Propagazione del suono in mare

La propagazione del suono in mare è governata dalle leggi relative al transito dei segnali acustici nell'ambiente subacqueo.

Durante la fase di propagazione del suono in mare la pressione acustica subisce diverse forme di attenuazione essendo influenzata, contemporaneamente, da quattro fenomeni fisici:

• Divergenza sferica
• Divergenza sferico-cilindrica
• Assorbimento
• Anomalie del mezzo

Il primo fenomeno è relativo all'espandersi del suono generato da una sorgente acustica secondo le superfici di una sfera. In tali condizioni la pressione acustica si riduce secondo il quadrato della distanza dalla sorgente. Questo tipo di propagazione è indipendente dalla frequenza emessa dal generatore.

Il secondo fenomeno avviene, oltre che per onde sferiche, anche per onde cilindriche quando, in acque poco profonde, le onde subiscono l’effetto riflettente del fondo e della superficie del mare. In tal caso si ha una combinazione dei due modi di propagazione, nel primo tratto del percorso dalla sorgente, per circa 1000 metri, si verifica lo spostamento dell’energia acustica secondo onde sferiche, dopo si stabilisce, per effetto delle riflessioni il modo cilindrico; da 1000 metri in poi la pressione del suono si riduce linearmente secondo la distanza dalla sorgente. Questo tipo di propagazione è indipendente dalla frequenza emessa dal generatore.

Il terzo fenomeno è determinato dall'attenuazione del suono in mare a causa dell'attrito delle onde acustiche nel mezzo di trasmissione, è dipendente dalla frequenza dalla sorgente.

Il quarto fenomeno, anomalie nel mezzo, è causato dalle differenze di temperatura del mare al variare della profondità, è indipendente dalla frequenza della soegente.

Attenuazione per divergenza sferica

L'attenuazione del suono per divergenza sferica, distinta con la sigla TL (Target Loss), segue l'andamento della funzione:

$TL=60+20\cdot \log _{10}{R}$

Dove:

$TL$ in $dB$

$R$ in $km$

Il grafico della funzione è illustrato in figura 1:

figura 1 TL funzione di $R$

Caratteristica la coppia:

ascissa $R=1\ km$

ordinata $TL=60\ dB$

ottenuta per $log_{10}{R}=0$

Attenuazione per divergenza sferico cilindrica

L'attenuazione del suono per divergenza sferico cilindrica segue l'andamento della funzione :

$TL=60+10\cdot \log _{10}{R}$

Dove:

$TL$ in $dB$

$R$ in $km$

il cui grafico è riportato in figura 2:

figura 2 TL funzione di $R$

Il grafico della funzione è valido per distanze superiori a 1000 m.

Attenuazione per assorbimento

L'attenuazione per assorbimento, vedi figura 3, segue la legge di Thorp:

$\alpha =\left[{\frac {0.1\cdot f^{2}}{1+f^{2}}}\right]+\left[{\frac {40\cdot f^{2}}{4100+f^{2}}}\right]+\left[{\frac {2.75\cdot f^{2}}{10^{4}}}\right]$

figura 3 $\alpha /km$ funzione di $f$

dove:

$\alpha$ in dB/km

$f$ in kHz

Attenuazione per anomalia termica

I raggi sonori che si propagano in mare sono suscettibili di deformazioni del loro percorso quando nelle zone di mare interessate la temperatura dell'acqua varia in dipendenza della profondità .

Il fenomeno si manifesta per quella parte dei raggi acustici emessi dalla sorgente la cui inclinazione raggiunge un particolare valore indicato come angolo limite; per angoli inferiori o superiori a detto angolo il percorso dei raggi è normale.

Questa anomalia provoca attenuazioni abnormi della pressione acustica sì da creare delle zone d'ombra dove il segnale acustico non può arrivare, si veda figura 4:

figura 4 Tracciato propagazione anomala

Il grafico mostra uno dei possibili casi di propagazione anomala:

Il profilo della variazione della temperatura dell'acqua, a tratto rosso , è costante per il primo intervallo di quota e variabile nel secondo tratto.

Un raggio acustico, a tratto blu, che si propaga normalmente in corrispondenza della costanza della temperatura, piega verso il basso dall'inizio dell'intervallo dove la temperatura inizia a decrescere.

Nella zona d'ombra, in grigio, che si genera per la deformazione del percorso del raggio acustico, la pressione emessa dalla sorgente è praticamente nulla.

Il calcolo delle traiettorie dei raggi acustici un mare è uno dei più complessi relativi alle problematiche di acustica subacquea, i primi studi risalgono all'epoca della seconda guerra mondiale, studi eseguiti con pesantissimi calcoli di tipo manuale, oggi sono disponibili software in grado di calcolare e tracciare i percorsi dei raggi acustici una volta inserita la variabile indipendente relativa alla legge di variabilità della temperatura in acqua.

Bibliografia

• J.W. Horton, Foundamentals of Sonar, United States Naval Institute, Annapolis Maryland, 1959
• Aldo De Dominics Rotondi, Principi di elettroacustica subacquea , Elettronica San Giorgio-Elsag S.p.A. Genova, 1990.