Misura del livello indice di un trasmettitore sonar

E' nominato livello indice $LI$ il valore della pressione acustica generata da un trasduttore alla distanza di $1\ m$ dal generatore stesso.

La grandezza $LI$ è espressa in forma logaritmica come:

$LI=x\ dB/\mu Pa/1\ m$

La misura di $LI$ è l'atto conclusivo del progetto di un sonar attivo per la veifica 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 sopravenuto per non alterare dovute prestazioni di scoperta del sonar.

Ipotesi di progetto della parte attiva del sonar

Prima di affrontare le problematiche connesse alla misura in mare di $LI$ è utile l'impostazione di progetto dell'insieme trasmettitore-base acustica per disporre dei dati teorici da verificare in mare durante le misure.

Supponiamo ora che nel dimensionamento del trasmettitore impulsivo del sonar risulti disponibile una potenza elettrica di $Pe=10000\ We$; si debba stabilire quale valore di $LI$ sarà emesso in acqua.

Ipotizzando nel $50\%$ il rendimento elettroacustico della base di trasmissione la potenza acustica generata sarà: $Pa=5000\ Wa$.

Se dalle dimensioni della base acustica si può contare, ad esempio, su di un guadagno di direttività di $DI=23\ dB$. il valore di $LI$ in acqua si calcola con l'espressione :

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

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

Il campo per la misura in mare di LI

figura 01

Le misure in mare del livello indice, da eseguirsi in regime di trasmissione ad impulsi, intese alla verifica del del valore $LI$ di targa del sonar, devono essere condotte in mare aperto e in zona di certa divergenza sferica; la distanza $d$ che separa il trasduttore di emissione dall'idrofono ricevente deve essere almeno $10$ volte la dimensione massima del primo come mostra la figura 01.

Commentiamo la figura :

• si tratta di installazione di misura impostata sulla stessa nave il cui $LI$ deve essere controllato
• il diametro del trasduttore d'emissione è $dtr\approx 0.8\ m$
• l'idrofono delegato alla ricezione dell'impulso di trasmissione, disposto a proravia, ha la seguente

sensibilità: $Sidr=(-200\ dB/Volt/\mu Pa)\pm 0.5\ dB$ ( idrofono campione calibrato )

• lo strumento di misura deve essere di tipo oscilloscopico
• la distanza $d$ può essere fissata in $30\ m$ ; ($d>>10\cdot dtr$)
• il percorso per il calcolo dell'attenuazione per divergenza sferica inizia da $1\ m$ dal centro del trasduttore $d'=d-1=29\ m$

Le misure del livello degli impulsi ricevuti dal trasduttore devono essere ripetute decine di volte mediandone i valori in modo da ridurre le inevitabili fluttuazioni dovute al movimento della nave e ad eventuali riflessioni.

Sull'entità dei livelli dell'impulso ricevuto

Da un punto di vista strettamente dimostrativo computiamo il 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 $d'$.

• 1a- Il livello indice $LI$ sia quello calcolato in precedenza

$LI=232\ dB/\mu Pa/1\ m$

• 2a-Calcoliamo l'attenuazione per divergenza nel percorso $d'=29\ m:$

$Att=20\cdot \log _{10}{29}=29\ dB$

• 3a-Calcoliamo la pressione degli impulsi incidenti sull'idrofono di misura:

$Ls=LI-Att=232\ dB/\mu Pa/1\ m-29\ dB=203\ dB/\mu Pa$

• 4a-Calcoliamo la tensione efficace ai capi dell'idrofono:

$Vui=Ls-Sidr\ dB/Volt/\mu Pa=203\ dB/\mu Pa-200\ dB/Volt/\mu Pa=3\ dB/1/Volt$

Per misure su oscilloscopio $Vui=1.4\ mVeff.$ pari a $3.9\ Vpp\ \ \$.

Sul calcolo del livello indice (procedura per la misura in mare di LI)

figure 1 e 2

Sempre in via dimostrativa vediamo ora come valutare il valore finale di $LI$ a seguito del rilievo oscilloscopico degli impulsi ricevuti dall'idrofono di misura; in figura 1 l'aspetto di un impulso ideale in assenza di rumore ambiente, in figura 2 l'impulso in condizioni reali durante le misure:

• 1b-Supponiamo che con l'oscilloscopio si misuri un impulso d'ampiezza $3.9\ Vpp$ (punto 4a della sezione precedente)

• 2b-Si trasformi il valore della tensione picco-picco in $Veff.$:

$Vui=3.9\ Vpp/2.81=1.4\ Veff.=+3\ dB/Veff$

• 3b-Si trasformi $Vui$ nella pressione incidente sull'idrofono:

$Ls=Vui+200\ dB/Volt/\mu Pa=3\ dB/Veff+200\ dB/Volt/\mu Pa=203\ dB/\mu Pa$

• 4b-Per computare infine il valore di $LI$ il livello di pressione calcolato in 3b deve essere

incrementato dell'attenuazione dovuta al percorso $d'$, quindi :

$LI=Ls+Att=203\ dB/\mu Pa+29\ dB=232\ dB/\mu Pa/1\ m$

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

Bibliografia

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

• Raytehon, Sonar Performance Calculator Submarine Signal Division, Portsmouth

·