Introduzione allo studio delle direttività delle basi idrofoniche

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lezione
Introduzione allo studio delle direttività delle basi idrofoniche
Tipo di risorsa Tipo: lezione
Materia di appartenenza Materia: Studio delle basi idrofoniche
Avanzamento Avanzamento: lezione completa al 100%.

L' Introduzione allo studio delle direttività delle basi idrofoniche, propedeutica agli sviluppi matematici, è impostata in modo semplice, discorsivo e per immagini.

La caratteristica di direttività di un sistema acustico indica come varia la sensibilità di ricezione con il variare della direzione di provenienza dell'onda sonora.

Se la sensibilità è la massima possibile in una direzione e diminuisce molto rapidamente con il variare di essa si dice che la base ricevente ha una buona direttività, cioè presenta una direzione preferenziale d'ascolto.

La direttività di un gruppo di sensori ( Idrofoni ) ottenuta sommando i contributi di tensione generati dai singoli idrofoni opportunamente ritardati, è governata da leggi matematiche che consentono di calcolare l'andamento della loro somma in funzione di diverse variabili.

In questa pagina tratteremo l'argomento in semplici termini grafico discorsivi rimandando il lettore alle successive lezioni per l'analisi delle direttività in termini matematici.

Disegni di massima e fotografie di un sistema acustico ricevente[modifica]

In figura 1 è mostrata in pianta la composizione di un sistema acustico ricevente disposta secondo il profilo dello scafo [1] di un sottomarino, questa geometria è detta a "Base conforme":

figura 1 - Base conforme vista in pianta

Il singolo idrofono [2] dell'insieme della figura precedente è mostrato dal vero in figura 2:

figura 2 Idrofono a stecca del sonar IPD70S

La disposizione degli idrofoni nel settore di prua del sottomarino, vista in prospettiva, [3], è mostrata il figura 3:

figura 3 Prospetto base idrofonica

La stessa disposizione della figura precedente è mostrata nel contesto dello scafo del sommergibile nella siluette di figura 4:

figura 4 Collocazione base conforme sottomarino Sauro

Ed in ultimo la fotografia, figura 5, che mostra una parte del sistema acustico[4] montato sullo scafo resistente del sottomarino:

figura 5 idrofoni a scafo

Geometria di ricezione del sistema acustico[modifica]

Quando il suono emesso dal bersaglio colpisce il sistema acustico mostrato nella figura 5 si può considerare la geometria di figura 6:

figura 6 Supporto base acustica con diagramma polare

Nella geometria si osserva:

  • Un tracciato polare chiuso dalla parte bassa con una banda nera, banda che rappresenta la schermatura dello scafo nei confronti dello schieramento dei sensori; questi possono ricevere, in via teorica, soltanto i suoni che provengono dalla parte superiore della banda nera.
  • Un bersaglio "B", posto in alto, ed il rumore da esso generato tracciato idealmente come una riga gialla che unisce il bersaglio stesso con la base acustica.
  • Un insieme di puntini neri che rappresentano il rumore del mare che avvolge tutto lo scafo del sottomarino.
  • Sulla destra, a memoria della struttura vera della base acustica, la fotografia già mostrata in precedenza.

La direttività della base acustica ed il numero degli idrofoni[modifica]

Per comprendere al meglio come la direttività di una base acustica, esaminata nel piano orizzontale, dipenda, oltre ad altri fattori, dal numero degli idrofoni impiegati nel processo di ricezione dei rumori emessi dai bersagli esaminiamo le diverse soluzioni ottenibili partendo dalla figura 6:

Consideriamo la base acustica formata da 2 soli [5] idrofoni, la figura precedente assumerà il il nuovo profilo di figura 7 nel quale si evidenzia in rosso un semicerchio a rappresentare che il settore di mare che viene ascoltato in eguale modo interessa tutti 180° prospicienti alla base acustica.

Ciò significa che il rumore del bersaglio è ricevuto al massimo livello ma anche il rumore del mare viene captato sui 180° al massimo livello; questa condizione penalizza di fatto la ricezione del rumore emesso dal bersaglio che viene coperto dal rumore del mare

figura 7 Curva di direttività base acustica con solo 2 idrofoni (andamento indicativo)

In virtù del miglioramento della caratteristica di direttività della base acustica con l'incremento del numero degli idrofoni vediamo quale vantaggio si ha portando questi da 2 a 4 come riportato in figura 8:

figura 8 Curva di direttività base acustica con 4 idrofoni (andamento indicativo)

La figura mostra che l'ampiezza della curva rossa si riduce nei settori distanti dalla direzione del bersaglio e il rumore del mare ,in tali settori, è meno sentito. L'arco rosso si chiude sensibilmente agli estremi del grafico; questo a vantaggio del rapporto tra il segnale emesso dal bersaglio e il rumore del mare.

Proseguendo con l'incremento del numero degli idrofoni si computa la direttività per 8 sensori ottenendo il grafico di figura 9 che mostra una sensibile riduzione d'ampiezza del tracciato rosso nei settori distanti dal segnale (segmento giallo):

figura 9 Curva di direttività base acustica con 8 idrofoni (andamento indicativo)

Incrementando ulteriormente il numero degli idrofoni, da 8 a 16 e da 16 a 32 si osserva una progressiva riduzione dell'ampiezza dell'arco rosso comprendente la direzione del bersaglio, secondo le due figure successive, 10; 11, con conseguente abbattimento del rumore del mare in costanza d'ampiezza del segnale del bersaglio sotteso sempre al valore massimo dell'arco rosso.

figura 10 Curva di direttività base acustica con 16 idrofoni (andamento indicativo)
figura 11 Curva di direttività base acustica con 32 idrofoni (andamento indicativo)

L'operazione eseguita non cancella completamente il rumore del mare visto che la riga gialla del segnale è contornata sempre, nell'ambito del tracciato rosso, dal rumore del mare anche se di modesta intensità.

Nelle ultime due figure si evidenziano, alla base dei diagrammi rossi, dei piccoli lobi della direttività detti "lobi secondari", questi incrementano di poco il rumore del mare ma, in alcuni casi particolari, possono generare ambiguità nella determinazione della direzione del bersaglio.

E' importante osservare che i diagrammi rossi, che definiscono la direttività della base, sono tracciati nel piano orizzontale. I grafici rappresentano di fatto una sezione, in tale piano, del solido di figura 12 che mostra la direttività in tutto lo spazio subacqueo:

figura 12 Lobo di direttività in 3D

Note[modifica]

  1. Il diametro dei sensori non è in scala con le dimensioni del sottomarino, se lo fosse apparirebbero dei punti.
  2. Le dimensioni di questo manufatto sono: Lunghezza 80 cm circa, diametro 5 cm circa
  3. La lunghezza totale della base, per sottomarini classe Sauro, era di 16 m circa.
  4. Porzione di base acustica messa in vista dopo la rimozione di una sezione del falso scafo.
  5. Le figure riportate nel testo sono realizzate tramite un file.exe che consente la variazione del numero degli idrofoni e la fase successiva del calcolo indicativo delle curve di direttività

Bibliografia[modifica]

  • G. Pazienza, Fondamenti della localizzazione sottomarina, La Spezia, Studio grafico Restani, 1970.
  • A. De Dominics Rotondi, Principi di elettroacustica subacquea , Elettronica San Giorgio-Elsag S.p.A. Genova, 1990.
  • J.W. Horton, Foundamentals of Sonar, United States Naval Institute,Annapolis Maryland, 1959
  • R. J. Urick, Principles of underwater sound, 3ª ed., Mc Graw – Hill, 1968.