Livello indice del sonar

Trasduttore d'emissione impulsiva del sottomarino classe Sauro

È nominato livello indice del sonar^[1] $(LI)$ il valore della pressione acustica generata dal trasduttore di emissione impulsiva alla distanza di $1\ m$ dal generatore stesso.

La grandezza $LI$ ^[2] è espressa in forma logaritmica come:

$LI=x\ dB/\mu Pa/1\ m$ ^{[N 1]}

La misura di $LI$ è l'atto conclusivo del progetto di un sonar attivo per la verifica dei corretto dimensionamento del trasmettitore e della base acustica ad esso collegata.

Altresì è l'operazione di controllo periodico della struttura elettro meccanica in mare che ha il compito di assicurare che nessun guasto sia sopravvenuto per non alterare dovute prestazioni di scoperta del sonar.

Valutazione e misura di LI

Esempio di valutazione

Nell'ipotesi che nel dimensionamento di un trasmettitore impulsivo del sonar risulti disponibile una potenza elettrica di $Pe=10000\ We$ ^{[N 2]}

Ipotizzando nel $50\%$ il rendimento elettroacustico della base di trasmissione la potenza acustica generata sarà: $Pa=5000\ Wa$ .^{[N 3]}

Se dalle dimensioni della base acustica si può contare indicativamente su di un guadagno di direttività ^[3]di $DI=23\ dB$ il valore di $LI$ in acqua si calcola con l'espressione:

$LI=10\cdot \log _{10}{Pa}+DI+172\ dB=10\cdot \log _{10}{5000}+23\ dB+172\ dB=232\ dB/\mu Pa/1\ m$ .^[4] ^{[N 4]}

La verifica sperimentale di questi valori è affidata alla misura di $LI$ in mare.

Esempio di misura

Il campo per la misura in mare di LI

Le misure in mare ^[5]^[6] del livello indice, da eseguirsi in regime di trasmissione ad impulsi, intese alla verifica del valore $LI$ di targa del sonar, devono essere condotte in mare aperto e in zona di certa divergenza sferica; la distanza che separa il trasduttore di emissione dall'idrofono ricevente deve essere almeno $10$ volte la dimensione massima del primo; generalmente per sicurezza operativa tra i due mezzi si pone $d\approx 100\ m$

Commento del campo di misura:

-Si tratta di installazione di misura impostata su battello appoggio dotato di stazione di misura e idrofono campione

-Il diametro del trasduttore d'emissione sul sottomarino è di $\approx 0.8\ m$ ^{[N 5]}^{[N 6]}

-L'idrofono campione ^[7] delegato alla ricezione dell'impulso di trasmissione è filato in mare alla quota del sottomarino e ha la sensibilità di: $Sidr=(-200\ dB/Volt/\mu Pa)\pm 0.5\ dB$

-Lo strumento di misura nella stazione deve essere di tipo oscilloscopico ^{[N 7]}

-Le misure del livello degli impulsi ricevuti dal trasduttore devono essere ripetute decine di volte mediandone i valori in modo da ridurre le inevitabili variazioni dovute al movimento della stazione di misura e ad eventuali riflessioni.^{[N 8]}

Previsioni livelli degli impulsi ricevuti

Si computano i livelli degli impulsi ricevuti dall'idrofono di misura ipotizzando assolute certezze e precisioni sulle variabili in gioco.

L'attenuazione dovuta al transito degli impulsi nel percorso $d$ sarà computata per la sola divergenza sferica trascurando l'attenuazione per assorbimento dato il modesto valore di $d$ .

- Il livello indice $LI$ sia quello calcolato in precedenza: $LI=232\ dB/\mu Pa/1\ m$

- L'attenuazione per divergenza nel percorso $d=100\ m:$

$Att=20\cdot \log _{10}{100}=40\ dB$

-Il calcolo della pressione acustica $Ls$ degli impulsi incidenti sull'idrofono di misura:

$Ls=LI-Att=232\ dB/\mu Pa/1\ m-40\ dB=192\ dB/\mu Pa$

-La tensione efficace ai capi dell'idrofono:

$Vui=Ls+Sidr\ dB/Volt/\mu Pa=192\ dB/\mu Pa-200\ dB/Volt/\mu Pa=-8\ dB/1/Volt$ = $0.4\ Veff.$ pari a $1.1\ Vpp\ \ \$ misurabili sull'oscilloscopio.

Valutazione del livello indice con misure in mare

In figura 1 l'impulso ideale, in figura 2 l'impulso reale

Il valore finale di $LI$ a seguito del rilievo oscilloscopico degli impulsi ricevuti dall'idrofono di misura è dipendente dalle condizioni di misura: in nella figura in alto l'aspetto di un impulso ideale in assenza di rumore ambiente, in basso l'impulso in condizioni reali durante le misure:

-Supponiamo che con l'oscilloscopio ^{[N 9]} si misuri un impulso d'ampiezza $1\ Vpp$

-Si trasformi il valore della tensione picco-picco in $Veff.$ : $Vui=1\ Vpp/2.81=0.35\ Veff.=-9\ dB/Veff$

-Si trasformi $Vui$ nella pressione incidente sull'idrofono:

$Ls=Vui+200\ dB/Volt/\mu Pa=-9\ dB/Veff+200\ dB/Volt/\mu Pa=191\ dB/\mu Pa$

-Per computare infine il valore di $LI$ il livello di pressione calcolato deve essere incrementato dell'attenuazione dovuta al percorso $d$ , quindi:

$LI=Ls+Att=191\ dB/\mu Pa+40\ dB=231\ dB/\mu Pa/1\ m$

Il valore di $LI$ a seguito misure è di poco inferiore a quello in progetto di $-1\ dB$ ; la differenza è giustificabile con le inevitabili incertezza delle misure in mare.

In sintesi la formula di calcolo:

$LI=20\cdot \log _{10}{Vui/2.81}+Sidr+20\cdot \log _{10}{d}$

dove:

$Vui\ =\ \$ tensione in $Volt.pp$ misurata sull'idrofono campione

$Sidr\ =\ \$ sensibilità idrofono campione $dB/Volt/\mu Pa$

$d\ =\ \$ distanza in $m$ tra centro trasduttore e idrofono campione

note

Annotazioni

↑ dB = Pressione acustica in micro Pascal
↑ We = Watt elettrici.
↑ Wa = Watt acustici.
↑ L'addendo di $172\ dB$ rappresenta il coefficiente di conversione tra $Wa\ e\ \mu Pa$
↑ Le dimensioni indicate sono relative al trasduttore d'emissione montato sui sottomarini classe Sauro
↑ Il trasduttore è montato a prua del sottomarino.
↑ Indispensabile per la misura degli impulsi emessi dal sonar in fase di controllo
↑ Per evitare in parte le riflessioni dell'ambiente, alcune volte, si utilizza un sistema elettronico a soglia che consente il passaggio dell'impulso soltanto al tempo necessario per coprire la distanza $d$
↑ Dato l'aspetto degli impulsi ricevuti le misure sono difficoltose e devono essere ripetute per mediarne i valori.

Fonti

↑ Del Turco, pp.139 - 141.
↑ Pazienza, pp.551 - 553.
↑ Pazienza, pp. 129 - 132.
↑ Raythehon, regolo di calcolo.
↑ Del Turco, pp. 48 - 51.
↑ Pazienza, pp. 297 - 305.
↑ Del Turco, pp.38 - 44.

Bibliografia

G. Pazienza, Fondamenti della localizzazione marina, Studio grafico Restani, 1970.

C. Del Turco, Sonar- Principi - Tecnologie – Applicazioni, Tip. Moderna La Spezia, 1992. (Testo disponibile in collegamenti interni)

Raytehon, Sonar Performance Calculator Submarine Signal Division, Portsmouth

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Collegamenti interni

Testo in PDF da scaricare liberamente

[3] B = Pressione acustica in micro Pascal

[4] We = Watt elettrici.

[5] Wa = Watt acustici.

[8] L'addendo di $172\ dB$ rappresenta il coefficiente di conversione tra $Wa\ e\ \mu Pa$

[11] Le dimensioni indicate sono relative al trasduttore d'emissione montato sui sottomarini classe Sauro

[12] Il trasduttore è montato a prua del sottomarino.

[14] Indispensabile per la misura degli impulsi emessi dal sonar in fase di controllo

[15] Per evitare in parte le riflessioni dell'ambiente, alcune volte, si utilizza un sistema elettronico a soglia che consente il passaggio dell'impulso soltanto al tempo necessario per coprire la distanza $d$

[16] Dato l'aspetto degli impulsi ricevuti le misure sono difficoltose e devono essere ripetute per mediarne i valori.

[1] Del Turco, pp.139 - 141.

[2] Pazienza, pp.551 - 553.

[6] Pazienza, pp. 129 - 132.

[7] Raythehon, regolo di calcolo.

[9] Del Turco, pp. 48 - 51.

[10] Pazienza, pp. 297 - 305.

[13] Del Turco, pp.38 - 44.

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