In recent decades, acoustic techniques have become the most appropriate tools for biomass estimation in the fishing industry. This is because acoustic waves are the only waves that can be used for remote sensing in the aquatic environment due to their low attenuation compared to electromagnetic waves, which are usually used in long-distance communications in the atmosphere. Ultrasonic echo sounders allow sampling of water columns and cover large areas of ocean by means of sampling campaigns conducted by oceanographic vessels, providing information on fish stocks of commercial interest. Furthermore, as a result of the overexploitation of fishery resources and to cover increasing demand, fish production has been developed as an alternative to capture. Although several species are bred in captivity, in Spain we can highlight three in particular, due to the high economic impact and degree of implantation: Gilt-head bream (Sparus aurata), sea bass (Dicentrarchus labrax) and Bluefin tuna (Thunnus thynnus). There is demand in the aquaculture industry for techniques developed in the field of fishery acoustics to control and estimate biomass. However, various problems related to the geometry of the application and high fish densities in intensive aquaculture have made these techniques difficult to apply directly. The study of biomass and species classification has progressed in parallel with the development of sonar and echo sounder systems used for this type of applications, and particularly with the evolution of ultrasonic transducers. Operation frequency, transmission power, bandwidth and directivity are key factors in the acoustic methods applied to fishing. In addition, other aspects of research are becoming more relevant in this sector, such as the study of nonlinear parametric sound generation. This generation or parametric effect, produced in the medium, has focused so far especially on bathymetry or classification of the oceanic subsoil, by offering much lower operation frequencies with the same directivity as the beam generated at high frequency. Nowadays, their feasibility is studied for application to fisheries or aquaculture, due to the possibility of working at several frequencies with the same transducer, given the same radiation characteristics, which is not possible in the linear regime. This thesis presents the design of an ultrasound transducer for biomass estimation with specific characteristics and demonstrates its capacity to work in a non-linear regime with optimum apertures for use in shallow water or in aquaculture cages. Chapter 2 presents general information on ultrasound waves, the medium through which they are propagated and an introduction to non-linear generation. General concepts in ultrasound generation and design are presented in Chapter 3. Chapter 4 shows the numerical models used to reinforce the experimental results presented during this thesis. Chapter 5 covers the design of the transducer, encompassing all the processes, from characterization of the materials, to assembly, operation and simulation of designed prototypes. To conclude, Chapter 6 presents the behavior of prototypes in a nonlinear regime and their feasibility for estimating biomass of different species in shallow water. / Las técnicas acústicas se han convertido en las últimas décadas en las herramientas más apropiadas para la estimación de biomasa en el sector pesquero. Esto es debido a que las ondas acústicas son las únicas que pueden utilizarse para teledetección en el medio acuático, por su baja atenuación, comparadas con las ondas electromagnéticas, que son las usadas habitualmente en comunicaciones a larga distancia en la atmósfera. Las ecosondas ultrasónicas permiten muestrear la columna de agua y cubrir grandes extensiones de océano mediante campañas de muestreo realizadas por buques oceanográficos, ofreciendo información de las poblaciones de peces de interés comercial. Por otro lado, como consecuencia de la sobreexplotación de los recursos pesqueros y para cubrir la demanda creciente para su consumo, se ha desarrollado como alternativa a la captura, la producción piscícola. Aunque hay diversas especies que se crían en cautividad, en España podemos destacar tres en particular, por el alto impacto económico y grado de implantación: Dorada (Sparus aurata), lubina (Dicentrarchus labrax) y atún rojo (Thunnus thynnus). La aplicación de las técnicas desarrolladas en el campo de la acústica de pesquerías para el control y estimación de la biomasa en jaulas flotantes, es una demanda del sector acuicultor. Sin embargo, diferentes problemas relacionados con la geometría de la aplicación y las altas densidades de peces con las que se trabaja en acuicultura intensiva, han dificultado la aplicación directa de las mismas. Los avances en el estudio de la biomasa o en la clasificación de especies han ido en paralelo con el desarrollo de los sistemas sonar y ecosondas usados para este tipo de aplicaciones, y particularmente con la evolución de los transductores ultrasónicos empleados. La frecuencia de trabajo, la potencia de emisión, el ancho de banda, así como la directividad son factores clave en los métodos acústicos aplicados a la pesca. Además, otras vertientes de investigación están adquiriendo mayor relevancia en este sector, como por ejemplo, el estudio de la generación no lineal paramétrica de sonido. Esta generación o efecto paramétrico, producido en el medio, se ha enfocado hasta ahora especialmente en batimetrías o en la clasificación del subsuelo oceánico, por ofrecer frecuencias de trabajo mucho más bajas con la misma directividad que el haz generado a alta frecuencia. Actualmente, se estudia su viabilidad para ser aplicado a pesquerías o a acuicultura, debido a la posibilidad de trabajar a varias frecuencias con un mismo transductor, presentado éstas las mismas características de radiación, lo que no es posible en el régimen lineal. Esta tesis presenta el diseño de un transductor de ultrasonidos para la estimación de biomasa con unas características específicas. Demostrando, además, la capacidad de éste para poder trabajar en régimen no lineal con aperturas adecuadas para su uso en aguas poco profundas o en jaulas de acuicultura. En el capítulo 2 se presenta información general sobre las ondas de ultrasonidos y el medio por donde se propagan, así como una introducción a la generación no-lineal. Conceptos generales sobre la generación de los ultrasonidos y el diseño se presentan en el capítulo 3. En el capítulo 4, se muestran los modelos numéricos utilizados para afianzar los resultados experimentales presentados durante la tesis. El capítulo 5 recoge el diseño del transductor, que englobará todos los procesos, desde la caracterización de los materiales, hasta el montaje, puesta en marcha y simulación de los prototipos creados. Para finalizar el capítulo 6 presenta el comportamiento de los prototipos en régimen no lineal y su viabilidad para estimar biomasa de diferentes especies en aguas poco profundas / Les tècniques acústiques s'han convertit en les últimes dècades en les ferramentes més apropiades per a l'estimació de biomassa en el sector pesquer. Això és degut a que les ones acústiques són les úniques que poden utilitzar-se per teledetecció en el medi aquàtic, per la seva baixa atenuació, comparades amb les ones electromagnètiques, que són les usades habitualment en comunicacions a llarga distància en l'atmosfera. Les ecosondes ultrasòniques permeten mostrejar la columna d'aigua i cobrir grans extensions d'oceà mitjançant campanyes de mostreig realitzades per vaixells oceanogràfics, oferint informació de les poblacions de peixos d'interès comercial. Per altre costat, com a conseqüència de la sobreexplotació dels recursos pesquers i per cobrir la demanda creixent per al seu consum, s'ha desenvolupat com a alternativa a la captura, la producció piscícola. Encara que hi ha diverses espècies que es crien en captivitat, a Espanya podem destacar tres en particular, per l'alt impacte econòmic i grau d'implantació: Daurada (Sparus aurata), llobarro (Dicentrarchus labrax) i tonyina vermella (Thunnus thynnus). L'aplicació de les tècniques desenvolupades en el camp de l'acústica de pesqueres pel control i estimació de la biomassa en gàbies flotants, és una demanda del sector aqüicultor. No obstant això, diferents problemes relacionats amb la geometria de l'aplicació i les altes densitats de peixos amb les que es treballa en aqüicultura intensiva, han dificultat l'aplicació directa de les mateixes. Els avanços en l'estudi de la biomassa o en la classificació d'espècies han anat en paral·lel amb el desenvolupament dels sistemes sonar i ecosondes usats per a aquest tipus d'aplicacions, i particularment amb l'evolució dels transductors ultrasònics empleats. La freqüència de treball, la potència d'emissió, l'ample de banda, així com la directivitat són factors clau en els mètodes acústics aplicats a la pesca. A més, altres vessants d'investigació estan adquirint major rellevància en aquest sector, com per exemple, l'estudi de la generació no lineal paramètrica de so. Aquesta generació o efecte paramètric, produït en el medi, s'ha enfocat fins ara especialment en batimetries o en la classificació del subsòl oceànic, per oferir freqüències de treball molt més baixes amb la mateixa directivitat que el feix generat a alta freqüència. Actualment, s'estudia la seva viabilitat per a ser aplicat a pesqueries o a aqüicultura, a causa de la possibilitat de treballar a diverses freqüències amb un mateix transductor, presentat aquestes les mateixes característiques de radiació, el que no és possible en el règim lineal. Esta tesi presenta el disseny d'un transductor d'ultrasons per a l'estimació de biomassa amb unes característiques específiques. Demostrant, a més, la capacitat d'aquest per poder treballar en règim no lineal amb obertures adequades per al seu ús en aigües poc profundes o en gàbies d'aqüicultura. En el capítol 2 es presenta informació general sobre els ultrasons i el mitjà pel qual es propaguen, així com una introducció a la generació no-lineal. Conceptes generals sobre la generació dels ultrasons i el disseny es presenten en el capítol 3. En el capítol 4, es mostren també els models numèrics utilitzats per a refermar els resultats experimentals presentats durant la tesi. El capítol 5 recull el disseny del transductor, que englobarà tots els processos, des de la caracterització dels materials fins al muntatge, posada en marxa i simulació dels prototips creats. Finalment, el capítol 6 presenta el comportament dels prototips en règim no lineal i la seua viabilitat per a estimar biomassa de diferents espècies en aigües poc profundes. / Ordoñez Cebrián, P. (2017). Ultrasonic transducer design: Feasibility as parametric echosounder in shallow water [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86192

Atlantic Bluefin tuna (Thunnus thynnus) is a highly value specie that was endangered during the turn of the century by overfishing. Due to the massive resource exploitation, a recovery plan was implemented by the International Commission for the conservation of Atlantic Tunas (ICCAT). That plan enforces three major rules: to establish a fishing quota, to impose a closed fishing seasons and to fix minimum catching size (30kg). With the aim to control and improve as much as possible the fattening process turns necessary develop tools to help tuna ranchers. These tools will help them to improve tuna production efficiency in sea cages. Moreover, it is necessary the improvement of fishing quota control mechanisms. Acoustic techniques have been revealed as an efficient biomass control tool in aquaculture cages (mainly to salmon and gilthead sea bream). However, underwater acoustic methods (that are used to remote sensing of fish schools in free water) are not usually applied in sea cages. Nowadays, production control, in tuna fattening cages, has made either by manual sampling or by the use of stereoscopic cameras system. The former, it can cause damages to fishes and increases costs to ranchers. The latter, it is non-intrusive to tuna but it is affected by depth and water turbidity and it is limited by camera field of vision. A feasibility study of the use of acoustic techniques in tuna fattening cages to production control as well as to evaluate tuna behavior in captivity is presented In this thesis. Research and development of techniques together with experimental setups used are limited by tuna size and cage volume. General information about Bluefin tuna and their farming in sea cages is included in Chapter 2. In order to provide the necessary understanding of the field, Chapter 3 perform a progressive introduction of theoretical concepts in relation with underwater acoustic techniques linked with biomass estimation. To find out the tuna behavior inside the cages after being captured an experiment was carried out. Likewise, a second experiment was proposed to evaluate the response of tunas to certain anthropogenic sounds (as those produced by offshore wind turbine). The methodology and results of both studies presented are discussed in Chapter 4. Chapter 5 shows the feasibility of the use of acoustic techniques to evaluate "ex situ" dorsal target strength (TS). A relationship between dorsal aspect TS and tuna length was obtained. To perform it, four different tuna size in four separated sea cages were measured using two EK60 echosounders working at 120 and 200 kHz respectively. Using data from tuna slaughter on a farm, relations between the weight and the different dimensions of the tuna: length, maximum width and height have been looked for. Obtained expressions allow to calculate fattened tunas weight from the three tuna dimensions. Results are shown in Chapter 6. In order to expand the study carried out in Chapter 5, an experiment was proposed to determine the relationship between ventral TS and tuna size. In this case, measurements were carried out using acoustic and optic techniques in a new setup concept. A stereoscopic vision system synchronized with two echosounders (EK60) emitting at 120 and 200 kHz were used. With this setup, it is possible to know the value of the TS for a certain tuna that was recorded and measured with the cameras. As in the dorsal measures case, it was sought to know the applicability degree of combined technique in fattened tuna cages. This study and its results are presented in Chapter 7. Finally, in Chapter 8, a new method to counting tuna using acoustic techniques is presented. This method is intended to facilitate counting tuna during transfer process. The use of underwater acoustic techniques allows to automate tuna counting and to make it immune to water turbidity during transfers. To achieve it, a side scan sonar working 200 kHz was used. / El atún rojo (Thunnus thynnus) es una especie de alto valor económico que se vio amenazada en el cambio de siglo por la sobrepesca. Este hecho llevó a la Comisión Internacional para la Conservación del Atún Atlántico (ICCAT) , a establecer un Plan de recuperación cuyas tres ejes principales fueron: imponer un férreo sistema de cuotas de pesca, limitar los periodos en los que esta especie puede ser capturada y fijar una talla mínima de captura .Los productores, afectados por las restricciones impuestas a la captura necesitan de herramientas para el control del proceso de engrase que permitan mejorar la eficiencia de dicho proceso. Del mismo modo se precisa la mejora de las herramientas utilizadas para el control de la cuota pesquera asignada. El control de la biomasa en las jaulas de engrase de atunes se realiza, bien mediante muestreos manuales que pueden provocar daños a los peces y resultar costosos operacional y económicamente, o bien mediante el uso de sistemas de cámaras estereoscópicas, no invasivas con los peces, pero que se ven limitadas por el alcance del campo de visión de las cámaras, la profundidad y la turbiedad del agua. Las técnicas acústicas se han revelado como una herramienta eficiente para el control de la biomasa en jaulas de cría para otras especies de gran consumo, como la dorada o el salmón. En esta tesis se propone estudiar la viabilidad del uso de las técnicas acústicas para el control de los atunes en las jaulas de engrase, así como para la evaluación del comportamiento de los atunes cuando pasan de vivir en estado salvaje a estar confinados en jaulas marinas. El tamaño de los atunes, así como la forma y tamaño de las jaulas donde son engrasados, limita los estudios y las configuraciones de medida presentadas en el presente documento. En el Capítulo 2 se incluye información general sobre del atún rojo y sobre su engrase en cautividad. Seguidamente, en el Capítulo 3, se ofrecen los conceptos básicos y la formulación sobre acústica submarina para facilitar la comprensión del resto de capítulos. Se realizó un experimento con el objetivo de conocer cómo se comporta el atún rojo en cautividad y si dicho comportamiento se veía alterado cuando era sometido a estímulos sonoros externos de carácter antropogénico. La metodología y los resultados de este estudio se muestran en el Capítulo 4. En el Capítulo 5, se evalúa la idoneidad del uso de técnicas acústicas para establecer una relación entre el tamaño del atún rojo y el TS (a 120 y 200 kHz), cuando se realizan las medidas desde la superficie del mar y con los sensores orientados hacia el fondo (vista dorsal de los peces). A partir de datos provenientes del sacrifico de peces engrasados, se han buscado relaciones entre el peso y las dimensiones del atún rojo. De este modo se han obtenido expresiones que predicen el peso medio de los peces engrasados en una jaula a partir de su longitud, altura y anchura máxima. Dichas expresiones se muestran en el Capítulo 6. Haciendo uso de las técnicas acústicas combinadas con un sistema de visión estereoscópica, se ha estudiado la viabilidad de obtener relaciones entre la longitud del atún rojo y el TS (a 120 y 200 kHz) en jaulas de engrase desde el punto de vista ventral. Para ello, se dispusieron los equipos en el fondo de la jaula de engrase y se registraron los datos con todos los sensores sincronizados y mirando hacia la superficie. De este modo se pudo conocer el valor del TS de un pez determinado que es grabado con un sistema estereoscópico que nos facilitara datos sobre su longitud, anchura máxima y orientación respecto del transductor. Se presenta en el capítulo 8 un método para el conteo de atunes mediante técnicas acústicas usando un sonar de barrido lateral trabajando a 200 kHz. Esta técnica novedosa pretende facilitar el conteo de ejemplares durante los procesos de transferencia, automatizándolo en gran medida y haciéndolo inmune a la fa / La tonyina roja (Thunnus thynnus) és una espècie d'alt valor econòmic que es va veure amenaçada durant el canvi de segle per la sobrepesca. Este fet va portar a la Comissió Internacional per a la Conservació de la Tonyina Atlàntica (ICCAT), a establir un pla de recuperació que tenía com a eixos principals imposar un ferri sistema de quotes de pesca, limitar els períodes en què esta espècie pot ser capturada, a fixar una talla mínima de captura. Els productors, afectats per les restriccions imposades a la captura necessiten de ferramentes per al control del procés de engreixament que permeten millorar l'eficiència del procés. De la mateixa manera, es precisa la millora de les ferramentes utilitzades per al control de la quota pesquera assignada. El control de la biomassa en les gàbies d'engreixament de tonyines es realitza, bé per mitjà de mostrejos manuals que poden provocar danys als peixos i resultar costosos operacional i econòmicament, o bé per mitjà de l'ús de sistemes de càmeres estereoscòpiques no invasives amb els peixos, però que es veuen limitades per l'abast del camp de visió de les càmeres, la profunditat i la terbolesa de l'aigua. Les tècniques acústiques s'han revelat com una ferramenta eficient per al control de la biomassa en gàbies de cria per a altres espècies de gran consum com la daurada o el salmó. En esta tesi es proposa estudiar la viabilitat de l'ús de les tècniques acústiques per al control de les tonyines en les gàbies engreixament, així com per a l'avaluació del comportament de les tonyines quan passen de viure en estat salvatge, a estar confinades en gàbies marines. La grandària de les tonyines, així com la forma i grandària de les gàbies on són engreixades, limita els estudis i les configuracions de mesura presentades en este document. En el Capítol 2, s'inclou informació general sobre la tonyina roja i sobre el seu engreixament en captivitat. A continuació, en el Capítol 3, s'ofereixen els conceptes bàsics i la formulació sobre acústica submarina per a facilitar la comprensió de la resta de capítols. Es va realitzar un experiment amb l'objectiu de conèixer com es comportava la tonyina roja en captivitat, i si este comportament es veia alterat quan era sotmesa a estímuls sonors externs de caràcter antropogènic. La metodologia i els resultats d'este estudi es mostren en el Capítol 4. En el Capítol 5, s'avalua la idoneïtat de l'ús de tècniques acústiques per a establir una relació entre la grandària de la tonyina roja i el TS (a 120 i 200 kHz), quan es realitzen les mesures des de la superfície del mar i amb els sensors orientats cap al fons (vista dorsal dels peixos). A partir de dades provinents del sacrifici de peixos engreixats, s'han buscat relacions entre el pes i les dimensions de la tonyina roja. D'esta manera, s'han obtingut dades que prediuen el pes mitjà dels peixos engreixats en una gàbia a partir de la seua longitud, alçària i amplària màxima. Estes dades es mostren en el Capítol 6. Fent ús de les tècniques acústiques combinades amb un sistema de visió estereoscòpica, es va estudiar la viabilitat d'obtindre relacions entre la longitud de la tonyina roja i el TS (a 120 i 200 kHz) en gàbies d'engreixament des del punt de vista ventral. Per a això, es van disposar els equips en el fons de la gàbia marina i es van registrar les dades amb tots els sensors sincronitzats i mirant cap a la superfície. De aquesta manera, es va poder conèixer el valor del TS d'un peix determinat que és gravat amb un sistema estereoscòpic que ens facilitarà dades sobre la seua longitud, amplària màxima i orientació respecte del transductor. Finalment, en el Capítol 8, es presenta un mètode per al comptatge de tonyines per mitjà de tècniques acústiques fent ús d'un un sonar d'escombrat lateral treballant a 200 kHz . Esta tècnica nova pretén facilitar el comptatge d'exemplars durant els processos de transferència, au / Puig Pons, V. (2017). Control y caracterización del Atún Rojo en Jaulas Marinas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86213