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1221Navegao eletrnica e em condies especiais

Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

NOES SOBREGERAO,

TRANSMISSO,PROPAGAO E

RECEPO DAS ONDASELETROMAGNTICAS E

ACSTICAS

34

34.1 NAVEGAO ELETRNICA

a. DEFINIO. MTODOS DE DETERMINAO DA POSIO

Em sua definio mais rigorosa, a expresso Navegao Eletrnica refere-se atodos os usos da eletrnica na navegao. Assim, o termo inclui, por exemplo, o empregoda Agulha Giroscpica para o governo do navio e a utilizao do Ecobatmetro na navega-o costeira ou em guas restritas. Entretanto, na prtica, a expresso Navegao Ele-trnica aplica-se quando os dois propsitos bsicos da navegao (determinao da posi-o e controle dos movimentos do navio) so efetuados usando meios eletrnicos. Ento,pode-se definir Navegao Eletrnica como aquela que envolve o emprego de equipa-mentos e sistemas eletrnicos para determinao da posio e controle dos movimentosdo navio.

A expresso Navegao Eletrnica mais abrangente que o termo Radionavegao,que se limita aos equipamentos eletrnicos de navegao que usam ondas de radiofre-qncia. Assim, por exemplo, o sonar doppler e o sistema de navegao inercial so recur-sos de Navegao Eletrnica, mas no so de Radionavegao.

Os instrumentos e equipamentos eletrnicos, apesar de todos os avanos e dos de-senvolvimentos recentes, em termos de confiabilidade, preciso e rea de cobertura, ain-da so tradicionalmente denominados de auxlios eletrnicos navegao, para de-notar que constituem recursos complementares aos mtodos clssicos de navegao. Em-bora sistemas eletrnicos, como o GPS (Global Positioning System), sejam capazes de

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prover cobertura mundial permanente, com grande preciso de posicionamento e confia-bilidade, o navegante no deve esquecer que a sua utilizao depende do perfeito funciona-mento de instrumentos delicadssimos, sobre os quais no exerce qualquer tipo de controle, eque a interpretao das informaes fornecidas requer o conhecimento de conceitos tradicio-nais de navegao e depende da experincia do operador. Em suma, no se pode confiarcegamente na push-button navigation, sob pena de colocar em risco a segurana do navio eda tripulao. Por esta razo, recomenda-se:

1. Somente conduzir a navegao exclusivamente por mtodos eletrnicos naque-las circunstncias em que no seja possvel a sua verificao pelos mtodos convencio-nais, em virtude de m visibilidade, ausncia de astros para observao, inexistncia deauxlios visuais navegao ou pontos notveis, etc.; se essa situao ocorrer, recordarsempre que uma deficincia instrumental, um erro de interpretao, ou, ainda, anomali-as na propagao das ondas eletromagnticas, ou acsticas, podem levar a resultadoserrados e situaes perigosas;

2. aproveitar todas as ocasies para verificar o desempenho dos sistemas eletrni-cos, por comparao com os mtodos clssicos de navegao, a fim de poder formar umjuzo de valor sobre sua confiabilidade, preciso e cobertura; e

3. providenciar para que os equipamentos sejam submetidos s rotinas de manu-teno recomendadas, conhecer completamente os procedimentos para operao dos ins-trumentos e sistemas, suas possibilidades e limitaes, alm de verificar o seu funciona-mento, antes de o navio suspender.

Quando estudamos os mtodos clssicos de navegao, verificamos que a posiodo navio obtida utilizando o conceito de linha de posio (LDP), definida como o lugargeomtrico de todas as posies possveis de serem ocupadas pelo navio, tendo sido efetu-ada uma determinada observao, em um dado instante. A posio, como se sabe, estarna interseo de duas ou mais LDP. Ademais, vimos que as LDP podem ser obtidas pormtodos visuais (reta de marcao, alinhamento, distncia pelo ngulo vertical, segmen-to capaz, etc.) ou astronmicos (reta de posio astronmica).

A Navegao Eletrnica tambm utiliza o conceito de linha de posio para determina-o da posio do navio. As LDP eletrnicas so obtidas por trs mtodos bsicos:

mtodo direcional; mtodo de medio de distncias, ou diferena de distncias; e mtodo composto direcional-distncias.

O mtodo direcional consiste na determinao de uma reta de marcao eletrnica(ngulo entre uma direo de referncia e a linha que une o navio ao objeto/estao).Como exemplos de equipamentos de Navegao Eletrnica que empregam o mtododirecional na determinao da LDP, citam-se o Radiogonimetro e o Consol, alm do Ra-dar, quando usado na obteno de marcaes.

O mtodo de medio de distncias, ou diferena de distncias, consiste na deter-minao de uma circunferncia de igual distncia, ou de uma hiprbole de posio (lugargeomtrico de pontos que tm a mesma diferena de distncias a dois pontos fixos). Noprimeiro caso (mtodo de medio de distncias), citam-se o Sistema GPS e o Radar, quan-do usado na obteno de distncias. O mtodo de medio de diferena de distncias utilizado pelos sistemas de navegao hiperblica (Loran-C, Decca e Omega). Mesmo osequipamentos GPS, Loran-C e Omega que incorporam computadores, os quais j fornecem

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diretamente as coordenadas da posio (Latitude e Longitude), utilizam para os seus clculosLDP eletrnicas determinadas pelos mtodos citados.

O mtodo composto direcional-distncias empregado pelo Radar, quando deter-minam-se posies por marcaes e distncias radar, conforme estudado no Volume I,Captulo 14.

Os equipamentos de navegao inercial utilizam um mtodo prprio, baseado nosprincpios da Navegao Estimada, determinando a posio do navio atravs dos rumos edistncias navegadas, medidos com grande preciso, a partir de uma posio inicial co-nhecida.

comum, tambm, denominar de Sistema de Navegao Eletrnica o conjuntode instrumentos, equipamentos e dispositivos, em terra e a bordo, que possibilitam aobteno de uma LDP eletrnica, ou de um ponto completo (Latitude e Longitude). Oradar e os equipamentos de navegao inercial e doppler constituem, por si s, um siste-ma, pois so self contained, isto , com eles podemos determinar a posio do navio semauxlio de dispositivos baseados em terra, ou no espao.

b. PRECISO, PREVISIBILIDADE E REPETITIBILIDADE

Uma das primeiras perguntas formuladas acerca dos sistemas de Navegao Ele-trnica refere-se preciso (acurcia)1 com que determinam as posies do navio. Deinteresse primordial para o navegante a preciso ou acurcia absoluta, isto , a exati-do da posio obtida, com respeito Terra e seu sistema de coordenadas (Latitude eLongitude). Outros conceitos relacionados preciso so os de previsibilidade,repetitibilidade e preciso relacional, adiante explicados.

Quando comentarmos a preciso dos sistemas de Navegao Eletrnica estudadosnos captulos que se seguem, estaremos nos referindo acurcia absoluta dos mesmos,exceto quando especificamente indicado de outro modo.

Esta preciso pode ser medida de uma srie de maneiras. O erro mdio quadrtico(RMS root mean square) a medida estatstica da variabilidade de uma nica LDP;este valor unidimensional tem pouca utilidade no caso de posies que resultam de vriasLDP. Mais conveniente o conceito de erro circular provvel (CEP circular errorprobable), que o raio de um crculo no interior do qual existe 50% de probabilidade dasposies determinadas estarem localizadas.

No entanto, quando a interseo das LDP resulta em uma elipse, em vez de umcrculo, utiliza-se o termo erro radial (dRMS distance root mean square) para definira preciso da posio. O erro radial (dRMS) significa que uma posio determinada tercerca de 67% de probabilidade de ter um erro igual ou menor que o seu valor. Quando seusa 2 dRMS (ou seja, duas vezes o desvio padro anterior), esta probabilidade cresce para95% a 98%.

A previsibilidade de um sistema de Navegao Eletrnica consiste no conheci-mento das caractersticas de propagao do sinal sob determinadas condies atmosfri-cas. A previsibilidade influenciada, principalmente, pela refrao atmosfrica e pelacondutividade da superfcie de propagao. Sabe-se, por exemplo, que o sinal de

1 Embora o termo tcnico-cientfico mais correto para definir o grau de exatido de uma medida seja acurcia, esteManual utilizar a palavra preciso com o mesmo significado, em virtude desta ser de uso mais comum, j consagra-do na navegao.

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radiogoniometria perde alcance e pode induzir erros na marcao radiogoniomtrica quandose propaga sobre terra ou sobre gua doce. Alm disso, tambm afetado pelas condiesionosfricas durante a noite (efeito noturno). O sinal Omega, por outro lado, afetado pelacalota polar, quando se propaga em Latitudes elevadas. Ademais, as hiprboles de posiotraadas nas Cartas Omega correspondem a condies padro de propagao. Quando ascondies reais diferem consideravelmente dos padres, as leituras do receptor Omega neces-sitam ser corrigidas, antes do traado das LDP na carta.

O segundo conceito, denominado repetitibilidade refere-se capacidade de umsistema de indicar as mesmas medidas, sempre que se estiver na mesma posio, ou seja,est relacionado capacidade de retornar exatamente a uma determinada posio, emuma ocasio posterior, orientado pelas coordenadas lidas anteriormente no sistema, quandona mesma posio. Isto importante, por exemplo, para embarcaes de pesca ou de pes-quisa cientfica.

Alm desses, relevante o conceito de preciso relacional, que consiste na exatidode uma posio, com respeito a outra posio determinada pelo mesmo sistema.

34.2 ONDAS ELETROMAGNTICAS EACSTICAS

Os sensores e sistemas de Navegao Eletrnica tm que operar em diferentesmeios, entre os quais esto o espao, a atmosfera e as guas dos mares, oceanos e rios. Naexecuo da Navegao Eletrnica e em outras atividades relacionadas navegao,como a recepo de informaes meteorolgicas e de Avisos aos Navegantes, dados devemser transmitidos atravs de um ou mais desses meios. Basicamente, existem duas manei-ras de se conseguir isso: pelo uso das ondas eletromagnticas ou das ondas acsti-cas. O primeiro caso inclui a radionavegao, o radar e as comunicaes. As ondas acsti-cas compreendem o emprego do som, ou das ondas sonoras e ultra-sonoras, na navegao.

No espao, ou no vcuo, apenas as ondas eletromagnticas podem se propagar entredois pontos. Na atmosfera, tanto as ondas eletromagnticas como as acsticas podem se pro-pagar, embora as primeiras o faam com maiores vantagens. Essas vantagens fazem com queas ondas eletromagnticas dominem completamente o panorama dos sistemas de navegaopara uso na atmosfera e no espao. No oceano, a situao se inverte, e as ondas acsticasdominam os sistemas desenvolvidos para atuar neste meio.

A Navegao Eletrnica, por se desenvolver tanto na atmosfera como nos marese oceanos, exige compreenso da natureza das ondas eletromagnticas e acsticas e dassuas implicaes sobre a capacidade de um navegante obter as informaes que necessitapara a conduo segura do navio ou embarcao.

As ondas representam, em ambos os casos, o mecanismo segundo o qual a propagaose efetua, existindo, portanto, vrias semelhanas entre os processos. Entretanto, os fenme-nos fsicos responsveis pela gerao de cada um dos tipos de onda diferem fundamentalmen-te. importante que se tenha uma razovel noo dessas diferenas e semelhanas. Os itensque se seguem buscam apresentar uma resenha dos conceitos bsicos referentes s ondaseletromagnticas e acsticas, abordadas separadamente.

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Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

34.3 TEORIA BSICA DA ONDAELETROMAGNTICA

Para entender os princpios em que se baseia a Radionavegao, o navegante deve-r compreender a forma em que se geram as ondas eletromagnticas e as principais ca-ractersticas de sua propagao.

a. GERAO DE ONDAS ELETROMAGNTICAS

Os fenmenos nos quais intervm tanto a corrente eltrica como o campo magnti-co, so denominados de fenmenos eletromagnticos. So trs os fenmenos eletromagn-ticos bsicos:

1. Se uma corrente eltrica fluir por um condutor ser criado, ao redor do mesmo, umcampo magntico (o condutor produzir um campo magntico, como se fosse um m);

2. se um condutor percorrido por uma corrente eltrica for colocado dentro de umcampo magntico, ficar sujeito a uma fora; e

3. se um condutor fechado for colocado em um campo magntico, de modo que asuperfcie determinada pelo condutor seja atravessada pelo fluxo magntico, a variaodo fluxo induzir no condutor uma corrente eltrica.

A teoria bsica da corrente alternada estabelece que um campo varivel, que re-sulta do fluxo de uma corrente alternada em um circuito, induz uma voltagem em umcondutor colocado dentro do campo. Na realidade, a voltagem induzida ainda que nohaja condutor no campo. Esta voltagem induzida no espao, com a forma mostrada nafigura 34.1, , de fato, um campo eltrico. Desta forma, um campo magntico cria noespao um campo eltrico varivel. Este campo eltrico, por sua vez, produz uma corrente

Figura 34.1 Campo Eltrico Varivel (Curva Representativa da Gerao de Corrente Alternada)

Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

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de deslocamento que gera um campo magntico, o qual, por seu turno, cria um campoeltrico, e assim por diante. O processo mediante o qual estes campos se induzem mutua-mente denomina-se induo eletromagntica. A combinao de campos denominadacampo eletromagntico.

Em um campo de irradiao eletromagntica, as linhas do campo eltrico se fe-cham sobre si mesmas, no estando unidas a cargas eltricas; e as linhas do campo mag-ntico no esto relacionadas corrente em um condutor. Os campos so verdadeiramen-te independentes, como se houvessem sido liberados no espao. H, portanto, uma idiade movimento no processo, sendo esta propagao denominada onda eletromagntica.

Toda a teoria sobre esta matria foi desenvolvida h mais de 100 anos por J. C.Maxwell, que correlacionou uma srie de quatro equaes parcialmente diferenciadas,que descrevem a interao das componentes eltricas e magnticas do campo eletro-magntico e sua relao com a voltagem e corrente eltrica. Estas equaes proporcio-nam a base terica do eletromagnetismo e com seu emprego podem ser resolvidos os pro-blemas de campos eletromagnticos e de irradiao. So elas: a Lei de Ampre para cir-cuitos, o Teorema de Gauss para campos eltricos, o Teorema de Gauss para campos mag-nticos e a Lei de Faraday sobre a fora eletromotriz. A teoria de Maxwell facilita o clcu-lo da propagao eletromagntica.

Para produo das ondas eletromagnticas utilizadas em Navegao Eletrnica,onde as freqncias so elevadas, usa-se um circuito eletrnico denominado circuitooscilador, ou, simplesmente, oscilador. Assim, pode-se dizer que uma onda eletro-magntica produzida pelas rpidas expanses e contraes de um campo magnticoque, por sua vez, gerado pela energizao e desenergizao de um circuito eletrnicoespecialmente projetado, denominado oscilador. Um amplificador , geralmente, usa-do para fortalecer a potncia de sada do oscilador e uma antena para formar a onda desada e irradiar a onda eletromagntica no espao.

Na prtica, exceto no caso de ondas de rdio de freqncias muito elevadas, uma dasextremidades do oscilador ligada terra. O campo de irradiao , pois, o da figura 34.2,onde se verifica que a metade inferior penetra no terreno.

Figura 34.2 Irradiao das Linhas de Fora

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b. ONDAS ELETROMAGNTICAS

A oscilao da carga eltrica (energia que se propaga) tem a forma sinusoidal erecebe o nome de onda eletromagntica. Esta oscilao pode ser produzida por umcircuito oscilador, pelo movimento de um condutor dentro de um campo magntico, pelomtodo magnetostritivo (a vibrao mecnica de matrias ferromagnticas induz umacorrente alternada em um condutor enrolado em torno do material), pelo mtodopiezoeltrico (a vibrao mecnica do quartzo produz corrente alternada entre duas pla-cas nos lados opostos do cristal), ou pela natureza, como so as oscilaes do movimentoondulatrio que d origem luz, raios X, raios Gama e outras radiaes.

Representando a propagao de uma onda em um plano vertical, tendo como refe-rncia uma linha base, qual chamaremos de linha zero, vemos que qualquer onda sem-pre ter uma parte acima da linha zero (positiva), e outra abaixo da linha zero (negativa).A linha zero representa, na realidade, uma linha de tempo/distncia, dando a noo doafastamento, no tempo e no espao, da onda eletromagntica, com relao fonte emisso-ra (figura 34.3).

Figura 34.3 Onda Eletromagntica

No que se refere terminologia da onda eletromagntica, os pontos mais altosda curva sinusoidal so denominados picos. O pico positivo medido na direo conside-rada positiva; o pico negativo, na direo oposta. A parte mais alta de uma onda deno-minada crista, na direo positiva, e cavado, na direo considerada negativa. A parteda frente da onda, no sentido do deslocamento, denominada bordo anterior. A partede trs da onda o bordo posterior (figura 34.4).

Figura 34.4 Nomeclatura da Onda Sinusoidal

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Ciclo uma seqncia completa de valores da intensidade da onda que passa atra-vs de um ponto no espao. a seqncia completa de valores, de crista a crista, decavado a cavado, ou de nulo a nulo (figuras 34.4 e 34.5).

Comprimento da onda a distncia horizontal de crista a crista, ou de cavado acavado consecutivos. , portanto, a distncia entre dois picos positivos (ou negativos)sucessivos da onda. medido em metros e seus submltiplos. O comprimento da onda o comprimento de um ciclo expresso em unidades de distncia. A distncia percorridapela energia durante um ciclo o comprimento da onda. Ento, nas figuras 34.4 e 34.5,o ciclo acompanha o trajeto senoidal, enquanto que o comprimento uma distnciahorizontal.

Amplitude da onda a distncia vertical entre um ponto da onda e a linha zero(eixo dos X); , assim, a altura da onda e indica a sua intensidade (fora) no ponto conside-rado (figura 34.5).

Figura 34.5 Terminologia da Onda Eletromagntica

Perodo da onda o tempo gasto para completar um ciclo.

Freqncia (f) o nmero de ciclos completados na unidade de tempo. Em setratando de ondas eletromagnticas, a unidade de tempo normalmente usada o se-gundo, ou seus submltiplos (microssegundo, picossegundo ou nanossegundo). Na faixade rdio do espectro eletromagntico, as freqncias so medidas em Hertz (Hz), quecorresponde a 1 ciclo por segundo.

Fase a quantidade que um ciclo progrediu desde uma origem especificada. A fase geralmente medida em unidades angulares, correspondendo um ciclo completo a 360(figura 34.5). A fase tambm pode ser definida como sendo a situao de um determinadoponto da onda em relao a um ponto-origem, expressa em unidades angulares. Assim, nafigura 34.6, temos a representao dos ngulos de fase. Normalmente, a origem o zeroda curva. A fase alcana 90 na crista da onda; 180 quando a amplitude novamentezero; 270 no cavado e 360 quando volta de novo a zero.

Se tivermos duas ondas com o mesmo ngulo de fase, diremos que as mesmas estoem fase. Se os ngulos de fase forem diferentes, com relao a uma origem comum, diz-seque as ondas esto fora de fase, ou defasadas. O ngulo de diferena de fase denomina-se defasagem.

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Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

Figura 34.6 Dois Ciclos da Curva Sinusoidal, Mostrando as Amplitudes da Onda aCada 30 de Fase

Portanto, duas ondas podem ser comparadas pela medida da diferena de suas fases.Se, por exemplo, duas ondas tiverem suas cristas defasadas de um quarto de ciclo, elas esta-ro defasadas de 90, ou 90 fora de fase, conforme mostrado na figura 34.7.

O conceito de fase importante e forma a base dos Sistemas Hiperblicos de Nave-gao, como o Decca e o Omega.

Figura 34.7 Diferena de Fase

c. RELAO ENTRE FREQNCIA E COMPRIMENTO DEONDA. ESPECTRO ELETROMAGNTICO

Para calcular a velocidade das ondas de energia eletromagntica que se propagamno espao a partir do ponto em que foram geradas, devem ser consideradas as caractersti-cas do meio atravs do qual se deslocam. Maxwell descobriu, mediante dedues matemti-cas, que a velocidade de propagao das ondas eletromagnticas no vcuo era muito seme-lhante velocidade de propagao das ondas luminosas, ou seja, aproximadamente 3 x108 m/seg, ou 300.000 km/seg, concluindo, tambm, que as ondas de luz constituem umaforma de energia eletromagntica. Medies posteriores determinaram que, embora exis-tam pequenas variaes em funo da freqncia e da densidade do meio, a velocidade de

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propagao das ondas eletromagnticas na atmosfera de 299.708.000 metros/segundo(161.829,37 milhas nuticas/segundo), o que corresponde a uma diferena de 0,097% emrelao ao primeiro valor.

Pela prpria definio de freqncia da onda eletromagntica (nmero de cicloscompletados na unidade de tempo), pode-se concluir que o comprimento de onda sertanto menor quanto maior for a freqncia. Assim, o valor do comprimento de ondaest diretamente relacionado freqncia e velocidade de propagao.

Para ilustrar a relao que existe entre velocidade de propagao, compri-mento de onda e freqncia, considere-se o tempo que transcorre para a passagem deum ciclo completo de um campo eletromagntico por um ponto especfico da superfcieterrestre.

Durante este lapso de tempo (uma frao de segundo), passar pelo ponto conside-rado um comprimento de onda, ou seja, o intervalo de tempo que se mediu corresponde aotempo necessrio para que o campo magntico se desloque de uma distncia igual a umcomprimento de onda. Pela fsica, sabemos que a distncia percorrida igual ao produtoda velocidade pelo tempo, isto :

e = v . t

Neste caso, a distncia (e) igual ao comprimento de onda (l) e a velocidade (v) igual velocidade de propagao das ondas eletromagnticas (C @ 300.000 km/s). O tem-po (t) corresponde a 1 ciclo completo.

Sabemos que a freqncia (f) igual ao nmero de ciclos na unidade de tempo. Ointervalo de tempo correspondente a um ciclo, portanto, ser igual a 1/f.

Ento:

l = C . tl = C/f; ou C = l . f

Como vimos, a freqncia medida em Hertz (ciclos/seg). Assim, o comprimen-to de onda (lllll), em metros, ser:

l = 300.000.000

f (em Hertz)

Se for necessria maior preciso:

l =299.708.000f (em Hertz)

Ento, conclui-se que cada freqncia eletromagntica irradiada em um compri-mento de onda prprio, ou seja, a cada freqncia corresponde um determinado compri-mento de onda.

O conjunto total das freqncias das radiaes eletromagnticas constitui o es-pectro eletromagntico, ou espectro de freqncias. As freqncias nesse espectrovariam desde dezenas de Hertz at 1010 Hertz, englobando rdio, radar, infravermelho,luz visvel, ultravioleta, raios X, raios Gama e outras radiaes. O comportamento de

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Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

uma onda eletromagntica depende, sobretudo, da sua freqncia e do correspondentecomprimento de onda. Para efeitos descritivos, as freqncias eletromagnticas soagrupadas em faixas, arranjadas de forma ascendente, conforme mostrado no quadroabaixo.

A faixa das freqncias apropriadas para utilizao em transmisses de rdio denominada de espectro das ondas de rdio ou faixa de radiofreqncias, esten-dendo-se de 10 kHz (10.000 ciclos/segundo) a 300.000 MHz (300.000 megaciclos/segundo),sendo, tambm, conhecida como Faixa de Rdio e de Microondas.

ESPECTRO ELETROMAGNTICO

Faixa Abreviatura Freqncias Comprimentos

Audiofreqncia AF 20 a 20.000 Hz 15.000.000 a 15.000m

Radiofreqncia RF 10 kHz a 300.000 MHz 30.000m a 0,1cm

Calor e Infravermelho* 106 a 3,9 x 108 MHz 0,03 a 7,6 x 10-5 cm

Espectro Visvel* 3,9 x 108 a 7,9 x 108 MHz 7,6 x 10-5 a 3,8 x 10-5 cm

Ultravioleta* 7,9 x 108 a 2,3 x 1010 MHz 3,8 x 10-5 a 1,3 x 10-6 cm

Raios X* 2,0 x 109 a 3,0 x 1013 MHz 1,5 x 10-5 a 1,0 x 10-9 cm

Raios Gama* 2,3 x 1012 a 3,0 x 1014 MHz 1,3 x 10-8 a 1,0 x 10-10 cm

Raios Csmicos* > 4,8 x 1014 MHz < 6,25 x 10-11 cm

ESPECTRO DAS RADIOFREQNCIAS

Faixa Abreviatura Freqncias Comprimentos

Freqncia muito baixa VLF 10 a 30 kHz 30.000 a 10.000m(Very Low Frequency)

Freqncia baixa LF 30 a 300 kHz 10.000 a 1.000m(Low Frequency)

Freqncia mdia MF 300 a 3.000 kHz 1.000 a 100m(Medium Frequency)

Freqncia alta HF 3 a 30 MHz 100 a 10m(High Frequency)

Freqncia muito alta VHF 30 a 300 MHz 10 a 1m(Very High Frequency)

Freqncia ultra alta UHF 300 a 3.000 MHz 100 a 10cm(Ultra High Frequency)

Freqncia super alta SHF 3.000 a 30.000 MHz 10 a 1cm(Super High Frequency)

Freqncia extremamente alta EHF 30.000 a 300.000 MHz 1 a 0,1cm(Extremely High Frequency)

* Dados aproximados; kHz = Quilohertz e MHz = Megahertz.

Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

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Para facilidade de referncia, o espectro das ondas de rdio dividido nas oitofaixas de freqncia antes descritas, cujas principais aplicaes na Navegao Eletr-nica e comunicaes martimas so:

VLF (Very Low Frequency = freqncia muito baixa): nessa faixa esto inclu-das todas as freqncias de rdio menores que 30 kHz. A principal utilizao dessafaixa em navegao o sistema OMEGA, que estudaremos em outro captulo;

LF (Low Frequency = baixa freqncia): nessa faixa, compreendida entre 30 e300 kHz, situam-se os sistemas DECCA, LORAN-C e a maioria dos radiofaris;

MF (Medium Frequency = mdia freqncia): nessa faixa, compreendida entre300 kHz e 3 MHz, encontramos algumas estaes de radiofaris e as estaes debroadcast;

HF (High Frequency = alta freqncia): essa faixa, compreendida entre 3 MHze 30 MHz, usada, principalmente, para comunicaes a longa distncia (Avisos aosNavegantes, Previses Meteorolgicas);

VHF (Very High Frequency = freqncia muito alta): essa faixa, compreendidaentre 30 MHz e 300 MHz, usada para comunicaes de curta e mdia distncias (navio-navio e navio-terra), alm de radiogoniometria em VHF;

UHF (Ultra High Frequency = freqncia ultra-alta): essa faixa inclui freqn-cias entre 300 MHz e 3.000 MHz, e usada nas comunicaes de curta distncia e emalgumas transmisses radar (final da faixa). Alm disso, usada pelo Sistema GPS denavegao por satlite;

SHF (Super High Frequency = freqncia super-alta): essa faixa inclui fre-qncias entre 3.000 MHz e 30.000 MHz. usada em transmisses radar;

EHF (Extremely High Frequency = freqncia extra-alta): essa faixa incluifreqncias de 30.000 MHz a 300.000 MHz. Tanto essa, quanto a faixa anterior (SFH),so usadas quase que exclusivamente em radares de elevada preciso.

d. POLARIZAO DAS ONDAS ELETROMAGNTICAS

As ondas eletromagnticas so uma forma de energia oscilatria constituda por cam-pos eltrico e magntico que se propagam no espao. Se essas ondas esto num mesmo plano,ou seja, se os deslocamentos esto sempre no plano XY da figura 34.8, diz-se que o movimentoondulatrio polarizado linearmente. Se o plano estiver na vertical, a polarizao ser verti-cal. Se o plano estiver na horizontal, a polarizao ser horizontal.

Figura 34.8 Polarizao Linear

1233Navegao eletrnica e em condies especiais

Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

Na figura 34.9, a seta c indica a direo de propagao da onda; o vetor E representao campo eltrico e o vetor H, o campo magntico. Os dois campos, eltrico e magntico, deuma onda plana so perpendiculares entre si (o vetor E perpendicular ao vetor H). A figura34.10 apresenta um trem de ondas eletromagnticas, onde novamente a seta c representa adireo de propagao, o vetor E o campo eltrico e o vetor H o campo magntico. Verifica-se,mais uma vez, que os dois campos so perpendiculares.

Polarizao de uma onda eletromagntica a direo do plano onde oscila o cam-po eltrico. Portanto, na figura 34.10, a onda est polarizada no plano XY.

Figura 34.9 Orientao dos Campos Eltrico e Magntico com Relao Direo dePropagao da Onda

Figura 34.10 Campos Eltrico e Magntico de uma Onda Plana, Polarizada no Plano XY

Uma onda eletromagntica deslocando-se atravs do espao pode estar polarizadaem qualquer direo. Mas, junto Terra, devido a esta ser condutora e curto-circuitartodas as componentes horizontais, a onda eletromagntica estar sempre polarizadaverticalmente, o que uma importante caracterstica da propagao, que devemos co-nhecer.

e. ONDAS TERRESTRES E ONDAS CELESTES

A energia eletromagntica, ao ser irradiada pela antena, propaga-se em todas as dire-es. Uma parte desta energia se propaga paralelamente superfcie da Terra, enquanto

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Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

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o restante desloca-se para cima, at que se choca com a ionosfera e reflete-se de volta Terra. Esta onda refletida, quando alcana a superfcie terrestre, reflete-se outra vez emdireo s altas camadas da atmosfera, onde pode refletir-se de novo para a Terra, confor-me mostrado na figura 34.11 (nessa figura, a onda celeste no 1 sofreu uma nica reflexo,enquanto a onda celeste no 2 sofreu uma dupla reflexo). A parte da energia que segue asuperfcie da Terra denomina-se onda terrestre, as que so refletidas denominam-seondas celestes ou ionosfricas. As ondas que se propagam em linha reta tm o nomede ondas diretas.

Figura 34.11 Onda Terrestre e Onda Celeste

Em freqncias baixas, a onda terrestre adquire uma grande importncia, pois amaior parte da energia se irradia seguindo esta direo, sendo a condutividade do terrenoum fator determinante na atenuao do sinal (diminuio de amplitude de uma onda, oucorrente, ao aumentar sua distncia da fonte emissora), devido absoro e seus efeitossobre a velocidade de propagao.

A condutividade do terreno faz com que uma parte do campo eletromagntico pene-tre na superfcie da Terra. Como resultado, o limite inferior da frente de onda se atrasaem seu deslocamento, com relao parte superior, devido sua penetrao neste meiode maior condutividade (enquanto a parte superior no afetada). Isto traz, como conse-qncia, que toda a frente de onda incline-se para vante, com relao vertical da fonteemissora, fazendo com que o movimento das ondas eletromagnticas se curve, acompa-nhando a curvatura da Terra.

Esta tendncia de seguir a curvatura da Terra que torna possvel a transmissode ondas terrestres a grandes distncias. Entretanto, deve-se recordar que, junto comesta curvatura do movimento da onda eletromagntica, produz-se, tambm, uma dissipa-o de energia, devido absoro causada pela penetrao na superfcie terrestre. Paracompensar este efeito, necessrio o emprego de potncias elevadas, quando se desejaalcanar grandes distncias mediante o emprego de ondas terrestres.

A variao das caractersticas de condutividade do solo, ao longo do caminho seguidopor uma onda terrestre, torna a previso de seus efeitos muito complexa e difcil. Por outrolado, a condutividade das superfcies ocenicas praticamente constante, com o que a veloci-dade de propagao, neste caso, pode ser prevista com bastante preciso.

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Somente as transmisses em baixas freqncias se curvam o suficiente para seguira superfcie terrestre por grandes distncias. Os campos eletromagnticos de freqnciasmais altas curvam-se apenas ligeiramente, no o bastante para proporcionar sinais agrandes distncias da fonte de transmisso.

34.4 PROPAGAO DAS ONDASELETROMAGNTICAS

O comportamento das ondas eletromagnticas afetado pelo meio que atravessam.Os efeitos da atmosfera e da superfcie da Terra que afetam a propagao e interessamdiretamente ao desempenho dos sistemas de Navegao Eletrnica so:

Disperso; Absoro e Atenuao; Reflexo; Refrao; e Difrao.

a. DISPERSO DAS ONDAS ELETROMAGNTICAS

A potncia ou energia que emana de uma fonte projetada em todas as direes.Isso, no entanto, no quer dizer que essa projeo uniforme. Na realidade, no caso dealgumas fontes altamente direcionais, a quantidade de energia irradiada ao longo de al-gumas direes desprezvel, ou mesmo nula.

Imaginemos uma fonte puntiforme que irradia uniformemente em todas as dire-es. Se considerarmos uma esfera do espao que envolva esta fonte, o princpio da con-servao da energia nos assegura que toda a energia irradiada dever cruzar a super-fcie esfrica. Esta afirmativa verdadeira, qualquer que seja o tamanho da esfera consi-derada.

Em conseqncia, pode ser facilmente visualizada a forma pela qual a mesma in-tensidade de energia ter que preencher espaos cada vez maiores, resultando em densi-dades de potncia cada vez menores. Esta densidade a uma distncia R qualquer da fonteemissora ser:

p = P

4pR

Onde p a densidade de potncia a uma distncia R da fonte que irradia umapotncia P.

Este princpio aplica-se, ainda, ao caso da irradiao direcional, modificada por umfator de ganho, G.

p =GP

4pR

Um outro tipo de disperso a que ocorre quando a energia de alguma formacontida, de modo que a sua propagao se faa de maneira anmala, segundo dutosou canais. Neste caso, conhecido como disperso cilndrica, as perdas se tornam

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inversamente proporcionais distncia, se considerarmos que a seo reta do duto oucanal de propagao constante. Ento, teremos:

p =

P

(2pr)R

Traduzindo, na prtica, as equaes acima, verificamos que, na disperso esfrica,cada vez que a distncia dobra, ocorre uma perda de potncia de 6 dB. No caso da disper-so cilndrica, cada vez que a distncia dobrada, h uma perda de 3 dB.

As Leis da disperso, como pode ser observado, aplicam-se igualmente s ondaseletromagnticas e acsticas, e so independentes da freqncia.

No deve ser esquecido que, no caso de sensores ativos, a onda deve percorrer duasvezes a distncia que separa a fonte do alvo, introduzindo, portanto, os fatoresmultiplicadores correspondentes nas Leis da disperso apresentadas.

b. ABSORO E ATENUAO

A propagao de ondas atravs de qualquer meio diferente do vcuo sempre acom-panhada de perdas causadas pela absoro de potncia pelas partculas do meio. Assim,apenas as ondas eletromagnticas ao se propagarem no vcuo no so atenuadas pelaabsoro.

As ondas eletromagnticas, ao se propagarem na atmosfera, so afetadas pela ab-soro. O vapor-dgua e as molculas de oxignio existentes na atmosfera so os princi-pais responsveis pela absoro de energia. Os efeitos da absoro crescem com o aumen-to da freqncia.

Perturbaes atmosfricas, tais como chuvas e nuvens, que aumentam muito a den-sidade de umidade do ar, causam atenuaes substanciais nas freqncias mais elevadasda faixa de rdio e microondas.

Como a densidade da atmosfera diminui com o aumento da altura, a absoro dasondas de rdio e radar ser, tambm, influenciada pela inclinao do feixe. Com maioresinclinaes para o alto, a poro da trajetria na parte inferior, mais densa, da atmosfera menor, resultando numa absoro total menor.

Em freqncias das faixas SHF e EHF a absoro atmosfrica torna-se um proble-ma, alm do que existe a difrao devido presena de gotas de gua de chuva, molcu-las de oxignio e vapor-dgua (obstculos de dimenses praticamente iguais aos compri-mentos de onda).

As ondas terrestres, alm de perderem energia para o ar, tambm perdem para oterreno (figura 34.12). A onda refratada para baixo e parte de sua energia absorvida.Como resultado dessa primeira absoro, o bordo anterior da onda curvado para baixo,resultando numa nova absoro, e assim por diante, com a onda perdendo energia gradu-almente. A absoro maior sobre uma superfcie que no seja boa condutora. Relativa-mente pouca absoro ocorre quando a onda se propaga sobre a superfcie do mar, que uma excelente condutora. Assim, as ondas terrestres de freqncia muito baixa percor-rem grandes distncias sobre os oceanos.

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Figura 34.12 Absoro da Onda Terrestre pelo Terreno

Tambm as ondas refletidas que sofrem mais de uma reflexo perdem energia porabsoro quando de sua reflexo intermediria na Terra. Alm disso, as ondas refletidassofrem absoro quando de sua reflexo na ionosfera, cujo grau depende da densidade deionizao, da freqncia da onda eletromagntica e da altura. A absoro ionosfricamxima ocorre aproximadamente na freqncia de 1.400 kHz.

Quanto penetrao na gua, as ondas eletromagnticas so muito absorvidaspelo oceano. Apenas as freqncias extremamente baixas (ELF), muito baixas (VLF) ebaixas (LF) podem conseguir alguma penetrao no meio aqutico, assim mesmo sexpensas de elevadas potncias de transmisso. Estas ondas, aps percorrerem algunsmilhares de milhas, penetram na gua at profundidades que permitem o recebimento desinais por submarinos imersos at 100 ps (VLF), como no sistema Omega de navegao.Recentes experincias, realizadas na rea das ELF, indicam a possibilidade de recebi-mento de mensagens por submarinos em qualquer profundidade e sem limitao de velo-cidade.

Atenuao a diminuio da intensidade da onda com a distncia. Da Fsica,sabemos que a intensidade do campo varia inversamente com o quadrado da distncia.Essa diminuio da intensidade que se denomina atenuao. Quanto mais distante doemissor, mais fraco o campo eletromagntico, como mostrado na figura 34.13.

Figura 34.13 Atenuao da Onda Eletromagntica

c. REFLEXO DAS ONDAS ELETROMAGNTICAS.A IONOSFERA E AS ONDAS DE RDIO

A reflexo um fator indispensvel para o funcionamento de sensores ativos, comoo radar.

Quando uma onda encontra a superfcie limtrofe entre dois meios de densidadesdiferentes, uma parte da energia refletida, outra parte da energia absorvida pelasuperfcie refletora e uma terceira poro pode penetrar, refratar-se e se propagar nosegundo meio. As quantidades de energia envolvidas nesses trs processos iro depender,basicamente, da natureza da superfcie, das propriedades do material e da freqncia daonda. No caso das ondas EM, a orientao da polarizao do campo eltrico em relao superfcie tambm exercer influncia.

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As ondas eletromagnticas so afetadas pela reflexo e pelo espalhamento. O em-prego das ondas EM na deteco pode ser grandemente prejudicado pelos ecos indesej-veis que obscurecem o alvo, tais como grandes massas de terra, retorno do mar, aguacei-ros e nevascas, fenmenos estes que influenciam, principalmente, as freqncias maiselevadas.

Uma outra conseqncia da reflexo o aparecimento de zonas de desvanecimentonos feixes dos radares, efeito que foi abordado com maiores detalhes no Captulo 14 (Vo-lume I), que trata desse sensor.

Ento, quando uma onda de rdio encontra uma superfcie, se as condies foremfavorveis ela ser refletida de forma especular (como em um espelho), da mesma ma-neira que ocorre com uma onda luminosa, que tambm uma onda eletromagntica, cum-prindo-se as Leis:

1 O raio de incidncia e o raio de reflexo esto no mesmo plano; e2 O ngulo de incidncia igual ao ngulo de reflexo.

A figura 34.14 mostra a reflexo em uma superfcie plana. A relao entre a intensida-de do campo incidente e a do campo refletido denomina-se coeficiente de reflexo.

Figura 34.14 Reflexo da Onda Eletromagntica em uma Superfcie Plana

A superfcie terrestre reflete ondas de todas as freqncias. As baixas freqnciaspossuem grande penetrao e as ondas so muito menos refletidas. Em freqncias muitobaixas, sinais de rdio podem ser recebidos a at alguns metros abaixo da superfcie domar, como vimos.

rvores, edifcios, montanhas e outros objetos podem causar reflexes de ondas derdio. Para as freqncias baixas, e mesmo mdias, essas reflexes podem ser despreza-das. J nas altas freqncias, elas se tornam importantes, sendo o fenmeno, por vezes,aproveitado como base de sistemas eletrnicos, como o radar. Quando o fenmeno inde-sejvel, como nas comunicaes, costuma-se usar antenas direcionais, que, pelo menos,minimizam os efeitos da reflexo.

Nas freqncias mais altas, ocorrem reflexes pela chuva e por nuvens densas.Tambm, a onda de rdio de freqncia muito alta (VHF), ou superior, pode ser refletidapelos limites bem definidos (frentes) entre massas de ar frias e quentes, quando o arquente e mido flui sobre o ar frio mais seco. Se a superfcie entre as massas de ar paralela superfcie da Terra, as ondas de rdio podem percorrer distncias muito maio-res que as normais.

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Sempre que uma onda refletida pela superfcie terrestre, d-se uma mudana defase, que varia com a condutividade do terreno e a polarizao da onda, alcanando ummximo de 180 para uma onda polarizada horizontalmente, quando refletida pela guado mar (que considera-se como tendo condutividade infinita).

A atmosfera possui vrias superfcies refletoras, a principal das quais a ionos-fera.

Uma onda, emitida por um transmissor, poder propagar-se at o aparelho recep-tor acompanhando a superfcie da Terra. A onda que faz esse trajeto denomina-se, comovimos, onda terrestre. Porm, conforme estudado, a onda pode alcanar o receptor atra-vs de uma ou mais reflexes, denominando-se, ento, onda refletida.

Quando uma onda terrestre e uma onda refletida chegam ao mesmo tempo a umreceptor, o sinal total a soma vetorial das duas ondas. Se os sinais esto em fase, umaonda refora a outra, produzindo um sinal mais forte. Se h diferena de fase, os sinaistendem a cancelar-se mutuamente, sendo o cancelamento completo quando a diferenade fase de 180 e os dois sinais tm a mesma amplitude. Essa interao tem o nome deinterferncia de ondas. A diminuio de sinal no receptor devido a essa interao de on-das terrestres e refletidas denominada fading (desvanecimento).

Sob certas condies, uma poro da energia eletromagntica de uma onda de rdiopoder ser refletida de volta superfcie terrestre pela ionosfera, uma camada carrega-da de partculas entre 90 e 400 km de altura. Quando isso ocorre, denominamos a ondarefletida de onda celeste.

A parte superior da atmosfera terrestre durante o dia ininterruptamente bom-bardeada pelos raios ultravioletas solares. Essas ondas luminosas de elevada energiafazem com que os eltrons das molculas gasosas da parte superior da atmosfera tor-nem-se ativos e libertem-se de suas molculas, passando a formar as camadas ioni-zadas. Essas camadas alcanam sua maior intensidade quando o Sol atinge sua alturamxima.

Existem quatro camadas ionosfricas de importncia no estudo da propagaodas ondas de rdio (figura 34.15):

Figura 34.15 Camadas Ionosfricas

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Camada F a mais alta, onde a densidade do ar to baixa que os gases seapresentam, na maioria dos casos, como tomos separados, em vez de molculas. A huma forte ionizao produzida pela radiao solar. Acima dela, h um decrscimo deionizao devido falta de tomos; abaixo dela, tambm h um decrscimo, porque oagente ionizador (radiao solar) j foi absorvido. Durante o dia, a camada se divide emduas subcamadas: F1 e F2, sendo F1 a mais baixa. So dois nveis mximos de ionizao,sendo que F1 vai de cerca de 175 a 250 km de altitude, e F2 de 250 a 400 km de altitude.De noite, elas se renem numa nica camada, em altitude de cerca de 300 km, e a eladamos o nome comum de camada F, a qual , normalmente, a nica camada ionosfricaimportante para a propagao rdio no perodo noturno.

Camada E Estende-se de 100 a 150 km de altitude e julga-se ser devida ionizaode todos os gases por raios X leves. a regio onde os raios X que no foram absorvidospelas camadas anteriores encontram um grande nmero de molculas de gs, ocorrendonovamente um mximo de ionizao. A camada E tem uma altura praticamente constan-te, ao contrrio das camadas F, e permanece durante a noite, se bem que com um decrs-cimo em seu grau de ionizao. Existem regies irregulares de grau de ionizao, denomi-nadas camadas E espordicas, cujas densidades de eltrons podem ser at 10 vezesmaiores que a da camada E normal. Essas regies espordicas podem ocorrer a qualquerhora do dia e em qualquer estao do ano.

Camada D a mais fraca e a mais prxima da superfcie da Terra, situando-seentre 60 e 90 km de altitude. Como dito, tem uma densidade de ionizao bem fraca,muito menor que qualquer das outras, e desaparece durante a noite. Ela absorve ondasde alta freqncia (HF) e reflete ondas de freqncia baixa (LF e VLF), obviamente du-rante o dia claro.

Todas as camadas da ionosfera so variveis de alguma forma, com seus padres prin-cipais parecendo ser funo dos perodos diurnos, das estaes do ano e do ciclo solar. Ascamadas podem favorecer a propagao da onda de rdio para uma rea de recepo deseja-da, ou elas podem dificultar, e at mesmo impedir inteiramente, tal transmisso. A freqn-cia da onda, seu ngulo de incidncia e a altura e densidade das vrias camadas no momentoda transmisso sero os fatores determinantes da facilidade ou no de recepo da transmis-so realizada. De uma forma geral, as freqncias nas faixas de MF e HF so mais apropri-adas para a reflexo ionosfrica durante o dia, sendo que a parte superior da faixa LF e aparte mais baixa da faixa VHF produzem ondas celestes somente utilizveis noite. As fre-qncias fora desses limites ou no produzem ondas celestes, ou aquelas que so produzidasso to fracas que no podem ser utilizveis.

Combinando os efeitos da onda celeste, ou onda ionosfrica, com os da ondaterrestre, j estudada, pode-se imaginar um padro de propagao como mostrado nafigura 34.16.

A onda celeste que sai diretamente pela vertical da antena (na direo do Znite)penetra na ionosfera e perde-se no espao. Uma onda que faa um pequeno ngulo com avertical ao sair da antena, tambm poder atravessar a ionosfera e se perder no espao,como no caso do raio 1 mostrado na figura 34.16. Aumentando o ngulo que o raio emitidofaz com a vertical da antena, alcana-se um ngulo sob o qual a onda transmitida reflete-se na ionosfera e retorna Terra. Este ngulo (b, na figura) tem o nome de ngulo crti-co. Ento, o raio 2 (figura 34.16), incidindo sobre a ionosfera com um ngulo igual (oumaior) que o ngulo crtico, reflete-se na ionosfera, formando uma onda refletida queatinge a superfcie da Terra no ponto P1.

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Figura 34.16 Padro de Irradiao

A onda terrestre mostrada na figura 34.16 propaga-se acompanhando, de formaaproximada, a curvatura da Terra, enquanto perde energia, atravs do efeito absoro,tendo como alcance mximo o ponto P2. A zona entre o alcance mximo da onda ter-restre e o alcance mnimo da onda celeste denominada zona de silncio. A distnciaentre o transmissor e o ponto P1 denominada distncia de silncio, que significa adistncia mnima para o recebimento de uma onda celeste. Dentro da distncia desilncio nenhuma onda refletida na ionosfera recebida.

As reflexes aumentam o alcance da onda. A distncia mxima em que um sinalrefletido na camada E pode ser recebido de, aproximadamente, 1.400 milhas nuticas(para isso necessrio que o sinal deixe o transmissor em direo quase horizontal). Comoa camada F mais alta, suas reflexes so recebidas a maiores distncias; neste caso, adistncia mxima de recepo de cerca de 2.500 milhas.

Entretanto, as ondas terrestres de baixas freqncias tambm podem ter alcancescomparveis e at maiores, como no caso das ondas VLF (freqncias muito baixas) usa-das no sistema Omega.

d. REFRAO DAS ONDAS ELETROMAGNTICAS

Sempre que uma frente de onda se propaga por um meio onde ocorre uma variaode densidade, haver um encurvamento do feixe. As ondas eletromagnticas so refra-tadas na atmosfera devido a pequenas diferenas de velocidade de propagao, em con-seqncia da existncia de gradientes de densidade. Como era de se esperar, este fenme-no ocorre, principalmente, na baixa atmosfera. Na faixa do espectro de rdio e de micro-ondas, os efeitos da refrao podem se tornar extremamente importantes, nas regiesmais baixas da atmosfera, dependendo das variaes de temperatura, umidade e presso.Alcances extraordinrios nos radares, recepo de sinais de TV oriundos de emissoras deoutros Estados, ou, algumas vezes, de outros pases, so testemunhos do fenmeno darefrao.

A atmosfera pode refratar as ondas de rdio e radar. O coeficiente que mede esse po-der se designa por N (expressa-se a refratncia em unidades N) e funo da densidade

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do ar e da velocidade de propagao da energia nessa mesma massa de ar. Podemos dizer,tambm, que funo da temperatura, da umidade e da presso (que, em outras pala-vras, servem para caracterizar a densidade do ar). Nas camadas mais baixas da atmosfe-ra, a umidade, a presso e a temperatura decrescem com a altitude nas primeiras cente-nas de ps de altura. O gradiente nessas camadas da ordem de 12 unidades N por milps. Este valor denominado refrao normal e tem como conseqncia um suaveencurvamento dos feixes EM, quase acompanhando a curvatura normal da superfcie ter-restre (a refrao da camada inferior da atmosfera estende o horizonte rdio distnciade 15% a mais que o horizonte visual). O efeito o mesmo que se o raio da Terra fossecerca de 1/3 maior, e no houvesse refrao. Quando o ndice de refrao decresce comvariaes maiores que a normal, por exemplo 50 unidades N por mil ps de ascenso, oencurvamento do feixe EM sensivelmente maior.

Como sabemos, a atmosfera no homognea. Conseqentemente, os gradientesde refrao variam e, como resultado, geram zonas onde h refrao normal, super-refra-o ou sub-refrao (figura 34.17). Tais coeficientes variveis podem causar a um feixe deondas EM:

encurvamento brusco, reduzindo o alcance; e a subdiviso de feixe em diversas partes, causando zonas de sombra e dutos,

falhas e concentrao de energia.

Figura 34.17 Efeitos da Refrao

As falhas, ou zonas de sombra, nada mais so que pores do espao areo, den-tro de uma regio onde se espera propagao normal, mas que, devido existncia decamadas de sensvel refrao, deixam de ser energizadas ou iluminadas pela transmissoEM. Assim, por exemplo, um alvo situado numa dessas falhas poder ser detectado visu-almente, antes de s-lo pelos radares.

Os dutos, como o prprio nome indica, so regies onde a energia aprisionada,confinada e concentrada por efeito de refraes sucessivas, de modo a atingir regies bemalm do horizonte normal e, em conseqncia, possibilitando a deteco de alvos a dis-tncias que, normalmente, estariam alm do alcance nominal dos sensores ou das comu-nicaes.

TIPOS DE ENCURVAMENTO

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Ocasionalmente, sob condies atmosfricas bastante especiais e pouco freqentes,poder ocorrer o fenmeno conhecido como duto de superfcie, fazendo com que aonda terrestre atinja distncias muito alm de seus limites normais de recepo. O dutode superfcie formado entre a superfcie da Terra e a parte inferior de uma camadade ar dentro da qual existe uma forte inverso de temperatura. Devido largura do dutoser necessariamente maior do que o comprimento da onda para ser atuante, o fenmenoest, em geral, associado s mais altas freqncias de rdio e radar (figura 34.18). O fen-meno ocorre mais vezes nas Latitudes tropicais, especialmente nas regies do Pacfico,onde um duto de superfcie, uma vez formado, persiste por muitas horas e, em certasocasies, at mesmo por vrios dias.

Figura 34.18 Duto de Superfcie

Quando a onda de rdio terrestre cruza obliquamente a linha limite entre terrenosde condutividade diferente, h uma refrao. Isso se manifesta, principalmente, na costa(pois h uma mxima variao de condutividade entre a terra e o mar) e, por isso, recebeo nome de refrao da costa ou efeito terrestre (figura 34.19).

Figura 34.19 Refrao da Costa

Na figura, a linha tracejada representa o trajeto da onda de rdio a partir do trans-missor, sem considerar a refrao da costa. Devido a esta refrao, a onda muda decaminho ao cruzar a linha da costa, passando a seguir a linha cheia. O ngulo q o ngu-lo de refrao, que pode alcanar valores de 4 a 5. A refrao da costa varivel como comprimento de onda e diminui com o seu aumento. praticamente desprezvel paracomprimentos de onda de mais de 3.000 metros e, geralmente, maior quando a costa retilnea e a direo de propagao forma um ngulo muito agudo com ela. A refrao dacosta zero quando a onda perpendicular direo da costa. Para ondas de 800 a 1.000 m

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de comprimento (375 a 300 kHz), e para ngulos com a linha da costa de menos de 10,foram obtidos, experimentalmente, erros de 4 a 5. importante levar em conta esteefeito no caso das marcaes radiogoniomtricas, pois os radiofaris operam na faixa aci-ma citada.

e. DIFRAO

A difrao um fenmeno que ocorre com ondas acsticas e com ondas eletromag-nticas, bem como, tambm, com partculas que se comportam como ondas. a dispersoda onda em torno de um obstculo.

Seja a figura 34.20, onde temos um transmissor emitindo ondas eletromagnticas,que encontram em sua propagao um objeto opaco. Por trs do obstculo se formar umazona de interferncia (onde as ondas se sobrepem, podendo tanto se reforarem como secancelarem), enquanto que a parte desobstruda do bordo anterior da onda prossegue emsua direo original. Quando a onda incide nos limites do objeto, curva-se para trs domesmo, de maneira que uma pequena quantidade de energia propagada para dentro dazona de sombra (rea de interferncia). No caso de ondas de luz, isso resultar em que oslimites do objeto no apresentaro sombra ntida, e sim um borro, formando-se, atrs daobstruo, uma rea de pouca luminosidade, porm, certamente, mais clara que a ausn-cia total de luz.

Figura 34.20 Difrao

Portanto, difrao a mudana da direo da onda quando a mesma passa junto aum obstculo. Seu efeito prtico uma diminuio na potncia do sinal na rea de som-bra, e um padro perturbado numa curta distncia fora dessa rea sombreada. A difraotem valor mximo quando o comprimento do obstculo igual ao comprimento da onda. Aquantidade de difrao inversamente proporcional freqncia, sendo maior nas fre-qncias muito baixas. Na zona de sombra o sinal de rdio somente ser recebido deforma fraca e entrecortada.

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A difrao, portanto, uma outra forma de encurvamento do feixe, que ocorre quandoa onda passa pela borda de um objeto opaco (insensvel onda de rdio), a qual causa umadeflexo da onda na direo do objeto. Como o grau de difrao maior nas freqnciasmais baixas, a difrao , ento, mais significativa para as ondas de rdio, em compara-o com as ondas de radar.

Assim, por exemplo, ondas de rdio viajando sobre a superfcie da Terra sofremuma difrao sobre a sua curvatura, o que, somado refrao, faz com que elas se propa-guem alm do horizonte geogrfico. Nas VLF podem ser conseguidas comunicaes dembito mundial. Por outro lado, a difrao no contribui para que as freqncias de radarsejam estendidas muito alm da linha de visada.

34.5 TRANSMISSO E RECEPO DASONDAS ELETROMAGNTICAS

a. MODULAO DAS ONDAS DE RDIO

Quando uma srie de ondas eletromagnticas transmitida em freqncia eamplitude constantes, ela denominada de onda contnua, ou, abreviadamente, CW(do ingls continuous wave).

Estas ondas s podero ser ouvidas em VLF (freqncias muito baixas), quandoproduziro um forte zumbido no receptor. Entretanto, usando no receptor um osciladorde batimento (ou oscilador de freqncia de batimento), poderia ser ouvido um tomconstante de audiofreqncia. Ao receber um sinal de radiofreqncia, o oscilador debatimento (beat frequency oscillator) gera um sinal com uma freqncia diferente dado sinal recebido, dentro da faixa audvel (de 20 a 20.000 Hz), que pode ser percebido peloouvido humano.

Contudo, um sinal contnuo no tem significado algum, mas pode-se formar umcdigo se variarmos, por meio de interrupes, esse sinal. isso que se faz em radiote-legrafia. Interrompe-se a produo da onda contnua no modulada, por meio de umachave, denominada manipulador. O cdigo usado constitudo de sinais longos (tra-os) e curtos (pontos) e donomina-se Cdigo Morse. Um transmissor de radiotelegrafiade onda contnua no modulada mostrado na figura 34.21. A transmisso em ondacontnua conhecida como transmisso em CW (continuous wave).

Figura 34.21 Diagrama em Bloco de um Transmissor CW

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Devido ao fato de uma onda contnua no poder conduzir muitas informaes, naNavegao Eletrnica ela quase sempre modificada, ou seja, modulada de algumaforma. Quando isso ocorre, a onda CW passa a ser chamada de onda portadora.

Na prtica, existem trs maneiras para modularmos uma onda CW para que con-duza as informaes desejadas:

Modulao em Amplitude; Modulao em Freqncia; e Modulao em Pulsos.

Na modulao em amplitude (AM), a amplitude da onda portadora (onda deradiofreqncia) modificada pela amplitude da onda moduladora (geralmente, pormnem sempre, uma onda de audiofreqncia). A figura 34.22 mostra este tipo de modula-o. O processo no transmissor o seguinte: aps terem sua potncia aumentada no am-plificador de udio, as ondas sonoras vo ao modulador, onde essa corrente eltricade baixa freqncia somada corrente eltrica de alta freqncia das ondas deradiofreqncia que vm do amplificador de RF. Ou seja, a modulao se d pela somadas amplitudes das duas ondas. A corrente eltrica que sai do modulador , ento, asoma das duas ondas (a onda de udio mais a onda de radiofreqncia). Esta onda, apsmais um estgio de amplificao, transmitida pela antena (figura 34.23). No receptor,o sinal demodulado, pela remoo da onda moduladora que, em caso de voz irradiada, amplificada e, ento, relatada ao ouvinte atravs de um alto-falante. Este tipo de modu-lao bastante comum, sendo a forma usual de modulao na faixa de irradiao dasestaes comerciais AM.

Figura 34.22 Modulao em Amplitude

Figura 34.23 Diagrama em Bloco de um Transmissor de Onda Modulada em Amplitude (AM)

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Na modulao em freqncia (FM), a freqncia da onda portadora modifi-cada pela freqncia da onda moduladora (geralmente, mas nem sempre, uma onda deaudiofreqncia), conforme mostrado nas figuras 34.24 e 34.25. a modulao da ondade radiofreqncia (portadora) de maneira que sua freqncia instantnea difere da fre-qncia da onda de udio (moduladora) de uma quantidade proporcional amplitudeinstantnea da moduladora. Este tipo de modulao usado pelas estaes de rdio co-merciais em FM e, tambm, pelos canais de som das estaes de TV. Uma outra modali-dade de modulao em freqncia a denominada modulao em fase (PhM = phasemodulation). Neste modo, o ngulo de fase da portadora desviado de seu valor origi-nal de uma quantidade proporcional amplitude da moduladora.

Figura 34.24 Modulao em Freqncia

Figura 34.25 Onda Modulada em Freqncia

Na modulao por pulsos (PM) no existe onda moduladora. A onda contnua transmitida de forma interrompida. Pulsos extremamente rpidos de energia so trans-mitidos, seguidos por perodos relativamente longos de silncio, durante os quais noh transmisso. A figura 34.26 mostra este tipo de modulao, que usado na maioria dosradares de navegao martima, inclusive radares de busca de superfcie. A modulaopor pulsos , tambm, empregada em alguns auxlios eletrnicos de longo alcance, dosquais o mais conhecido o LORAN.

Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

Navegao eletrnica e em condies especiais1248

Figura 34.26 Modulao por Pulsos

b. TRANSMISSO DAS ONDAS DE RDIO. ANTENAS DETRANSMISSO

Como j mencionado anteriormente, a onda eletromagntica gerada em umoscilador. No caso das ondas de rdio, a sada do oscilador reforada em potncia por umamplificador, sendo, ento, modulada na unidade moduladora. Na transmisso por voz, aunidade moduladora incorpora um microfone, que converte a onda sonora em ondamoduladora. A onda de rdio, agora modulada, vai a um segundo amplificador e , final-mente, transmitida para o espao atravs de uma antena. Se a esses componentes juntar-mos uma fonte de energia e um recurso para controlar a freqncia da onda gerada pelooscilador, teremos todos os componentes de um transmissor (cujo diagrama em bloco mostrado na figura 34.23).

Os tipos de transmisso e as designaes das emisses de rdio constam do Apndi-ce a este Captulo.

Quando uma corrente eltrica percorre um condutor, cria-se em torno dele, comovimos, um campo magntico. Se o condutor est na vertical e o deslocamento dos eltrons de baixo para cima, conforme mostrado na figura 34.27, o sentido do campo magntico o contrrio ao dos ponteiros de um relgio. Mudando-se a polaridade da corrente eltrica,o sentido do campo magntico se inverter, ou seja, ser o sentido horrio. Este o prin-cpio de irradiao de uma antena transmissora vertical. Devido rapidez com que seproduzem, os campos eletromagnticos formam-se junto antena, libertam-se e se propa-gam no espao em ondas concntricas, com a velocidade da luz. J foi dito, tambm, que ocampo eltrico e o campo magntico so perpendiculares. Portanto, se o campo magntico horizontal, o campo eltrico ser vertical, ou seja, a onda polarizada verticalmente.

Figura 34.27 Campo Magntico Gerado por um Condutor (Antena) Percorrido por umaCorrente Eltrica

1249Navegao eletrnica e em condies especiais

Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

Para uma antena vertical, a potncia do sinal a mesma em todas as direes hori-zontais. A menos que a polarizao passe por uma mudana durante o percurso da onda,sinais mais fortes sero recebidos de uma antena vertical quando a antena receptoratambm for vertical.

Para baixas freqncias, a irradiao de um sinal acontece pela interao da ante-na com a terra. Para uma antena vertical, a eficincia aumenta com o seu maior compri-mento. Para uma antena horizontal, a eficincia aumenta com a maior distncia entre aantena e a terra.

Na prtica, a eficincia mxima de uma antena horizontal se d quando a distnciaantenaterra a metade do comprimento da onda. Esta a razo porque se elevam asantenas de baixas freqncias a grandes alturas. Entretanto, para as freqncias maisbaixas, essa elevao se torna impraticvel. Por exemplo, para uma freqncia de 10 kHzela teria que ser elevada a uma altura de cerca de 8 milhas nuticas (metade do compri-mento da onda). Por isso que h dificuldades para projetar antenas eficientes para bai-xas freqncias.

Para freqncias mais altas, uma das sadas no ligada terra. Ambas as sadasdo amplificador final de radiofreqncia so ligadas a uma antena dipolo (bipolar). Essaantena no somente eficiente, como, tambm, altamente direcional, aumentando, as-sim, a potncia do sinal transmitido numa determinada direo. As antenas dipolo demeia onda, tanto as horizontais, como as verticais, so antenas direcionais. Seus mxi-mos de irradiao ocorrem perpendicularmente s antenas. O mnimo, ou nulo, est ali-nhado com o eixo da antena.

Assim, a energia irradiada de uma antena distribuda no espao segundo pa-dres de irradiao, compostos de lbulos e nulos.

O projeto de uma antena direcional busca tornar os lbulos laterais, ou secundri-os, os menores possveis (figura 34.28). Alguns parmetros que influem nos padres deirradiao das antenas so:

Polarizao; ganho da antena; e largura de feixe.

Figura 34.28 Diagrama de Irradiao

Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

Navegao eletrnica e em condies especiais1250

A polarizao de uma antena dada pela direo do campo eltrico em relao Terra.

O ganho da antena a relao entre as tenses produzidas, em um determinadoponto, pela antena considerada e uma antena isotrpica. O ganho , em geral, expressocomo uma relao entre potncias; , ento, proporcional ao quadrado da relao entretenses. Uma antena com ganho 2 ter, portanto, um ganho de potncia 4. Isto significaque, para produzir igual intensidade de campo na mesma distncia, uma antena isotrpicateria que ser alimentada com uma potncia quatro vezes maior. Os valores tpicos deganhos de antenas variam de 100 a 10.000 (20 dB a 40 dB).

A largura de feixe (W) de uma antena a medida angular entre as direes nasquais a potncia transmitida ou recebida a metade da potncia mxima do lbulo. Essesso chamados pontos de 3 dB. O Apndice a este Captulo traz uma informao sobre deci-bel (dB) e seu uso.

Algumas consideraes sobre a relao existente entre ganho, tamanho da antenae largura de feixe podem ser teis. Para uma determinada freqncia, o ganho cresce coma rea da antena numa razo aproximadamente direta. Do mesmo modo, qualquer di-menso de uma antena aumentada causar um estreitamento do feixe. Podemos ver, por-tanto, que antenas grandes esto normalmente associadas a ganho elevado e feixe es-treito.

importante observar que o tamanho de uma antena um valor que depender dafreqncia utilizada. Na realidade, o fator importante o comprimento de onda emprega-do, comparado s dimenses fsicas da antena. Uma determinada dimenso pode ser con-siderada grande para uma freqncia e pequena para outras. Conclumos, portanto, queduas antenas de dimenses diferentes podem ter o mesmo ganho e largura de feixe, desdeque a menor delas opere com freqncia maior e, conseqentemente, menor comprimentode onda.

Deve-se ter em mente que uma antena pode receber e irradiar energia fora de sualargura de feixe, por intermdio de seus lbulos laterais ou secundrios. Este um pontoimportante a ser considerado.

c. RECEPTORES E ANTENAS DE RECEPO

O receptor de rdio um equipamento projetado para converter a onda de rdio emuma forma adequada de recebimento de informaes. Ele deve ser capaz de selecionar asondas portadoras de uma freqncia desejada; demodular a onda; amplific-la, se neces-srio; e apresentar a informao recebida de uma forma utilizvel.

A sada do receptor pode ser atravs de fones de ouvido, de alto-falante, ou, ainda,de um mostrador, anteriormente constitudo, em muitos sistemas, por uma vlvula deraios catdicos (VRC), hoje substituda, nos modernos equipamentos eletrnicos de nave-gao, por um mostrador LCD (liquid crystal display).

Um receptor deve incorporar os seguintes componentes bsicos:

Antena, para converter a onda de rdio recebida em corrente eltrica; demodulador, para separar a onda moduladora da portadora; e mostrador (display), que apresenta a informao de uma forma utilizvel.

1251Navegao eletrnica e em condies especiais

Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

A figura 34.29 mostra o diagrama de um receptor de fonia. As ondas eletromagn-ticas que vm do transmissor, ao baterem na antena, imprimem uma presso eltrica,que provoca uma corrente alternada de intensidade muito fraca. Essa corrente , ento,aumentada de intensidade pelo amplificador de radiofreqncia. Da, ela levada aodemodulador, onde so separadas as radiofreqncias das audiofreqncias, ou seja, acorrente alternada de audiofreqncia que contm a mensagem separada da portadora.A corrente de audiofreqncia levada ao amplificador de udio, que lhe aumenta a po-tncia, e, por fim, no alto-falante so emitidas ondas sonoras (que correspondem s ondassonoras que incidem no microfone do transmissor).

Figura 34.29 Diagrama em Bloco de um Receptor de Fonia (RF Sintonizada)

Os receptores devem possuir uma srie de qualidades para que desempenhem acontento as tarefas para as quais foram construdos:

1. A faixa de freqncias deve estar de acordo com as ondas eletromagnticasque deve receber;

2. deve possuir a capacidade de separar sinais da freqncia desejada de outrossinais de freqncias aproximadas; a essa caracterstica d-se o nome de seletividade;

3. sensibilidade: deve possuir meios para detectar e amplificar um sinal fraco, demaneira a extrair as informaes desejadas;

4. estabilidade: a capacidade de resistir derivao das condies ou valoresnos quais foi sintonizado, permanecendo na freqncia em que foi ajustado; e

5. fidelidade: deve repetir exatamente as caractersticas essenciais do sinal origi-nal (preciso na reproduo das caractersticas da onda moduladora original).

Algumas dessas caractersticas podem ser conflitantes. Por exemplo, se aumentar-mos demais a seletividade de um receptor, podemos causar uma perda de fidelidade; sediminuirmos ao mximo uma abertura de faixa de um receptor de radiofonia, poder acon-tecer do mesmo no receber todas as freqncias de udio, e os sons mais graves e os maisagudos podero no ser apresentados no alto-falante.

Os receptores podem possuir dispositivos adicionais, como controle automtico devolume, que se destina a minimizar os efeitos do fading; controle automtico de rudos,que tem como finalidade diminuir os rudos de fundo; etc.

Os sinais indesejveis na recepo de uma onda denominam-se interferncias. As in-terferncias podem ser produzidas pelo homem, intencionalmente ou no, ou por fontes natu-rais. As interferncias intencionais, no sentido de obstruir as comunicaes, ou interromper

Alto-falante

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Navegao eletrnica e em condies especiais1252

a transmisso ou recepo de informaes, tais como o bloqueio, so objeto da GuerraEletrnica. As interferncias produzidas pelo homem no intencionalmente e as de fontesnaturais denominam-se rudos.

Os rudos do prprio receptor (rudos internos) so provocados pelos circuitos decorrente alternada, pela vibrao de elementos eletrnicos, por maus contatos ou compo-nentes defeituosos, etc. Os rudos externos produzidos pelo homem no intencionalmenteso provenientes de motores eltricos, geradores e outros equipamentos eltricos e ele-trnicos. Geralmente, eles diminuem com o aumento da freqncia, com exceo da igni-o de motores, que tem sua mxima interferncia na faixa de freqncias muito altas(VHF). Esses rudos podem ser diminudos pela aplicao de filtros ou pela blindagem doaparelho. Os rudos de fontes externas no produzidos pelo homem so os rudos atmosf-ricos, os rudos csmicos e rudos trmicos. Os rudos atmosfricos tambm so conheci-dos como esttica e provm de descargas eltricas naturais. No globo terrestre, por se-gundo, ocorrem cerca de 100 relmpagos, em sua maioria na faixa tropical da Terra. Elesse apresentam na sada do receptor como um murmrio, sendo que os mais prximosapresentam-se como estalidos. Eles ocorrem em todas as freqncias, mas diminuem como aumento da mesma. Acima de 30 MHz, geralmente, no apresentam problemas. Osrudos csmicos so os provenientes da emisso rdio de vrias fontes da galxia, inclusi-ve do Sol. Os rudos trmicos so produzidos pela atmosfera aquecida e pela superfcie daTerra.

O total desses rudos soma-se na sada do receptor: rudos de fontes externas + rudosdo prprio receptor. Melhorando os componentes de fabricao e adequando os circuitos, in-troduzindo filtros nas fontes de rudos produzidos pelo homem e escolhendo apropriadamentea freqncia, pode-se ter uma recepo mais livre de interferncias.

Quando uma onda de rdio incide em uma antena, nela imprime uma presso eltrica.Contudo, o fato de existir uma voltagem na antena no significa que ela esteja sendo percor-rida por uma corrente eltrica. Para que haja essa corrente preciso que a presso eltricaseja maior num lado que no outro da antena, ou seja, que exista uma diferena de potencialentre as extremidades da antena. Ento, os eltrons escoaro do local onde esto em excesso,para o local onde esto em falta, produzindo a corrente eltrica.

Na figura 34.30a, temos um sistema antenaterra, onde (1) a antena, (2) o condu-tor da mesma, (3) o primrio do transformador dentro do receptor e (4) a terra que fechao circuito. A curva (5) representa um ciclo da onda de radiofreqncia que, em sua propa-gao pelo espao, encontrou a antena. Nessa figura, o ciclo da onda que encontrou aantena negativo, logo, transfere mesma eltrons, que descero da antena para terra,criando uma corrente eltrica no sentido da seta. Quando passar o prximo ciclo da onda,agora positivo, a antena ficar carregada positivamente em relao terra. E, como car-gas de nomes contrrios se atraem, os eltrons da terra sobem e, assim, criam uma cor-rente no sentido ascendente (figura 34.30b). fcil identificar o sentido da corrente el-trica na antena unifilar vertical aplicando a lei da atrao e repulso das cargas eltricas:sendo o semiciclo negativo, os eltrons da onda repelem os eltrons livres da antena e acorrente tem sentido de cima para baixo. No semiciclo positivo, como as cargas eltricasde sinais contrrios se atraem e a maior carga de eltrons est na terra, o sentido dacorrente da antena de baixo para cima.

Este o princpio da antena unifilar vertical, que auxilia a compreender o funcio-namento das antenas de recepo. Os outros tipos de antena de recepo (unifilar hori-zontal, parablica, em quadro, etc.) sero mencionados ao estudarmos os equipamentosque as usam.

1253Navegao eletrnica e em condies especiais

Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

34.6 ONDAS ACSTICASAs ondas acsticas propagam-se com vantagens (em relao s ondas EM) no

meio aqutico. Assim, dominam completamente os sistemas desenvolvidos para atuar nosoceanos.

A onda acstica uma forma de energia mecnica, que se propaga pelo movimen-to de partculas ou molculas. Entretanto, uma onda sonora no transporta matria, massim energia. Se imaginarmos um diafragma imerso em gua, como o representado pelafigura 34.31, ao qual imprimida, mecnica ou eletricamente, uma vibrao, observa-se aformao de regies de compresso e rarefao, na medida em que o diafragma oscilaentre suas posies extremas. As partculas comprimidas, agindo sucessivamente sobreas camadas adjacentes, propagam esse efeito, fazendo com que ele se afaste da fonte deperturbao.

Figura 34.30 Antena de Recepo Unifilar Vertical

Figura 34.31 Representao das Ondas Acsticas

(a) CICLO NEGATIVO (b) CICLO POSITIVO

Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

Navegao eletrnica e em condies especiais1254

Se considerarmos uma molcula individual na gua, quando a primeira perturba-o a atinge, ela se move primeiro numa direo e depois em sentido oposto. Ela, de fato,tende a manter a sua posio mdia de repouso, vibrando em torno dela semelhana dasmolculas do diafragma. Evidentemente, outras causas, tais como as correntes, poderoprovocar uma variao dessa posio mdia; as vibraes causadas pelo diafragma, entre-tanto, no o faro.

A vibrao molecular ocorre na direo de propagao da onda, motivo pelo qual asondas acsticas so chamadas de ondas longitudinais. No entanto, nem todas as ondasmecnicas so longitudinais, como o caso, por exemplo, das ondas superficiais, na interfacegua/ar. Neste caso, as molculas se movem perpendicularmente direo de propaga-o. Como no caso das ondas EM, no h movimento vibratrio resultante na direo depropagao das ondas; apenas o efeito e a energia se propagam.

A velocidade de propagao das ondas sonoras muito menor do que a velocidadeda luz. Elas viajam na gua com uma velocidade de 1.500 m/seg, mais ou menos 3%,dependendo da temperatura, salinidade e presso. Este valor cerca de duzentas milvezes menor que a velocidade de propagao das ondas EM.2

O comprimento de onda de uma onda sonora guarda com a freqncia o mesmo tipode relao j apresentado para as ondas eletromagnticas:

l = v

f

Onde v a velocidade do som na gua.

Como a velocidade do som na gua varia mais que a velocidade da luz, os compri-mentos de uma onda sonora sero, correspondentemente, mais variveis. Do mesmo modo,devido menor velocidade do som, o comprimento da onda sonora muito menor do que ode uma onda EM de mesma freqncia. Por exemplo, para uma freqncia de 10.000 Hz,uma onda sonora ter o comprimento de 15 cm, enquanto o da onda EM ser de 30 km.

A medida do grau de compresso ou rarefao de uma onda sonora a presso,normalmente tomada em microbares (1 microbar = 1 din/cm = 14.5 x 10-6 psi).

Uma representao presso x distncia ao longo de uma onda sonora teria a mes-ma forma senoidal das ondas eletromagnticas.

34.7 O ESPECTRO ACSTICOA figura 34.32 apresenta o espectro acstico, que se estende de zero at cerca de

100 kHz. Existem trs divises principais dentro dessa faixa:

A regio de 020 Hz chamada de infra-snica ou subsnica; de 2020.000 Hz tem-se a regio snica; acima de 20.000 Hz, a regio ultra-snica. As freqncias snicas soaquelas que o ouvido humano pode detectar. Na prtica, poucos indivduos podem alcan-ar qualquer dos extremos dessa faixa.

2 A velocidade de propagao do som no ar de cerca de 330 m/seg; no ao, alcana 6.000 m/seg. A resis-tncia acstica da gua de 1.5 x 105 g/cm . seg, enquanto que a do ar muito mais baixa (42 g/cm . seg).

1255Navegao eletrnica e em condies especiais

Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

Os ecobatmetros e sonares empregados na navegao utilizam, em sua maioria, afaixa mais elevada do espectro snico (de 12 kHz para cima) e o espectro ultra-snico(especialmente a faixa de 50 a 200 kHz).

na regio snica que, em sua maioria, os sonares navais ativos e passivos operam. Em geral, os passivos na parte inferior (20 5.000 Hz) e os ativos na parte supe-rior (1 kHz 20 kHz). Existe alguma superposio, uma vez que possvel projetar sonaresque podem operar em ambos os modos e na mesma freqncia.

34.8 ONDAS ELETROMAGNTICAS XONDAS ACSTICAS

Podemos, neste ponto, alinhar algumas semelhanas e diferenas entre as ondasEM e as sonoras. Ambas envolvem a propagao de efeitos mensurveis e sua energia,atravs de um meio. Esses efeitos presso, campo eltrico e campo magntico variamde forma senoidal. Tanto as ondas EM como as sonoras caracterizam-se por uma freqn-cia e um comprimento de onda, que se relacionam de forma inversa com uma constante deproporcionalidade igual velocidade de propagao do efeito considerado:

l = v

f

Talvez a maior diferena entre elas seja o fato de que as ondas EM se propagam novcuo e as sonoras no. Entretanto, num meio como os oceanos, as ondas sonoras apre-sentam timas condies de propagao. Uma outra diferena significativa a que existeentre as velocidades de propagao da onda EM e da sonora (como vimos, as ondas eletro-magnticas propagam-se com uma velocidade cerca de 200.000 vezes maior). Poderamos,ainda, citar as seguintes diferenas:

As ondas sonoras so longitudinais, ao passo que as EM so transversais; a onda EM tem sempre dois efeitos mensurveis presentes: os campos eltrico e

magntico; para uma dada freqncia, os comprimentos da onda sonora so muito menores

que os das ondas EM; e a velocidade do som e, conseqentemente, os comprimentos de ondas sonoras

so mais variveis do que nas ondas EM.

Figura 34.32 O Espectro Acstico

Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

Navegao eletrnica e em condies especiais1256

34.9 PROPAGAO DAS ONDAS ACSTICASOs efeitos que afetam a propagao das ondas acsticas e interessam direta-

mente ao desempenho dos sistemas e sensores utilizados em navegao so:

Disperso; absoro; reflexo; e refrao.

Tanto as ondas EM como as sonoras esto sujeitas a esses efeitos ou fenmenos.Dependendo da natureza e das fronteiras do meio e da freqncia da onda, alguns dessesfenmenos predominam sobre os outros.

a. DISPERSO

A atenuao da propagao de uma onda se processa de duas formas: por dis-perso e por absoro. A energia disponvel para a obteno de um eco decresce coma distncia, porque o impulso se dispersa medida que se afasta da fonte. A queda deintensidade da energia irradiada proporcional ao quadrado da distncia percorrida.Se considerarmos que a energia refletida que produz um eco percorre a distncia nosdois sentidos, vemos que a intensidade do sinal varia na razo inversa da quartapotncia da distncia. Assim, a intensidade do som rapidamente atenuada na gua.Por isso, usam-se feixes direcionais nos ecobatmetros e sonares.

b. ABSORO

A propagao de ondas atravs de qualquer meio diferente do vcuo sempre acom-panhada de perdas causadas pela absoro de potncia pelas partculas do meio. As-sim, apenas as ondas EM, ao se propagarem pelo vcuo, no so atenuadas pela absoro.

As ondas sonoras perdem uma pequena parcela de energia para cada partculado meio. Esta energia perdida para o meio pode ser considerada como uma dissipaode calor, da qual resultar um crescimento do movimento aleatrio das partculas ambien-tais. Embora vrios fatores, como a salinidade e o espalhamento, influenciem a absorodas ondas sonoras ao se propagarem no mar, o fator predominante a freqncia. A figu-ra 34.33 apresenta uma curva de variao da absoro pelo oceano, em funo da fre-qncia. Pode ser identificado na curva o aumento substancial da absoro com oaumento da freqncia, razo pela qual as freqncias elevadas no so utiliza-das em sistemas-sonar de longo alcance. Quanto menor a freqncia, menor a absor-o e o ecobatmetro, ou sonar, de navegao que opera em baixa freqncia ter maioralcance.

c. REFLEXO

A reflexo das ondas acsticas fator indispensvel para o funcionamento dossensores ativos, como o ecobatmetro e o sonar doppler. Alm do prprio alvo, devem serconsideradas, no estudo da reflexo das ondas sonoras, as superfcies que limitam a suapropagao, no caso, a superfcie e o fundo do mar. Dependendo da profundidade, caracte-rsticas do fundo e potncias envolvidas, as ondas sonoras podem sofrer vrias reflexesentre a superfcie e o fundo.

1257Navegao eletrnica e em condies especiais

Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

Figura 34.33 Absoro X Freqncia

A presena de corpos estranhos no meio, tais como partculas em suspenso,algas, peixes, bolhas, etc., causa um espalhamento da energia sonora. A quantidade deenergia espalhada funo do tamanho, densidade e concentrao das partculas, bemcomo da freqncia da onda sonora. A parcela da energia sonora espalhada que retorna fonte, toma o nome de reverberao.

A reverberao decorrente da reflexo das ondas sonoras nesses corpos estra-nhos ao meio a chamada reverberao de volume ou de meio. Este tipo ocorre,principalmente, a distncias relativamente grandes, pois causada, na sua maior par-te, pelas camadas mais profundas. A reverberao de volume independe das condi-es de vento, estado do mar ou sua estrutura trmica.

O outro tipo a considerar a reverberao de limite. Entenda-se aqui porlimite as barreiras fsicas que confinam a propagao do som na gua: o fundo e asuperfcie do mar. As reverberaes de superfcie diminuem com a distncia (in-versamente proporcional ao cubo da distncia) e aumentam com o estado do mar, nos pela maior quantidade de bolhas na superfcie como, tambm, pela reflexodesordenada dos raios sonoros que chegam a ela, fazendo com que grande quantidadedeles retorne fonte.

A reverberao de fundo sofre influncia da natureza e irregularidades dofundo e do prprio comprimento de onda. Alm da absoro pelo fundo de uma consi-dervel parcela de energia, dependendo das suas caractersticas e do ngulo de inci-dncia da frente de onda, poder ocorrer, ou no, um deslocamento de fase no fundo. Areverberao de fundo assume importncia quando operando em guas rasas (menosde 200 metros). Um fundo de pedra, coral ou conchas uma fonte potencial de reverbe-

ABSORO(dB/km)

FREQNCIA(Hz)

Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

Navegao eletrnica e em condies especiais1258

rao, ao passo que a areia funciona como um bom refletor, permitindo que a maiorparte da energia siga a sua trajetria. Um fundo de lama no causar reverberaodigna de nota, porm atuar como absorvente de energia sonora.

Na reflexo das ondas acsticas no fundo, o ngulo de incidncia (i) igual aongulo de reflexo (r). Ento, poderia ocorrer com o feixe transmitido por um ecobat-metro o mostrado na figura 34.34a. No entanto, em virtude das irregularidades do fundo,parte do feixe retorna ao transdutor, sob a forma de eco, conforme ilustrado na figura34.34b.

Figura 34.34 Reflexo das Ondas Acsticas no Fundo

Como vimos, na propagao das ondas acsticas na gua, observam-se reflexesdo som por obstculos existentes no meio lquido, menores que o comprimento da ondasonora. Este fenmeno denominado scattering (disperso ou espalhamento). Ospequenos obstculos funcionam como se fossem fontes puntiformes geradoras de som,irradiando ecos para todas as direes (ondas esfricas).

Outros obstculos so os peixes, pois suas bexigas natatrias, cheias de ar, re-fletem as ondas sonoras. O eco de um cardume muito denso, prximo do transdutor elonge do fundo, pode obstruir completamente o eco do fundo, mascarando a indicaodo ecobatmetro. Entretanto, geralmente, mesmo com a presena de cardumes pode-se identificar o eco do fundo.

Na entrada da plataforma continental, normalmente entre 400 e 1.000 metros deprofundidade, costuma aparecer uma camada de origem biolgica, denominada deepscattering layer DSL (camada de disperso profunda), que reflete o feixe sonoro trans-mitido por um ecobatmetro, podendo causar indicaes erradas de profundidade. A DSL observada em todos os oceanos, exceto nas altas Latitudes do rtico e da Antrtica.

(a) NO ISTO O QUE OCORRE (b) PARTE DA ONDA ACSTICA RETORNA,SOB A FORMA DE ECO, REFLETIDA PE-LAS IRREGULARIDADES DO FUNDO

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Noes sobre ondas eletromagnticas e acsticas

A DSL formada por zooplnctons, principalmente coppodos e eufausdeos. As DSLmigram, seguindo uma linha de isoluminosidade, buscando uma luminosidade tima(so repelidas por uma luminosidade forte e atradas por uma luminosidade fraca). Denoite, esto mais prximas da superfcie; durante o dia, deslocam-se para profundida-des maiores (400 a 600 metros). Sabemos que quanto mais baixa a freqncia da ondasonora, maior o comprimento de onda e, assim, maiores devem ser os obstculos(zooplnctons) para refletirem o som. Desta forma, freqncias mais baixas conseguempenetrar na DSL e indicar corretamente o fundo.

d. REFRAO DAS ONDAS ACSTICAS

Sempre que uma frente de onda seja ela EM ou sonora se propaga por um meioonde ocorre uma variao de densidade, haver um encurvamento do feixe. Dos dois meiosconsiderados atmosfera e oceano o segundo o mais varivel. Assim, a refrao das ondassonoras assumem papel importante na propagao nesse meio. Em ltima anlise, a causa darefrao a variao da velocidade de propagao. A velocidade do som funo da tempera-tura, salinidade e presso da gua do mar, guardando proporo direta com a variao dequalquer desses fatores. medida que o som se propaga em um determinado meio, sofreencurvamentos na direo das regies em que a velocidade menor (Lei de Snell: os senos dosngulos de incidncia e de refrao so proporcionais, respectivamente, s velocidades depropagao nos meios considerados).

As maiores variaes de temperatura ocorrem nas profundidades menores, at cer-ca de 1.000 metros. Nesta faixa, a velocidade do som varia quase proporcionalmente temperatura. Abaixo dessa profundidade, a temperatura quase constante, e as varia-es so causadas, principalmente, pela presso. A combinao desses efeitos faz, geral-mente, que um raio sonoro seja inicialmente encurvado para baixo, em direo s maio-res profundidades, at um ponto em que essa tendncia se inverte e o raio comea a seencurvar para cima. Se a profundidade local for suficiente, o raio poder sofrer refraessucessivas nas regies profundas e na superfcie, guardando certa semelhana com asreflexes sucessivas entre os limites fundo e superfcie. A grande diferena entre os doisfenmenos que, no caso da refrao, desenvolve-se um efeito de focalizao dos raiossonoros, medida em que eles se aproximam da superfcie. Esse efeito, chamado de con-vergncia, cria uma regio, de forma anular, que circunda a fonte, chamada zona deconvergncia, onde a intensidade sonora maior do que nas regies vizinhas (figura34.35).

A trajetria de um feixe sonoro ao se deslocar na massa lquida ir depender daspropriedades da rea considerada (temperatura, salinidade e presso) e do seu perfil develocidade do som. Essa trajetria pode variar desde uma simples linha reta at configu-raes bastante complexas. Poderemos, para facilidade de raciocnio, imaginar que a massalquida composta de uma srie de camadas superpostas, nas quais a temperatura, pres-so e salinidade, e, conseqentemente, a velocidade do som, so constantes. Teremos,assim, uma srie de pequenas separaes