Base cerca de
Tortel, en islotes Edmundo - canal Plaza, siendo
por primera vez dejada sola en el mar. Los
registros resultaron sin cetáceos pero de
excelente calidad pese a una fuerte tormenta y las
bajas temperaturas debido a los abundante
glaciares en la zona. No así un segundo grabador
como control, instalado en la cubierta de la
embarcación, que fue afectado por las
temperaturas.
Finalmente, la prueba definitiva se desarrolló el
3 de agosto de 2010 en isla Chañaral, con el apoyo
de Céline Cousteau, César Villarroel, el equipo de
OCEANO (Nuevoespacio Producciones), Patricio Ortíz
y la Armada de Chile.
SALu, no sólo cumplió a la
perfección la misión para la que fue diseñada sino
que la naturaleza nos sorprendió. En pleno
invierno (hemisferio sur), con una tormenta de
viento norte, SALu detectó y registró las
vocalizaciones de varias ballenas.
Su presencia en invierno y conducta vocal fueron
una importante contribución tanto para la ciencia
como para la toma de decisiones en la
administración de la Reserva Marina Isla Chañaral.
Haga clic sobre los espectrogramas para
descargar/escuchar las vocalizaciones registradas
(son archivos MP3, puede tomar unos segundos).
Carecen de la calidad original (muy grande para
internet) y poseen un filtro low-pass a 380 Hz
para atenuar el ruido.
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