Fenomeni della riverberazione in mare

I fenomeni della riverberazione in mare accompagnano le emissioni acustiche del sonar attivo generate per l’illuminazione impulsiva dei bersagli, sono caratterizzati da tre tipi particolari che si manifestano, sia isolatamente, sia contemporaneamente in dipendenza delle caratteristiche dell’ambiente subacqueo.

Tipologie della riverberazione

Si distinguono in:

• riverberazione di superficie (causata dalla riflessione delle onde acustiche che colpiscono la superficie del mare, tanto più elevata quanto è l'increspatura del mare)
• riverberazione di fondo (causata dalle riflessione delle onde acustiche che colpiscono il fondo del mare, tanto più elevata quando il fondo è roccioso)
• riverberazione di volume (causata dalle riflessione delle particelle disperse in mare ed altre cause)

I fenomeni della riverberazione, rilevati strumentalmente con l'ausilio di una base idrofonica, portano ad una visione oscilloscopica riportata in figura 1:

figura 1 Riverberazione causata dall'impulso del sonar

Il fenomeno impulsivo di figura mostra nell'ordine:

• Prima fase - l'emissione dell'impulso del sonar -
• Seconda fase - la comparsa di una porzione dell'energia acustica riflessa, RLv, dall'ambiente che la riverbera; prima giunge la riverberazione del volume d'acqua investito dall'impulso, successivamente le altre -
• Terza fase - la comparsa dell'eco del bersaglio coperto in parte dalla riverberazione-

Specificazione sui calcoli dell'intensità di riverberazione

I computi sull'intensità di riverberazione si basano su variabili le cui leggi sono state studiate sul campo da diversi autori, non tutti i dati sono uniformi data la complessità del problema. Gli algoritmi esposti di seguito sono un'indicazione generale sulle variabili e le metodologie di calcolo.

Geometria per il calcolo della riverberazione di superficie

La figura 2 mostra il caso di una nave e un sottomarino:

Il sonar che emette gli impulsi è sulla nave.

Il bersaglio che deve essere illuminato dagli impulsi sonar è a mezza quota.

figura 2 Geometria per la riverberazione di superficie

Il calcolo dell'intensità della riverberazione di superficie, per $ar$ molto piccolo, è rimesso all'algoritmo:

$RLs=SL-40\cdot \log _{10}{R_{1}}+S_{s}+10\cdot \log _{10}{(c\cdot \tau \cdot R_{1}/2)}+10\cdot \log _{10}{ad}$

Dove:

$RLs=$ livello della riverberazione di superficie in $dB/\mu Pa$

$SL=$ livello d'emissione del sonar in $dB/\mu Pa/1\ m$

$R_{1}=$ distanza dalla zona riverberante in $m$

$R_{2}=$ distanza del bersaglio in $m$

$S_{s}=$ coefficiente di riflessione della superficie (v. formula di Chapman - Harris tra le diverse)

$c=$ velocità del suono $m/S.$

$10\cdot \log _{10}{ad}=$ variabile dipendente dal guadagno di direttività dell'emettitore

$\tau =$ durata dell'impulso di emissione $S.$

Geometria per il calcolo della riverberazione di fondo

La figura 3 mostra un caso tra due sottomarini:

Il sonar che emette gli impulsi è su smg1.

Il bersaglio che deve essere rilevato è smg2.

figura 3 Geometria per la riverberazione di fondo

Il calcolo dell'intensità della riverberazione di fondo, per $\theta$ molto piccolo, è rimesso all'algoritmo:

$RLb=SL-40\cdot \log _{10}{R}+S_{b}+10\cdot \log _{10}{(c\cdot \tau \cdot R/2)}+10\cdot \log _{10}{ad}$

Dove:

$RLb=$ livello della riverberazione di fondo in $dB/\mu Pa$

$SL=$ livello d'emissione del sonar in $dB/\mu Pa/1\ m$

$R=$ distanza dalla zona riverberante in $m$

$R_{0}=$ distanza del bersaglio in $m$

$S_{b}=$ coefficiente di riflessione del fondo (v. Ref.1)

$c=$ velocità del suono $m/S.$

$10\cdot \log _{10}{ad}=$ variabile dipendente dal guadagno di direttività dell'emettitore

$\tau =$ durata dell'impulso di emissione $S.$

Calcolo per la riverberazione di volume

La riverberazione di volume si computa, generalmente, senza la grafica:

$RLv=SL-40\cdot \log _{10}{R}+S_{v}+10\cdot \log _{10}{(c\cdot \tau \cdot R^{2}/2)}+10\cdot \log _{10}{ad}$

Dove:

$RLv=$ livello della riverberazione di volume in $dB/\mu Pa$

$SL=$ livello d'emissione del sonar in $dB/\mu Pa/1\ m$

$R=$ distanza percorsa dall'impulso sonar $m$

$S_{v}=$ coefficiente di riflessione del volume (v. Rif. 1)

$c=$ velocità del suono $m/S.$

$10\cdot \log _{10}{ad}=$ variabile dipendente dalla direttività dell'emettitore

$\tau =$ durata dell'impulso di emissione $S.$

Esempio di calcolo per la riverberazione di volume

L'algoritmo di calcolo per il livello della riverberazione di volume, essendo il più semplice dei tre, si presta bene per un esempio indicativo.

L'algoritmo è:

$RLv=SL-40\cdot \log _{10}{R}+S_{v}+10\cdot \log _{10}{(c\cdot \tau \cdot R^{2}/2)}+10\cdot \log _{10}{ad}$

I dati assunti per il calcolo sono:

$SL=182\ dB/\mu Pa/1m$

$R=1000\ m$

$S_{v}=-85\ dB$ (coeff. di riflessione del mare in ore diurne ) (v. Rif. 1)

$c=1530\ m/Sec.$

$10\cdot \log _{10}{ad}=-9\ dB$ (per trasduttore di emissione rettilineo: $l=0.8\ m;h=0.1\ m;\lambda =.07$)

$\tau =0.04\ S.$

si ha: $RLv=182-40\cdot \log _{10}{1000}-85+10\cdot \log _{10}{(1530\cdot 0.04\cdot 1000^{2}/2)}-9=43\ dB/\mu Pa$

Con la serie dei dati indicati, facendo variare $R$ da $10\ m$ a $1000\ m$, dall'algoritmo si ottiene la curva di figura 4 che mostra la variazione del livello di riverberazione di volume in funzione della distanza dall'emettitore sonar.

figura 4 RLv = f ( R )

La curva mostra che alla distanza di $100\ m$ il volume d'acqua colpito dall'impulso del sonar restituisce una pressione acustica di $62\ dB/\mu Pa$.

A mano a mano che l'impulso si allontana dal suo generatore la riverberazione, causa l'attenuazione dovuta al percorso, si riduce fino al valore di $43\ dB/\mu Pa$ alla distanza di $1000\ m.$

Bibliografia

• (EN) Robert J. Urick, Principles of underwater sound, 3ª ed., Mc Graw – Hill, 1968.
• Aldo De Dominicis Rotondi, Principi di elettroacustica subacquea, Genova, Elettronica San Giorgio-Elsag S.p.A., 1990.
• R.M. RICHTER, Measurements of Backscattering from the Sea Surface, J.A.S.A. 36-864-1964, U.S.A.