Escuchar el océano. Ingenieros desarrollan un hidrófono económico

Cuando pensamos en el océano, solemos imaginar paisajes visuales: aguas azules, arrecifes, vida marina. Sin embargo, bajo la superficie existe un mundo que no se ve, pero está siempre activo: el mundo de las ondas acústicas.

El océano es un ecosistema dinámico, donde muchos procesos naturales y humanos generan un entorno sonoro complejo, ballenas que se comunican a grandes distancias, delfines que emplean ecolocalización y embarcaciones que generan ruido constante.

Algunas ondas son percibidas por animales marinos o por el oído humano mediante instrumentos como los hidrófonos o arreglos de sensores denominados sonares. Estos últimos permiten oír y reconocer la dirección del sonido bajo el agua, algo indispensable para facilitar el monitoreo ambiental y mejorar la seguridad marítima.

Sin embargo, escucharlo ha sido históricamente complejo, debido a la necesidad de tecnología especializada, resistente a condiciones adversas y a los altos costos.

Localizar, identificar y clasificar

Los dispositivos más comunes para registrar el sonido bajo el agua son los hidrófonos, equivalentes a micrófonos con la capacidad de sumergirse. Estos sensores detectan cambios en la presión acústica, es decir, “escuchan” qué tan fuerte es un sonido.

Un solo hidrófono no puede indicar de dónde viene el sonido, se utilizan varios sensores separados entre sí para comparar diferencias en el tiempo de llegada de la señal y estimar la posición de la fuente sonora. Sin embargo, lo anterior incrementa el costo, el tamaño y la complejidad de los sistemas, limitando el acceso a estas tecnologías.

Posteriormente, los sonidos detectados se analizan descomponiéndolos en frecuencias mediante herramientas matemáticas como la transformada de Fourier, con la que se detectan las frecuencias de sonido que integran la señal.

Con una base de datos previa y comparando con lo registrado anteriormente, se clasifica qué produce el sonido, o bien se diferencia entre emisiones sonoras de una embarcación, de un animal marino o de un fenómeno natural.

A diferencia de los tradicionales, los hidrófonos vectoriales no solo miden la intensidad, sino que su respuesta depende de la dirección de la que proviene. En otras palabras, no solo escuchan, también “apuntan” hacia la fuente sonora. Este pequeño cambio simplifica sistemas que antes requerían múltiples sensores.

El papel de los materiales piezoeléctricos

Un elemento clave en el desarrollo de hidrófonos y proyectores son los materiales piezoeléctricos. Estos generan electricidad cuando se deforman y se deforman cuando reciben una señal eléctrica. Esta capacidad los convierte en el núcleo de los dispositivos que permiten “escuchar” el ambiente submarino.

¿Cómo funcionan? El sonido viaja por el agua en forma de vibraciones. Estas vibraciones producen pequeñas deformaciones en el material piezoeléctrico, que se transforman en señales eléctricas medibles. Sin embargo, no todos los materiales responden igual. La eficiencia de esa conversión depende en gran medida de su forma y de cómo vibran.

Los materiales piezoeléctricos se fabrican como discos, placas, anillos o barras. Cada geometría favorece distintos modos de vibración. Por ejemplo, un disco se expande y se contrae, mientras que una barra se dobla. Estas formas de vibrar están ligadas a la frecuencia de resonancia, es decir, la frecuencia a la que el material responde con mayor facilidad.

Diseñar un sensor implica aprovechar este fenómeno para hacerlo más sensible a ciertos sonidos, como los de baja frecuencia generados por embarcaciones. Además, la composición del material también influye. Algunas cerámicas, como el PZT, son muy sensibles, pero presentan efectos como la histéresis, lo que significa que tardan en recuperar su forma original. Otros como los polímeros, son más flexibles y estables, aunque menos sensibles.

Este panorama ha llevado a investigar no solo qué material usar o qué forma darle, sino cómo sujetarlos. La manera en que un material está fijado cambia su comportamiento, modifica tanto la frecuencia a la que vibra como la intensidad de su deformación.

Un ejemplo son las estructuras cantiléver —similares a una regla sujeta por un extremo—, que amplifican ciertas vibraciones. Estas configuraciones se utilizan de forma limitada en hidrófonos convencionales, pero son comunes en sensores microscópicos conocidos como MEMS, donde resultan útiles para detectar la dirección del sonido.

El reto no es solo fabricar un sensor que escuche bajo el agua, sino que sea suficientemente sensible, direccional, resistente y económico para usarse fuera de laboratorios altamente especializados.

Un hidrófono económico

El hidrófono direccional desarrollado por un grupo de investigación en la Universidad Veracruzana propone una forma más simple y accesible de construir sensores acústicos direccionales a través de una delgada placa piezoeléctrica montada como una estructura cantiléver.

Cuando una onda acústica llega al sensor, la placa se dobla de manera distinta según la dirección de incidencia acústica. Esa deformación genera una señal eléctrica que no solo indica la presencia de una señal acústica, sino también sobre su dirección aproximada.

El prototipo fue fabricado con materiales comerciales y piezas impresas en 3D, logrando un costo del elemento transductor menor a 40 pesos, muy por debajo de sistemas tradicionales. Aunque no busca competir con equipos de alto desempeño, sí demuestra que es posible obtener una respuesta direccional clara mediante una arquitectura simple y replicable.

Este resultado representa un paso hacia sensores submarinos más accesibles para docencia, investigación aplicada, monitoreo ambiental y desarrollo tecnológico local.

El sensor aún se encuentra en fase de desarrollo. Pero sus creadores han probado y caracterizado diversos prototipos en el Laboratorio de Acústica Subacuática del Instituto de Investigación y Desarrollo Tecnológico de la Secretaría de Marina de México.

Cadena de valor

En los últimos años, distintas investigaciones han demostrado que es posible diseñar hidrófonos vectoriales utilizando materiales especializados y configuraciones complejas, lo que permite mantener capacidades de medición útiles para aplicaciones específicas.

Estos operan en rangos de frecuencia especialmente útiles para aplicaciones reales. Por ejemplo, monitorean el ruido generado por embarcaciones cuyas firmas acústicas son características, localizan balizas submarinas utilizadas por vehículos autónomos o ayudan a recuperar cajas negras de aviones accidentados.

Además, se emplean para estudiar el tipo de fondo y los sustratos debajo del lecho marino a partir del eco acústico, o en sistemas de defensa donde contribuyen a la resolución de problemas clásicos como la ambigüedad izquierda-derecha en arreglos de sensores.

Más allá de la tecnología, el verdadero cambio ocurre en la cadena de valor. Tradicionalmente, los hidrófonos comerciales pueden costar miles de dólares por unidad, dependiendo de su precisión y aplicación. Esto ha limitado su adopción en gran parte del mundo.

En la comunidad hispanohablante —que supera los 500 millones de personas— el acceso a esos sistemas sigue siendo reducido, especialmente en universidades o centros de investigación con presupuestos limitados.

En América Latina, la mayoría de las organizaciones no fabrican estos sensores ni el material piezoeléctrico necesario para construirlos, sino que los importan o los desarrollan como prototipos.

La reducción de costos abre así una oportunidad estratégica: pasar de depender de unos pocos sensores importados a desplegar redes distribuidas, más económicas y adaptadas a necesidades locales. Esto no solo amplía el acceso tecnológico, sino que también impulsa el desarrollo de capacidades propias en ingeniería, manufactura y monitoreo oceánico.

¿Y para qué sirve escuchar el océano?

Las aplicaciones de esta tecnología son diversas: monitorear el impacto del ruido en especies marinas, especialmente aquellas que dependen del sonido para comunicarse.

Adrián Farcas y su equipo publicaron un estudio sobre mapas de ruido en el Atlántico noreste producido por el tráfico marítimo, lo cual permite articular políticas públicas que protejan los ecosistemas submarinos.

Entre 70% y 80% de los bienes que se consumen en el mundo se transportan por vía marítima, lo que ha intensificado el tráfico de embarcaciones. En países como México, este fenómeno deberá monitorearse con mayor rigor, debido a que la relocalización de las cadenas de valor por el denominado “nearshoring”, que trasladará una carga importante del comercio de China al Golfo de México y al Pacífico central, lo que continuará impulsando el crecimiento de los puertos y la logística marítima.

Este contexto hace cada vez más necesario contar con herramientas de monitoreo del entorno submarino de forma eficiente y accesible. También representa una oportunidad para ampliar el acceso a la investigación científica, facilitando que más instituciones estudien el océano. La tendencia actual apunta al desarrollo de redes de sensores capaces de monitorear el océano en tiempo real.

Al combinar estos sistemas con herramientas de análisis de datos, es posible imaginar un futuro en el que el sonido del océano se utilice para entender mejor el medioambiente, mejorar la seguridad y apoyar la toma de decisiones.

La posibilidad de desarrollar hidrófonos vectoriales de bajo costo no solo representa un avance tecnológico, también abre la puerta a una nueva forma de relacionarnos con el océano: más accesible, más informada y consciente de su importancia.