Vibroacoustic Quantification of a Coastal Seabed

Abstract

[Resumo]: O proxecto NumSeaHy céntrase en crear xemelgos dixitais das contornas do fondo mariño para simular e predicir interaccións vibro-acústicas que ocorren nestes ecosistemas. O seu obxectivo é profundar na comprensión dos fenómenos acústicos nas áreas do leito mariño ceñíndose á cultura open source, asegurando así, que os resultados sexan accesibles e reproducibles. Mapear e estudar o fondo mariño presenta retos desafiantes en comparación coa cartografía terrestre, xa que os métodos convencionais como a fotografía aérea e as imaxes satelitales non son precisas para realizar observacións baixo a auga. As técnicas acústicas, particularmente aquelas que involucran o uso de ecosondas, demostraron ser unha das máis efectivas para investigar as propiedades do fondo mariño. Sin embargo, os altos custos asociados coa creación de bases de datos precisas para a comparación de datos de ecosondas representan un reto desafiante. Este proceso xeralmente implica grandes campañas experimentais, con ecosondas montadas en barcos e mergulladores clasificando os ecogramas rexistrados mediante observacións directas. Para mitigar estes custos substanciais, o proxecto NumSeaHy busca desenvolver unha metodoloxía para expandir estas bases de datos virtualmente. Este enfoque innovador implica xerar escenarios aleatorios con diversos obxectos e analizar as súas respostas de frecuencia para identificar indicadores clave que poidan revelar a natureza e a cantidade de obxectos no fondo mariño. Os indicadores cruciais inclúen a localización e a magnitude da frecuencia de resonancia, proporcionando información esencial sobre os obxectos presentes. O traballo fin de mestrado está estruturado para incluír discusións sobre modelos matemáticos para a propagación de ondas en contornas de fondos mariños, técnicas numéricas para a resolución dos modelos, verificación dos modelos a través de problemas de referencia e estratexias de computación paralela para aliviar o alto custo computacional que conleva o cómputo da resuesta en frecuencia dos esecenarios. O traballo tamén presenta resultados de simulacións de varios escenarios que involucran obxectos situados aleatoriamente no dominio do fondo mariño.

[Abstract]: The Numerical characterisation of coastal seabed environments using hydroacoustic data-driven techniques (NumSeaHy) project focuses on creating digital twins of seabed environments to simulate and predict vibro-acoustic interactions that occur in these ecosystems. Its objective is to deepen the understanding of acoustic phenomena in seabed areas by adhering to the open-source culture, thereby ensuring that the results are accessible and reproducible. Mapping and studying the seabed present challenging obstacles compared to terrestrial mapping, as conventional methods like aerial photography and satellite imagery are not accurate for underwater observations. Acoustic techniques, particularly those involving the use of echosounders, have proven to be among the most effective for investigating seabed properties. However, the high costs associated with creating precise databases for echosounder data comparison present a significant challenge. This process generally involves extensive experimental campaigns, with echosounders mounted on ships and divers classifying recorded echograms through direct observations. To mitigate these substantial costs, the NumSeaHy project aims to develop a methodology for virtually expanding these databases. This innovative approach involves generating random scenarios with various objects and analyzing their frequency responses to identify key indicators that can reveal the nature and quantity of objects in the seabed. Crucial indicators include the location and magnitude of the resonance frequency, providing essential information about the objects present. The master’s thesis is structured to include discussions on mathematical models for wave propagation in seabed environments, numerical techniques for solving the models, verification of the models through benchmark problems, and parallel computing strategies to alleviate the high computational cost associated with computing the frequency response of the scenarios. The thesis also presents results from simulations of various scenarios involving objects randomly situated within the seabed domain.

[Resumen]: El proyecto NumSeaHy se centra en crear gemelos digitales de los entornos del fondo marino para simular y predecir interacciones vibro-acústicas que ocurren en estos ecosistemas. Su objetivo es profundizar en la comprensión de los fenómenos acústicos en las áreas del lecho marino ceñíndose a la cultura open source, asegurando así, que los resultados sean accesibles y reproducibles. Mapear y estudiar el fondo marino presenta retos desafiantes en comparación con la cartografía terrestre, ya que los métodos convencionales como la fotografía aérea y las imágenes satelitales no son precisas para realizar observaciones bajo el agua. Las técnicas acústicas, particularmente aquellas que involucran el uso de ecosondas, han demostrado ser una de las más efectivas para investigar las propiedades del fondo marino. Sin embargo, los altos costos asociados con la creación de bases de datos precisas para la comparación de datos de ecosondas representan un reto desafiante. Este proceso generalmente implica grandes campañas experimentales, con ecosondas montadas en barcos y buzos clasificando los ecogramas registrados mediante observaciones directas. Para mitigar estos costos sustanciales, el proyecto NumSeaHy busca desarrollar una metodología para expandir estas bases de datos virtualmente. Este enfoque implica generar escenarios aleatorios con diversos objetos y analizar sus respuestas eng frecuencia para identificar indicadores clave que puedan revelar la naturaleza y la cantidad de objetos en el fondo marino. Los indicadores cruciales incluyen la ubicación y la magnitud de la frecuencia de resonancia, proporcionando información esencial sobre los objetos presentes. El trabajo fin de máster está estructurado para incluir discusiones sobre modelos matemáticos para la propagación de ondas en entornos de fondos marinos, técnicas numéricas para la resolución de los modelos, verificación de los modelos a través de problemas de referencia y estrategias de computación paralela para aliviar el alto coste computacional que conlleva el cómputo de la respuesta en frecuencia de los esecenarios. El trabajo también presenta resultados de simulaciones de varios escenarios que involucran objetos situados aleatoriamente en el dominio del fondo marino.