Riverberazione del fondo del mare

La riverberazione in mare^[1] è un fenomeno che accompagna le emissioni acustiche del sonar generate per l'illuminazione impulsiva dei bersagli^{[N 1]}.

La riverberazione è caratterizzata da tre tipi particolari:

- di volume.^{[N 2]}

- di superficie^{[N 3]}

- di fondo^{[N 4]}

che si manifestano sia isolatamente che contemporaneamente in dipendenza delle caratteristiche dell'ambiente subacqueo.

La riverberazione, in alcuni casi, può ostacolare la scoperta sonar in modalità attiva in quanto può coprire l'eco dei bersagli.

La riverberazione del fondo del mare ha caratteristiche simili alla riverberazione di superficie, si diversifica da questa per il coefficiente di riflessione che viene computato con parametri diversi.

Riverberazione del fondo

Lo svilupparsi del fenomeno

Riverberazione di fondo ed eco del bersaglio causati dall'impulso del sonar: La riverberazione di fondo precede l'eco essendo Ro > R

La riverberazione del fondo del mare^[2], che si manifesta in alcuni casi, è oggetto di valutazioni quantitative dipendenti da una ampia fascia di variabili; il fenomeno si genera per la riflessione di una piccola porzione d'energia emessa dal sonar.

Lo sviluppo della riverberazione del fondo, tracciato in figura^{[N 5]}, si descrive in tre fasi:

-emissione dell'impulso sonar

-dopo un ritardo temporale (rt) dall'emissione dell'impulso sonar si ha la comparsa di energia acustica riverberata dal fondo del mare, energia indicata con la sigla (RLb)^{[N 6]}^{[N 7]}.

-comparsa dell'eco del bersaglio sulla riverberazione di fondo.

Geometria del campo operativo

La descrizione del fenomeno relativo alla riverberazione di fondo necessita di una geometria che indichi nell'ordine:

-posizione del sottomarino dove vengono generati gli impulsi sonar (smg1)

-posizione del sottomarino bersaglio (smg2)

-zona di fondo riverberante ( zr )

-Ro: la distanza dal tra smg1 e bersaglio

-H: quota di smg1

- $\theta$ : angolo di radenza

-R : distanza tra smg1 e fondo riverberante

Formula di calcolo per RLb

Il calcolo dell'andamento della funzione RLb, espressa in $dB/\mu Pa,$ si esegue applicando la formula:

$RLb=SL-40\ Log\ R+Sb+10\ Log\ A$ ^[3] $\ \ \ \ 1)$

per $A=(c\ t\ R/2)\ \psi$ che rappresentante la superficie del fondo del mare che reagisce all'impulso, il suo logaritmo $10\ Log\ A$ si scrive:

$10\ Log\ A=10\ Log\ (c\ t\ R/2)+10\ Log\ \psi \ \ \$ 2)

Variabili in gioco

Variabili e loro significato:

-RLb - esprime il livello del rumore di riverberazione di fondo che colpisce la base del sonar, questa variabile acustica, espressa in $dB/\mu Pa$ , è frutto di una computazione

-SL - indica il livello di pressione acustica generato durante l'emissione dell'impulso da parte del sonar; caratteristica dell'apparato espressa in $dB/\mu Pa/\ 1\ m$

-R - è la variabile indipendente che indica la lunghezza del percorso dei raggi acustici in mare; la distanza tra il sonar e la superficie riverberante del fondo espressa in metri.

- $\alpha$ - è il coefficiente d'assorbimento dell'acqua espresso in $dB\ /km$

-Sb - è il coefficiente del riverbero di fondo espresso in $dB$ , questo valore dipendente da fattori ambientali marini, è il più significativo da mettere a calcolo per la determinazione di RLb; numerosissime serie di valori di Sb sono state rilevati sul campo mediante impegnative campagne di misura nelle più diverse condizioni, così come riportato nel testo di Uric^[4]

-c - velocità media del suono in acqua, circa $1530\ m/s$ .

-t - durata dell'impulso di emissione del sonar espressa in secondi

- $\theta$ - angolo di radenza tra la direzione del suono e il fondo del mare, in gradi sessagesimali

- $\psi$ - angolo in radianti che, in virtù della larghezza del trasduttore di emissione del sonar, sottende la superficie del fondo del mare sollecitata dall'energia acustica.

Per l'angolo in oggetto sono disponibili alcune tabelle nelle quali, in dipendenza della forma del trasduttore di emissione, è possibile, con alcune approssimazioni, identificare l'espressione relativa alla forma del trasduttore più vicina a quella del sonar in esame

- $A$ - superficie del fondo che reagisce all'impulso d'emissione.

Determinazione di Sb e psi

Andamento di Sb in funzione dell'angolo di radenza: per fondo ghiaioso alla frequenza di 2500 Hz

La valutazione numerica^{[N 8]}del fenomeno si basa su una serie di valori di Sb e di $\psi$ esposti nel testo di Urick in bibliografia^[5]:

-Per Sb il testo mostra alcuni diagrammi relativi a rilievi effettuati in numerose campagne di misura a diverse frequenze di emissione^[6], in figura un grafico di Sb rilevato a 2500 Hz.

-Per $\psi$ è data una tabella che ne riporta le formule per alcune forme geometriche del trasduttore è consultabile su^[7], adatta allo scopo la funzione:

$10\ Log\ \psi =10\ Log\ [\lambda /(2\ \pi \ l)]+9.2$

Esempio di calcolo

Un esempio per lo sviluppo della funzione $RLb$ indicata nella 1)

1ª Esposizione dati generali finalizzati all'esempio

-Frequenza d'emissione: $f=2500\ Hz$

- $\lambda =0.61\ :\ c=1530\ m/s$

-Trasduttore cilindrico di emissione/ricezione $d=1\ m$

-Livello di emissione del sonar $SL=220\ dB/\mu Pa/1\ m$

-Durata dell'impulso di emissione: $t=0.01\ s$

-Variabilità della distanza di calcolo: da $R=\ 1\ m\ a\ R=1000\ m$

- $\theta =15$ °

-Valore del coefficiente di riverbero $Sb=-20\ dB$ per $\theta =15$ ° secondo la curva della sottosezione precedente.

2° Determinazione di 10 Log ( psi )

Per la variabile $10\ Log\ \psi$ della 2) consideriamo il solo diametro d del trasduttore cilindrico di emissione/ricezione potendolo assimilare, ragionevolmente, ad un trasduttore equivalente di tipo rettilineo di lunghezza $l=d=1\ m$ .

In base a questo dato, dalla tabella sopra richiamata che riporta la funzione

$10\ Log\ \psi =10\ Log\ [\lambda /(2\ \pi \ l)]+9.2$

,possiamo assumere che per un trasduttore rettilineo valga: $10\ log\ \psi =-1\ dB$

Calcolo e grafico della funzione RLb

Andamento di RLb in funzione della distanza R dal fondo ghiaioso alla frequenza di 2500 Hz

Secondo la 1) e la 2) si ha:

$RLb=SL-40\ Log\ R+Sb+10\ Log\ A$

$220-40\ Log\ R-20+10\ Log\ (7.65\cdot R)-1\ dB$

il cui grafico funzione di R è riportato in figura.

Riverberazione e ricezione dell'eco

Relazioni temporali tra eco e riverberazione

L'eco precede la riverberazione essendo Ro < R}: (le posizioni temporali sono diverse rispetto all'esercizio)

Per avere un'idea dell'effetto della riverberazione di fondo sulla ricezione dell'eco si può sviluppare un esercizio:

anzitutto è necessario supporre che la riverberazione di volume sia assente e che, ad esempio, lo scenario operativo possa essere simile a quello mostrato nella figura della seconda sottosezione ma con Ro < R con i dati:

-smg1 identifica il battello che emette l'impulso acustico per la scoperta

-smg2 identifica il battello bersaglio

- $TS$ : forza del bersaglio: $TS=10\ dB$

- $\alpha$ : coefficiente d'assorbimento in mare a 2500 Hz $\alpha =0.2/dB/km$

- $Ro$ : distanza tra smg1 e il bersaglio; $Ro=700\ m$

- $H$ : distanza dal fondo di smg1 $H=248\ m$

- $\theta =15$ ° identifica l'angolo di radenza

- $R$ indica la distanza di smg1 dalla superficie riverberante del fondo: $R=H/\operatorname {sen} \ \theta =248/\operatorname {sen} \ 15^{\circ }=958\ m$

- $RLs\ per\ 958\ m$ si legge dalla figura della sottosezione precedente; per $RLs=118\ dB/\mu Pa$

- $tr$ : tempo che intercorre tra l'emissione dell'impulso e l'inizio della ricezione della riverberazione dal fondo $tr=2\ R/=1.25\ s$ .

- $te$ : tempo che intercorre tra l'emissione dell'impulso e la ricezione dell'eco del bersaglio $te=2\ Ro/c=0.91\ s$

- $EL$ : livello dell'eco: $EL=SL+TS-40\ Log(Ro)-(2\ \alpha Ro/1000)=116\ dB/\mu \ Pa$ ^{[N 9]}

Nella figura in alto si mostrano, in via del tutto indicativa, gli eventi temporali calcolati.

Essendo Ro < R la figura in alto mostra che l'eco del bersaglio viene ricevuto dal sonar al tempo $te=0.91\ s$ mentre la riverberazione viene ricevuta dal sonar al tempo $tr=1.25\ s$ la persistenza di questa dura fino all' esaurimento dell'energia; in queste condizioni il rumore della riverberazione non penalizza l'eco del bersaglio.

La copia di un rilievo oscilloscopio del fenomeno è mostrata nella figura in basso dove i tempi sono diversi da quelli calcolati nell'esercizio.

Note

Annotazioni

↑ Modalità di scoperta sonar attiva.
↑ Il volume d'acqua immediatamente prospiciente al trasduttore d'emissione del sonar
↑ Quella zona d'acqua illuminata dai raggi acustici del sonar che piegano verso l'alto
↑ Quella zona d'acqua illuminata dai raggi acustici del sonar che piegano verso il basso
↑ In figura non compaiono, per chiarezza nella descrizione del fenomeno, le altre due forme di riverberazione che sono in realtà presenti in mare.
↑ Il simbolo RLb in lingua Inglese sta per Reveberation Level bottom
↑ L'ampiezza di RLb dipende, tra altre variabili, dalla distanza tra il sonar che emette l'impulso e la zona riverberante del fondo
↑ Le computazioni sono sempre a carattere indicativo.
↑ Equazione che discende dall'impostazione del sistema trascendente per il computo della portata del sonar attivo

Fonti

↑ Del Turco, pp. 221-227.
↑ Horton, pp. 335-395.
↑ Urick 245
↑ Urick, p. 273.
↑ Urick, p. 243; p. 256.
↑ Urick, p. 273.
↑ Urick, p. 243.

Bibliografia

Urick, Principles of underwater sound, Mc Graw – hill, 3ª ed. 1968.

J.W. Horton, Foundamentals of Sonar, United States Naval Institute, Annapolis Maryland, 1959.

C. Del Turco, Sonar- Principi - Tecnologie – Applicazioni, Tip. Moderna La Spezia 1992.

Collegamenti esterni

N° FASCI Selenia

Sonar FALCON

Schemi sonar FALCON

Testo discorsivo sul sonar

Testo tecnico sulla Correlazione

[2] Modalità di scoperta sonar attiva.

[3] Il volume d'acqua immediatamente prospiciente al trasduttore d'emissione del sonar

[4] Quella zona d'acqua illuminata dai raggi acustici del sonar che piegano verso l'alto

[5] Quella zona d'acqua illuminata dai raggi acustici del sonar che piegano verso il basso

[7] In figura non compaiono, per chiarezza nella descrizione del fenomeno, le altre due forme di riverberazione che sono in realtà presenti in mare.

[8] Il simbolo RLb in lingua Inglese sta per Reveberation Level bottom

[9] L'ampiezza di RLb dipende, tra altre variabili, dalla distanza tra il sonar che emette l'impulso e la zona riverberante del fondo

[12] Le computazioni sono sempre a carattere indicativo.

[16] Equazione che discende dall'impostazione del sistema trascendente per il computo della portata del sonar attivo

[1] Del Turco, pp. 221-227.

[6] Horton, pp. 335-395.

[10] Urick 245

[11] Urick, p. 273.

[13] Urick, p. 243; p. 256.

[14] Urick, p. 273.

[15] Urick, p. 243.

[1]

[N 1]

[N 2]

[N 3]

[N 4]

[2]

[N 5]

[N 6]

[N 7]

[3]

[4]

[N 8]

[5]

[6]

[7]

[N 9]