Comportamento in mare dei rumori, dei segnali e della base idrofonica

Per illustrare semplicemente il comportamento in mare dei rumori, dei segnali e della base idrofonica nella localizzazione sonar si propongono due caratteristiche immagini, a sfondo blu, relative ad una possibile situazione operativa sul campo.

Mezzi navali nel teatro operativo e livelli acustici

Teatro operativo

Nella prima immagine di questa pagina è mostrato un ipotetico teatro operativo dove il sonar di un sottomarino cerca di localizzare il bersaglio; in questo tipo di operazione giocano tanto il rumore del mare, caratteri viola, quanto il livello del rumore emesso dal bersaglio a caratteri verdi.

Posizionamento semoventi navali

Cacciatorpediniere preso a bersaglio

Nel teatro operativo, in alto a destra, è visibile un bersaglio, cacciatorpediniere che naviga a 15 kn (circa 28 km/h).

Sottomarino

In basso al centro è mostrato un sottomarino fermo in quota che con il sonar cerca di localizzare la nave.

La distanza tra i due mezzi è ipotizzata in $22\ km$.

Valutazione dei livelli del segnale

I livelli acustici dei segnali $S$ emessi dal bersaglio, indicati in verde, presi ad esempio, indicano:

$S=118\ dB\ /\ \mu Pa/Hz/1\ m$ pari a $800000\ \mu Pa/Hz$

Il segnale acustico che colpisce il sottomarino, dopo aver percorso $22\ km$, risulta attenuato, per divergenza ed assorbimento, di $98\ dB$, pertanto il livello d'impatto sullo scafo è

$S_{a}tt.=20\ dB\ /\ \mu Pa/Hz$ pari a $10\ \mu Pa/Hz$

Valutazione dei livelli di rumore

Rumore del mare dovuto al moto ondoso

I livelli del rumore dell’ambiente marino che avvolgono il sottomarino, indicati in colore viola, ( con lo stato del mare preso ad esempio di : SS = 1) sono:

$NL=41\ dB\ /\ \mu Pa/Hz$ pari a $112\ \mu Pa/Hz.$

Comparazione tra livelli di rumore e di segnale

Nella situazione indicata nelle sezioni precedenti il livello del segnale che colpisce il sottomarino è $S_{a}tt.=20\ dB\ /\ \mu Pa/Hz$ pari a $10\ \mu Pa/Hz$ ed il livello del rumore del mare che avvolge lo scafo è $NL=41\ dB\ /\ \mu Pa/Hz$ pari a $112\ \mu Pa/Hz$.

Risulta pertanto che il rumore è $11$ volte superiore al segnale, e non consente la scoperta del bersaglio.

Questa condizione è migliorabile grazie alla direttività della base idrofonica che abbatte il rumore di circa $10$ volte; in tal modo all'uscita della base stessa si hanno nuovi rapporti tra segnale e rumore come riportato nella sezione seguente.

Base idrofonica ricevente e livelli dei segnali

Base idrofonica e livelli

Nella figura a fianco è mostrata la conversione dei livelli acustici in livelli elettrici ad opera della base idrofonica.

I valori del rumore del mare, penalizzanti per la scoperta del bersaglio, sono sensibilmente riducibili in virtù delle caratteristiche di direttività del sonar dovuti alla base idrofonica.

Nella parte alta della figura è riportata, dalla sezione precedente, la situazione dei livelli acustici che colpiscono il sottomarino:

Per i livelli acustici dovuti al bersaglio il colore verde

Per i livelli di rumore il colore viola.

Comportamento della base acustica

La base viene colpita dalle pressioni acustiche presenti attorno il sottomarino così come indicato in forma non convenzionale dalla didascalia bianca a sinistra della base con l'indicazione Ingresso sotto la quale si leggono le dette pressioni:

• Rumore $=112\ \mu Pa$
• Segnale$=10\ \mu Pa$

Nella parte sottostante è riportata una vista oscilloscopica dell'insieme delle due pressioni acustiche che, come si vede, non consentono la visione del segnale coperto dal disturbo.

A seguire la parte descrittiva è riportata la fotografia di una base acustica cilindrica con le indicazioni relative al suo guadagno:

• Direttività della base = $10$ volte.

Nella parte destra della base, ancora in forma non convenzionale, la didascalia bianca con l'indicazione Uscita sotto la quale si leggono, sotto forma di tensioni elettriche, le conversioni delle dette pressioni:

• Rumore $=11$
• Segnale $=10$

Nella parte sottostante è riportata una vista oscilloscopica dell'insieme delle due pressioni acustiche che, come si vede, ora consentono la visione del segnale anche se ancora coperto parzialmente dal disturbo.

Valutazioni da un punto di vista matematico

Ampiezza all'uscita di un correlatore in funzione del rapporto S/N espresso in decibel

L'effetto del guadagno della base idrofonica ,visto in termini matematici, si può ottenere richiamando i dati esposti nella sezione precedente, per i livelli elettrici in uscita della base acustica, possiamo scrivere:

• Rumore $=11$
• Segnale =$10$

che evidenziano un rapporto segnale/disturbo di:

$S/N=10/11=0.91$ pari a $-0.8\ dB$

Se questi valori di tensione generano, tramite un circuito di correlazione, un fascio preformato di scoperta video il suo livello di tensione d'uscita normalizzato sarà deducibile dal diagramma tracciato a fianco in figura 1:

per $S/N=-0.8\ dB$ la tensione all'uscita del correlatore sarà $\approx 0.3$ contro un massimo di $1$ con una modesta varianza, indicata nel grafico con puntini rossi; condizione ottima per la scoperta del bersaglio.

Se la base idrofonica fosse, per assurdo, a guadagno $1$ il rapporto $S/N$sarebbe

$S/N=1/11=0.091$ pari a $-21\ dB$ al quale, secondo la curva data corrisponderebbe un valore normalizzato all'uscita del correlatore d'ampiezza insignificante immerso nella varianza; condizione di impossibilità per la scoperta del bersaglio.

Bibliografia

• Robert J. Urick,, Principles of underwater sound, 3ª ed. Mc Graw – Hill, 1968..
• Aldo De Dominics Rotondi,, Principi di elettroacustica subacquea Elettronica San Giorgio-Elsag S.p.A. Genova, 1990..
• C. Del Turco, Sonar- Principi - Tecnologie – Applicazioni, Tip. Moderna La Spezia, 1992.
• J.W. Horton,, Foundamentals of Sonar, United States Naval Institute, Annapolis Maryland, 1959.
• WH Thorp,, "Analytical description of the low frequency attenuation coefficient", Acoustical Society of America Journal, vol. 42, 1967, pag. 270..