Jason Holmes, a mechanical engineering graduate student at Boston University and guest researcher at Woods Hole Oceanographic Institute, has devised a low-cost, highly sensitive array of underwater ears that is perking up interest in both homeland security and ocean research circles. Holmes' device -- an underwater hydrophone array designed to be towed by a small, autonomous submarine -- can monitor for ocean-going threats to America's waterways or for sound for ocean acoustics studies.
Holmes will present research on his underwater listening device in Vancouver on May 20 at the semi-annual meeting of the Acoustical Society of America.
The array combines sophisticated engineering with off-the-shelf hardware to create a relatively inexpensive but highly sensitive underwater listening device. The prototype comprises six underwater microphones, or hydrophones, spaced inside a 30-foot plastic tube filled with mineral oil. The array tube is filled with mineral oil to create neutral buoyancy, allowing the array to float behind the underwater towing vehicle.
Signals from the hydrophones are captured and stored on mini-disc recorders aboard the unpiloted submarine, which is called Remus. Designed by Woods Hole Oceanographic Institution, Remus looks like a small torpedo and can navigate autonomously underwater around obstacles and through harbors using GPS sensors, sonar, and electronic maps.
Listening arrays typically used by the military and ocean scientists are towed behind ships and are very long, the shortest being around 1,500 feet long, and are several inches in diameter. At 30 feet in length and 1.1 inches in diameter, the extremely compact prototype can easily be towed through the water by a small, quiet, battery-powered craft. The compact size of the towing sub and array make it easy for one or two people to launch the system, compared to the fully crewed ships required for conventional hydrophone systems.
Holmes originally developed the array to help him study how sound waves travel through shallow water, where sound is refracted by the bottom. Until recently, most acoustic ocean studies have been conducted in deep water, where the bottom has little effect on sound. Holmes constructed the hydrophone system to tackle the problem of how sound waves behave in shallow water, but the U.S. Navy saw the device as a potential security tool, one that is vastly less expensive than the multi-million dollar listening arrays currently in use. Parts for Holmes' array cost a mere $4,000 and are available as off-the-shelf technology.
Holmes is now working with the military to further develop the array for underwater intelligence gathering. Holmes says his next project will comprise four underwater hydrophone arrays towed by a fleet of unpiloted subs that could travel up to 4 kilometers per trip. Holmes and his faculty advisor William Carey, a professor of aerospace and mechanical engineering in BU's College of Engineering, say they envision a fleet of entirely autonomous listening subs will prowl the seas, returning to underwater recharging stations to upload their data and refresh their batteries.
"A lot of people were skeptical this would even work," Carey says. "But the way Jason has designed this array, this will change the way ocean measurements are made."
(NC&T) El sistema, inventado por Jason Holmes, recién graduado en ingeniería mecánica en la Universidad de Boston e investigador invitado en el Instituto Oceanográfico Woods Hole, está despertando interés tanto en círculos de investigación oceanográfica como en cuestiones de seguridad.
El dispositivo comprende una serie de micrófonos subacuáticos diseñados para ser remolcados por un pequeño submarino autónomo. El conjunto de hidrófonos combina ingeniería sofisticada con hardware cotidiano (que puede comprarse en cualquier parte) para crear un dispositivo de escucha relativamente barato pero muy sensible. El prototipo comprende seis micrófonos subacuáticos, o hidrófonos, espaciados dentro de un tubo de plástico de 9 metros lleno de aceite de parafina. El tubo está lleno con aceite de parafina para crear una flotabilidad neutra, permitiéndole al conjunto de micrófonos flotar detrás del vehículo remolcador subacuático.
Las señales de los hidrófonos se guardan en mini-discos a bordo del submarino no tripulado, llamado Remus. Diseñado por el Instituto Oceanográfico Woods Hole, Remus parece un torpedo pequeño y puede navegar autónomamente, esquivar obstáculos y moverse a través de puertos, ya que usa sensores GPS, un sonar y mapas electrónicos.
Los dispositivos de escucha usados típicamente por el ejército y los oceanógrafos se remolcan detrás de los navíos y son muy grandes; el más pequeño mide alrededor de 450 metros de largo. El prototipo de Holmes tiene una longitud de 9 metros, y un diámetro de 28 milímetros. Es extremadamente compacto y puede ser remolcado con facilidad por una nave pequeña. El tamaño compacto del remolque y del prototipo hace muy fácil su operación contando con una o dos personas, en contraste con los sistemas convencionales que utilizan naves con una tripulación numerosa.
Holmes desarrolló el dispositivo originalmente para que le ayudara a estudiar cómo el sonido de las olas viaja a través del agua poco profunda, donde el sonido es refractado por el fondo. La mayoría de estudios acústicos del océano se han llevado a cabo en aguas profundas, donde el fondo no afecta mucho al sonido. La Armada Estadounidense vio el dispositivo como una potencial herramienta de seguridad, extremadamente barata en comparación a los sistemas actualmente en uso que cuestan millones de dólares. Las piezas para el dispositivo de Holmes cuestan unos cuatro mil dólares y se pueden encontrar en cualquier lugar.
Holmes está ahora trabajando con el ejército para mejorar el diseño del dispositivo y usarlo en la recolección de datos de inteligencia subacuática. El próximo proyecto de Holmes comprenderá cuatro series de hidrófonos submarinos remolcados por una flota de sumergibles no tripulados que podrían viajar 4 kilómetros en cada desplazamiento.
Holmes y su asesor William Carey, profesor de ingeniería aerospacial y mecánica en la Universidad de Boston, ya imaginan una flota de submarinos robot merodeando por el mar a la escucha de señales sospechosas, y regresando periódicamente a sus estaciones submarinas para transferir los datos obtenidos y recargar sus baterías.
