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C. Del Turco

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  1. La portata di scoperta di un sonar indica in generale la probabile distanza alla quale un sonar può scoprire un bersaglio. La portata di scoperta non è un dato certo ma una previsione a carattere probabilistico. Il calcolo della portata massima per propagazione sferica per la componente attiva si ottiene dalla soluzione del seguente sistema di equazioni in R: Nel caso di propagazione di tipo sferico-cilindrica, si utilizza un sistema di equazioni analogo, che differisce solo nella prima equazione per il coefficiente della funzione logaritmica che passa dal valore 40 al valore 20: In entrambi i casi, nella prima equazione: *TL = attenuazione, espressa in decibel, dipendente da: -R = distanza espressa in km - alfa = coefficiente d'assorbimento del suono in mare dB/km e nella seconda equazione: *TL = attenuazione massima consentita, espressa in decibel, dipendente da: -LI = livello acustico degli impulsi emessi in dB/ micro Pa / 1m. -NL = rumore "spettrale" del mare in dB/ micro Pa/ Hz. -DI = guadagno di direttività della base idrofonica ricevente in dB. -TS = forza del bersaglio in dB -DT = soglia di rivelazione in correlazione in dB a sua volta dipendente da: *d = parametro probabilistico *BW= banda del ricevitore *t_o = durata dell'impulso d'emissione Metodi di calcolo della portata di scoperta per la componente attiva Esistono due metodologie fondamentali di calcolo: # grafica, usata nel 1960 per lo studio dei sonar IP60/64 per i sottomarini della Classe Toti # numerica, risoluzione del sistema trascendente tramite computer Esempio di calcolo con il metodo grafico Significativa la soluzione grafica, per propagazione sferica, del sistema trascendente con le variabili: LI = 231 dB NL = 45 dB / Hz DI = 24.5 dB TS = 15 dB DT = 25 dB alpha = 0.7 dB/km Con questi valori si ottiene il grafico di figura 1: fig. 1 in cui: *la curva blu rappresenta la prima equazione del sistema *la retta rossa rappresenta la seconda equazione del sistema *l'ascissa del loro punto d'intersezione indica la portata calcolata, nell'esempio: R = 17.5 km
  2. La portata di scoperta di un sonar indica in generale la probabile distanza alla quale un sonar può scoprire un bersaglio. La portata di scoperta non è un dato certo ma una previsione a carattere probabilistico. Il calcolo della portata massima per propagazione sferica per la componente attiva si ottiene dalla soluzione del seguente sistema di equazioni in R: Nel caso di propagazione di tipo sferico-cilindrica, si utilizza un sistema di equazioni analogo, che differisce solo nella prima equazione per il coefficiente della funzione logaritmica che passa dal valore 40 al valore 20: In entrambi i casi, nella prima equazione: *TL = attenuazione, espressa in decibel, dipendente da: *R = distanza espressa in km * alfa = coefficiente d'assorbimento del suono in mare dB/km e nella seconda equazione: TL = attenuazione massima consentita, espressa in decibel, dipendente da: *LI = livello acustico degli impulsi emessi in dB/ micro Pa / 1m. *NL = rumore "spettrale" del mare in dB/ micro Pa/ Hz. *DI = guadagno di direttività della base idrofonica ricevente in dB. *TS = forza del bersaglio in dB *DT = soglia di rivelazione in correlazione in dB a sua volta dipendente da: -d = parametro probabilistico -BW= banda del ricevitore -t_o = durata dell'impulso d'emissione Metodi di calcolo della portata di scoperta per la componente attiva Esistono due metodologie fondamentali di calcolo: # grafica, usata nel 1960 per lo studio dei sonar IP60/64 per i sottomarini della Classe Toti # numerica, risoluzione del sistema trascendente tramite computer Esempio di calcolo con il metodo grafico Significativa la soluzione grafica, per propagazione sferica, del sistema trascendente con le variabili: *LI = 231 dB *NL = 45 dB / Hz *DI = 24.5 dB *TS = 15 dB *DT = 25 dB * alpha = 0.7 dB/km Con questi valori si ottiene il grafico di figura 1: in cui: *la curva blu rappresenta la prima equazione del sistema *la retta rossa rappresenta la seconda equazione del sistema *l'ascissa del loro punto d'intersezione indica la portata calcolata, nell'esempio: R = 17.5 km
  3. I fasci preformati per il sonar, sorta di direttività artificiale, consentono al localizzatore subacqueo la scoperta simultanea dei bersagli che si trovino in tutto l'arco dell'orizzonte relativo al sottomarino nel quale sono installati. Storia Agli inizi della seconda guerra mondiale per scoprire i bersagli con il sonar, nell'arco di tutto l'orizzonte, si faceva ruotare meccanicamente una piccola base acustica (vedi figura 1 ), e con essa la sua caratteristica di direttività nell'arco dei 360°; Fig. 1 Anni dopo, con un particolare sistema detto compensatore, in figura 2, (Il compensatore era un organo elettro meccanico che ruotava, a comando dell'operatore al sonar mediante SYNCRO DI COPPIA) si ruotava artificialmente il fascio di direttività della base lasciando la stessa ferma. fig.2 Queste operazioni richiedevano molto tempo nella ricerca su tutto l'arco dell'orizzonte, consentivano però ottime caratteristiche di precisione di rilevamento angolare dell'ordine di 0.1 °. Con lo sviluppo dell'elettronica nasce l'idea dei fasci acustici preformati, con essi tutto l'orizzonte subacqueo viene esplorato in modo istantaneo per tutti i 360 °. Un sistema a fasci preformati in hardware è stato studiato per la prima volta in Italia nel 1960. La struttura per un fascio preformato, di tipo analogico-digitale , figura 3, vede la circuitazione relativa composta dai seguenti dispositivi: *Due gruppi d'idrofoni facenti parte della base idrofonica installata sul sottomarino. La base ricevente può essere o cilindrica o conforme. *Un blocco di tante unità di ritardo temporale quanti sono gli idrofoni impiegati *Due blocchi elettronici per le somme, destra e sinistra, delle tensioni fornite dai due gruppi d'idrofoni. *Un dispositivo per la misura della coerenza tra le due tensioni di somma. Fig. 3 Dettagli della struttura Ciascun fascio esegue la rimessa in coerenza dei segnali idrofonici per compensare i diversi tempi di percorrenza del suono in mare. L'operazione di rimessa in coerenza consiste nel ritardare opportunamente i segnali idrofonici affinché tutti abbiano lo stesso tempo di percorrenza, seguono due sommatori e il ricevitore in correlazione con integratore analogico. Per un corretto funzionamento del sistema la caratteristica di direttività di ciascun fascio deve sovrapporsi alle adiacenti a circa -3 dB rispetto al massimo. Le diverse tensioni dei blocchi di formazione fasci sono esplorate, ciclicamente nel tempo, da un circuito serializzatore elettronico e da questo inviate al sistema di presentazione video di tipo panoramico. In figura 4 la presentazione su schermo sonar di un sistema a fasci preformati in coordinate cartesiane Angolo; Ampiezza in condizioni di ottima scoperta del bersaglio. fig. 4 Sonar a fasci preformati sviluppati in Italia nel periodo 1960-2002 Sonar per sottomarini classe Toti 1960 (figura 5): fig.5 Caratteristiche: *Presentazione video in coordinate polari indicate come PPI, acronimo inglese per Plan-Position Indicator) *Sonar a 36 fasci preformati in alta frequenza: Banda di ricezione 8000 - 10000 Hz ( uno ogni 10° ) impiegato prevalentemente alla scoperta dei bersagli con il metodo dell'eco. Per la scoperta si impiegava la base idrofonica cilindrica a proravia del sottomarino. *Arco d'orizzonte esplorato: 0 - 360° *Intensità d'illuminazione delle tracce dipendente dalle ampiezze dei segnali generate dai fasci preformati. Sonar per sottomarini classe Sauro 1^ serie 1970 (figura 6) Fig. 6 Caratteristiche: *Presentazione video in coordinate polari Indicata come PPI, acronimo inglese per Plan-Position Indicator) *Sonar in bassa frequenza con 70 fasci preformati Banda di ricezione 200 - 3000 Hz Per la scoperta in bassa frequenza si impiegava la base idrofonica conforme che nel settore prodiero, coperta dallo scafo, non consentiva un'esplorazione totale di +/- 180°), in alta frequenza 36 fasci preformati Banda di ricezione 8000 - 16000 Hz (uno ogni 10°) *Per la scoperta in alta frequenza si impiegava la base idrofonica cilindrica a proravia del sottomarino. *Due posti di osservazione *Arco d'orizzonte esplorato: 0 - 360° *Intensità d'illuminazione delle tracce dipendente dalle ampiezze dei segnali generate dai fasci preformati. Questo apparato consentiva, con i fasci preformati, la scoperta veloce dei bersagli che, una volta individuati, potevano essere localizzati con notevole precisione da un compensatore meccanico ausiliario indirizzabile velocemente nella direzione voluta Sonar per sottomarini classe Sauro 4^ serie 1974 (figura 7) fig. 7 Caratteristiche: *Presentazione video a cascata in coordinate angolo - tempo. *Sonar in bassa frequenza a 70 fasci preformati Banda di ricezione 200 - 3000 Hz ( uno ogni 5° per una copertura di +/- 175 °) *Per la scoperta in bassa frequenza si impiegava la base idrofonica conforme che nel settore prodiero, coperta dallo scafo, non consentiva un'esplorazione totale di +/- 180°), in alta frequenza 36 fasci preformati Banda di ricezione 8000 - 16000 Hz (uno ogni 10°) Per la scoperta in alta frequenza si impiegava la base idrofonica cilindrica a proravia del sottomarino. *In ascisse l'arco d'orizzonte esplorato: - 175° + 175° *In ordinate il tempo trascorso con le tracce delle evoluzioni dei bersagli per memoria tattica. *Intensità d'illuminazione delle tracce dipendente dalle ampiezze dei segnali generate dai fasci preformati. *Questo apparato consentiva la localizzazione di precisione con un compensatore ausiliario così come nel sonar IP70. Sonar sperimentale d'emergenza FALCON per sotomarini Cl. Sauro 2002 fig. 8 Caratteristiche: *Sonar studiato e realizzato presso L'Arsenale Militare di La Spezia come localizzatore d'emergenza. *Presentazione della traccia dei bersagli secondo coordinate cartesiane (Indicata con la sigla tipo A) *Sonar d'emergenza a 36 fasci preformati in bassa frequenza *Banda di ricezione 1000 - 3000 Hz (uno ogni 10°), studiato per i sottomarini Classi Toti e Sauro, da impiegare con la base idrofonica cilindrica a proravia del sottomarino: *In ascisse l'arco d'orizzonte esplorato: - 180° + 180° *In ordinate le ampiezze dei segnali generate dai fasci preformati.
  4. C. Del Turco

    2 TEORIA DEI SISTEMI SONAR

  5. I fasci preformati per il sonar, sorta di direttività artificiale, consentono al localizzatore subacqueo la scoperta simultanea dei bersagli che si trovino in tutto l'arco dell'orizzonte relativo al sottomarino nel quale sono installati. Storia Agli inizi della seconda guerra mondiale per scoprire i bersagli con il sonar, nell'arco di tutto l'orizzonte, si faceva ruotare meccanicamente una piccola base acustica (vedi figura 1 ), e con essa la sua caratteristica di direttività nell'arco dei 360°; Fig. 1 Anni dopo, con un particolare sistema detto compensatore, in figura 2, (Il compensatore era un organo elettro meccanico che ruotava, a comando dell'operatore al sonar mediante SYNCRO DI COPPIA) si ruotava artificialmente il fascio di direttività della base lasciando la stessa ferma. fig.2 Queste operazioni richiedevano molto tempo nella ricerca su tutto l'arco dell'orizzonte, consentivano però ottime caratteristiche di precisione di rilevamento angolare dell'ordine di 0.1 °. Con lo sviluppo dell'elettronica nasce l'idea dei fasci acustici preformati, con essi tutto l'orizzonte subacqueo viene esplorato in modo istantaneo per tutti i 360 °. Un sistema a fasci preformati in hardware è stato studiato per la prima volta in Italia nel 1960. La struttura per un fascio preformato, di tipo analogico-digitale , figura 3, vede la circuitazione relativa composta dai seguenti dispositivi: *Due gruppi d'idrofoni facenti parte della base idrofonica installata sul sottomarino. La base ricevente può essere o cilindrica o conforme. *Un blocco di tante unità di ritardo temporale quanti sono gli idrofoni impiegati *Due blocchi elettronici per le somme, destra e sinistra, delle tensioni fornite dai due gruppi d'idrofoni. *Un dispositivo per la misura della coerenza tra le due tensioni di somma. Fig. 3 Dettagli della struttura Ciascun fascio esegue la rimessa in coerenza dei segnali idrofonici per compensare i diversi tempi di percorrenza del suono in mare. L'operazione di rimessa in coerenza consiste nel ritardare opportunamente i segnali idrofonici affinché tutti abbiano lo stesso tempo di percorrenza, seguono due sommatori e il ricevitore in correlazione con integratore analogico. Per un corretto funzionamento del sistema la caratteristica di direttività di ciascun fascio deve sovrapporsi alle adiacenti a circa -3 dB rispetto al massimo. Le diverse tensioni dei blocchi di formazione fasci sono esplorate, ciclicamente nel tempo, da un circuito serializzatore elettronico e da questo inviate al sistema di presentazione video di tipo panoramico. In figura 4 la presentazione su schermo sonar di un sistema a fasci preformati in coordinate cartesiane Angolo; Ampiezza in condizioni di ottima scoperta del bersaglio. fig. 4 Sonar a fasci preformati sviluppati in Italia nel periodo 1960-2002 Sonar per sottomarini classe Toti 1960 (figura 5): fig.5 Caratteristiche: *Presentazione video in coordinate polari indicate come PPI, acronimo inglese per Plan-Position Indicator) *Sonar a 36 fasci preformati in alta frequenza: Banda di ricezione 8000 - 10000 Hz ( uno ogni 10° ) impiegato prevalentemente alla scoperta dei bersagli con il metodo dell'eco. Per la scoperta si impiegava la base idrofonica cilindrica a proravia del sottomarino. *Arco d'orizzonte esplorato: 0 - 360° *Intensità d'illuminazione delle tracce dipendente dalle ampiezze dei segnali generate dai fasci preformati. Sonar per sottomarini classe Sauro 1^ serie 1970 (figura 6) Fig. 6 Caratteristiche: *Presentazione video in coordinate polari Indicata come PPI, acronimo inglese per Plan-Position Indicator) *Sonar in bassa frequenza con 70 fasci preformati Banda di ricezione 200 - 3000 Hz Per la scoperta in bassa frequenza si impiegava la base idrofonica conforme che nel settore prodiero, coperta dallo scafo, non consentiva un'esplorazione totale di +/- 180°), in alta frequenza 36 fasci preformati Banda di ricezione 8000 - 16000 Hz (uno ogni 10°) *Per la scoperta in alta frequenza si impiegava la base idrofonica cilindrica a proravia del sottomarino. *Due posti di osservazione *Arco d'orizzonte esplorato: 0 - 360° *Intensità d'illuminazione delle tracce dipendente dalle ampiezze dei segnali generate dai fasci preformati. Questo apparato consentiva, con i fasci preformati, la scoperta veloce dei bersagli che, una volta individuati, potevano essere localizzati con notevole precisione da un compensatore meccanico ausiliario indirizzabile velocemente nella direzione voluta Sonar per sottomarini classe Sauro 4^ serie 1974 (figura 7) fig. 7 Caratteristiche: *Presentazione video a cascata in coordinate angolo - tempo. *Sonar in bassa frequenza a 70 fasci preformati Banda di ricezione 200 - 3000 Hz ( uno ogni 5° per una copertura di +/- 175 °) *Per la scoperta in bassa frequenza si impiegava la base idrofonica conforme che nel settore prodiero, coperta dallo scafo, non consentiva un'esplorazione totale di +/- 180°), in alta frequenza 36 fasci preformati Banda di ricezione 8000 - 16000 Hz (uno ogni 10°) Per la scoperta in alta frequenza si impiegava la base idrofonica cilindrica a proravia del sottomarino. *In ascisse l'arco d'orizzonte esplorato: - 175° + 175° *In ordinate il tempo trascorso con le tracce delle evoluzioni dei bersagli per memoria tattica. *Intensità d'illuminazione delle tracce dipendente dalle ampiezze dei segnali generate dai fasci preformati. *Questo apparato consentiva la localizzazione di precisione con un compensatore ausiliario così come nel sonar IP70. Sonar sperimentale d'emergenza FALCON per sotomarini Cl. Sauro 2002 (figura fig. 8 Caratteristiche: *Sonar studiato e realizzato presso L'Arsenale Militare di La Spezia come localizzatore d'emergenza. *Presentazione della traccia dei bersagli secondo coordinate cartesiane (Indicata con la sigla tipo A) *Sonar d'emergenza a 36 fasci preformati in bassa frequenza *Banda di ricezione 1000 - 3000 Hz (uno ogni 10°), studiato per i sottomarini Classi Toti e Sauro, da impiegare con la base idrofonica cilindrica a proravia del sottomarino: *In ascisse l'arco d'orizzonte esplorato: - 180° + 180° *In ordinate le ampiezze dei segnali generate dai fasci preformati.
  6. Orientamento delle caratteristiche di direttività La direttività orizzontale di una base idrofonica, una volta fissate le dimensioni e la frequenza di lavoro, è centrata su di una direzione detta ‘’’direzione naturale ’’’ nella quale la base ha la massima sensibilità mentre per le altre direzioni del piano presenta sensibilità molo basse: questa condizione non soddisfa le necessità del sonar che deve poter localizzare i bersagli in qualsiasi parte dell’orizzonte. Se consideriamo una base ricevente rettilinea disposta come indicato in figura 1 la sua direttività naturale sarà disposta come in figura 2. Se le condizioni illustrate fossero immutabili, il sonar potrebbe localizzare soltanto bersagli collocati intorno all’asse della base. A questa situazione viene in aiuto il sistema di elaborazione del sonar che, come vedremo in seguito, mediante opportuni trattamenti dei segnali idrofonici, crea nel suo interno condizioni elettriche tali da costringere il lobo principale ad assumere orientamenti diversi (direttività artificiale) da quello indicato in figura, ciò a spese della larghezza del lobo che diventa tanto più ampio quanto più si scosta dall’asse della base con un conseguente riduzione del guadagno. L’orientamento del fascio può avvenire in due modi: 1) Con un’azione del operatore sul cofano di presentazione e comandi del sonar il fascio può essere fatto ruotare su tutto l’arco in cui la base riceve il suono, in modo da esplorare una direzione dopo l’altra con continuità così come mostra figura 3; i lobi rappresentano alcuni possibili orientamenti, questo tipo d’orientamento del fascio viene impiegato nella fase di ricerca manuale dei bersagli. 2) In modo automatico, con uno speciale sistema di elaborazione delle tensioni idrofoniche che da origine a tanti fasci ciascuno oriento in un determinato settore dell’orizzonte, in figura 4 è mostrato l’esempio di un sistema con 17 fasci. questo processo, detto dei fasci preformati, è impiegato per la presentazione della posizione angolare dei bersagli sullo schermo video del sonar. Di questa struttura si parlerà in un post successivo che tratterà dei fasci preformati. Per semplificare le figure 3 e 4 la larghezza dei lobi è tracciata ad ampiezza costante per tutte le direzioni artificiali. Richiamo alla direttività naturale La costruzione del fascio di direttività naturale si sviluppa secondo la figura 5 dove si vede che tutti gli idrofoni concorrono, con le proprie tensioni coerenti, alla soma che genera in uscita tale caratteristica quando il bersaglio è posizionato sulla direzione indicata con A. Le tensioni degli idrofoni sono coerenti dato che il fronte d’onda acustico li colpisce tutti agli stessi. tempi. Se la direzione del bersaglio è secondo la posizione B la somma delle tensioni idrofoniche non avviene più tra tensioni coerenti dato che i tempi di percorrenza delle onde acustiche che investono gli idrofoni non sono uguali e la tensione d’uscita non è più indicativa della direzione del bersaglio. Questo è il comportamento della direttività naturale della base idrofonica. Indicazioni per la direttività artificiale Per formare la direttività artificiale si devono portare in coerenza tutte le tensioni idrofoniche che, nel caso della direzione B, sono generate da pressioni acustiche che colpiscono la base in tempi diversi; ciò si ottiene disponendo in serie alle tensioni delle unità di ritardo elettriche (ur), vedi figura 6, il maggior ritardo si applicherà alla tensione dell’idrofono all’estrema destra e ritardo nullo all’idrofono di estrema sinistra in modo che la somma avvenga tra tensioni coerenti, L’ampiezza del lobo di direttività artificiale si allarga mano a mano che il fascio si allontana dal traverso del battello; ne consegue un peggioramento del rapporto tra il segnale del bersaglio e il disturbo del mare. Agendo contemporaneamente ed in modo opportuno su tutti i ritardi (ur) il lobo di direttività artificiale ruota per tutto l’orizzonte così come con la macchina elettromeccanica di figura 7, organo di compensazione di rilevamento, consentiva al sonar IP74 di puntare le direzioni dei bersagli con elevata precisione. fig. 7 Si evidenzia che oggi, con il sonar asservito al computer, le operazioni indicate sono sviluppate con routine software
  7. C. Del Turco

    Direttività naturale delle basi idrofoniche del sonar

    Bravo, complimenti; è proprio che giocando sulla correlazione dei rumori, dipendente dalla spaziatura tra gli idrofoni, che se ne ottiene il vantaggio. Saluti Del Turco
  8. L'introduzione allo studio delle direttività delle basi idrofoniche del sonar è impostata in queste sezioni in modo semplice, discorsivo e per immagini. La caratteristica di direttività naturale 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 voci specialistiche per l'analisi delle direttività in termini matematici. Disegni di massima e fotografie di un sistema acustico ricevente Nella figura 1 è mostrata in pianta la composizione di un sistema acustico ricevente per sottomarino disposto secondo il profilo dello scafo di un sottomarino, questa geometria è detta a "Base conforme": fig .1 fig. 2 In figura 2 fotografia di un singolo idrofono fa parte dell'insieme della figura precedente. La disposizione degli idrofoni nel settore di prua del sottomarino, vista in prospettiva, [è mostrata in figura 3: fig.3 La stessa disposizione della figura precedente è mostrata nel contesto dello scafo del sottomarino nella silhouette in figura 4 : Fig.4 Ed ultima una fotografia, figura 5, che mostra una parte del sistema acustico[ montato sullo scafo resistente del sottomarino: fig. 5 Geometria di ricezione del sistema acustico FIG. 6 Supporto base acustica con diagramma polare, figura 6 Quando il suono emesso dal bersaglio colpisce la base acustica del sonar si può considerare la geometria di figura 6 : 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. 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 dell'ultima sezione. Direttività con 2 idrofoni FIG. 7 Curva di direttività base acustica con solo 2 idrofoni (andamento indicativo) Consideriamo la base acustica formata da 2 soli idrofoni] idrofoni, la figura precedente assumerà un nuovo profilo 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 Direttività con 4 idrofoni fIG.8 Curva di direttività base acustica con 4 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. 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. Direttività con 8 idrofoni[ fIg.9 Curva di direttività base acustica con 8 idrofoni (andamento indicativo) Proseguendo con l'incremento del numero degli idrofoni si computa la direttività per 8 sensori ottenendo il nuovo grafico che mostra una sensibile riduzione d'ampiezza del tracciato rosso nei settori distanti dal segnale (segmento giallo): Direttività con 16 idrofoni Fig. 10 Curva di direttività base acustica con 16 idrofoni (andamento indicativo) Incrementando ulteriormente il numero degli idrofoni, da 8 a 16 si osserva una progressiva riduzione dell'ampiezza dell'arco rosso comprendente la direzione del bersaglio, secondo le due figure successive con conseguente abbattimento del rumore del mare in costanza d'ampiezza del segnale del bersaglio sotteso sempre al valore massimo dell'arco rosso. Direttività con 32 idrofoni Fig.11 Curva di direttività base acustica con 32 idrofoni (andamento indicativo) Indicativamente è mostrata in figura la curva polare della direttività della base corredata con 32 idrofoni. Osservazioni Fig. 12 Lobo di direttività in 3D Le operazioni eseguite non cancellano 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 che mostra la direttività in tutto lo spazio subacqueo
  9. C. Del Turco

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  10. C. Del Turco

    2 TEORIA DEI SISTEMI SONAR

    XX
  11. No purtroppo, il protipo è rimasto in Arsenal Spezia

     

    Una nuova versione delle pagine sul sonar

    Saluti

    del Turco

  12. Egr. Comandanti Come da informazioni date in fase d'accoglienza la disponibilità dei possibili post potrebbe essere di un centinaio, ricavati da uno dei miei corsi in Wikiversità; per non appesanitire la struttura di Betasom che prevede oltre che la lettura dei post anche la discussione mostro il contenuto delle pagine sulla piataforma di Wiki dove, divse per materie, sono fruibili tutte le lezioni; una volta selezionato l'argomento dìinteresse il lettore può tornare, dopo l'elenco dei link, ad esporre i propri pareri e delucidazioni in un confroto con me. Grazie Ecco l'elenco dei link per le lezioni: 1 Sistemi di localizzazione subacquea 2 Studio delle basi idrofoniche 3 Principi, sistemi e metodologie per la localizzazione subacquea passiva 4 Principi, sistemi e metodologie per la localizzazione subacquea attiva 5 Caratteristiche della localizzazione dei bersagli con intercettatore 6 Analisi dei disturbi nell'ambiente marino 7 Il riconoscimento dei bersagli idrofonici in mezzo al disturbo 8 Cenni sulla propagazione del suono in mare ed effetti della riverberazione 9 Sistemi riceventi in correlazione 10 Sistemi di calcolo automatico per il sonar Buon lavoro:
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    La probabilità di scoperta del sonar Nelle operazioni di ricerca dei bersagli con il sonar, il più delle volte, le tracce dei segnali sullo schermo video si confondono con le tracce dei disturbi dovuti al rumore del mare. In tali condizioni la scoperta dei bersagli non è una cosa certa ma dipende da variabili di carattere probabilistico; in una percentuale x del tempo d'osservazione le tracce dei bersagli saranno visibili, in altra percentuale y del tempo saranno valutate erroneamente come segnali la tracce provocata dal rumore. La probabilità di scoperta con il sonar è legata a coppie di variabili probabilistiche Priv. e Pfa. Con la sigla Priv. s'indica la percentuale di probabilità di rivelare il bersaglio con il sonar. Con la sigla Pfa. s'indica la percentuale di probabilità di avere un segnale di falso allarme invece del bersaglio. Le variabili entrano in gioco nei ricevitori sonar dotati di processori in correlazione nelle fasi di contatto con un bersaglio quando il rumore ambiente è sensibile. 1 Rumore del mare, scoperta e falso allarme In figura 1 bersaglio scoperto, praticamente, in assenza di rumore fig. 1 Le variabili probabilistiche Priv. e Pfa. dipendono da un parametro indicato con la lettera (d). Il parametro (d) è funzione. a sua volta, di tre variabili che caratterizzano il ricevitore del sonar: *la prima è relativa al rapporto tra il segnale e il disturbo (Si/Ni) misurato all'ingresso del ricevitore stesso. Il rapporto dipende dall'intensità del rumore emesso dal bersaglio e dal rumore nell'ambiente marino *la seconda interessa la larghezza di banda BW, *la terza è legata al tempo d'integrazione RC ( Variabile funzionale dalla quale dipende il tempo di risposta del rivelatore alla variazione della coerenza tra i segnali del bersaglio) Le tre variabili definiscono ia funzione d secondo l'espressione: (valida per rapporti Si/Ni molto piccoli). Ad ogni valore del parametro corrispondono innumerevoli coppie di (Probabilità di rivelazione]) e Pfa. (Probabilità di falso allarme) deducibili dalle curve ROC. (Receiver Operating Characteristic) 2 Andamento del parametro ROC fig. 2 L'andamento del parametro ROC espresso con la lettera d, come funzione del rapporto ( Si / Ni ) indicato in ( dB ), ad esempio per le variabili BW = 7000 Hz e RC = 0.1 s, è tracciabile in coordinate lineari logaritmiche come mostra la fgura 2: Le ascisse in scala lineare si possono estendere per un campo di variabilità di Si/Ni tra Si/Ni = -20 dB a Si/Ni = 0 dB. Le ordinate in scala logaritmica a tre decadi si possono estendere da d = 0.1 a d = 100 . Variando Si/Ni tra - 20 dB e circa -6 dB il valore della funzione d varia da un minimo di d = 0.15 ad un massimo di d = 99.99999 ad ogni possibile valore del d sono associabili, secondo le curve ROC, innumerevoli coppie di Priv. e Pfa. 3 Esempio Curve ROC fig. 3 Se nelle curve ROC di figura 3 assumiamo per esempio d = 9, e con esso la coppia Priv. = 90% e Pfa. = 5 %, possiamo stabilire il punto, di coordinate Si/Ni = -11 dB e d = 9 su figura 2, a significare che con un rapporto Si/Ni = - 11 dB, con BW = 7000 Hz e RC = 0.1 , è possibile, una volta regolato il livello di soglia (La soglia è una predisposizione del sonar da parte dell’operatore in base alle condizioni operative contingenti), avere il 90 % di scoperta con un 5 % di falso allarme. Se a seguito di una variazione del rapporto (Si/Ni), ed una conseguente variazione del parametro d la coppia Priv. e Pfa. sopra indicata cambia, tale cambiamento può essere compensato agendo sul tempo di osservazione (valore della costante del tempo RC d'integrazione del ricevitore in correlazione). Ossevando figura 3 si nota come al parametro d = 9 corrispondano infinite coppie di Priv. e Pfa. La scelta operativa di una qualsiasi coppia menzionata è dipendente dalla volontà dell'addetto al sonar che la seleziona, con uno strumento detto soglia, secondo le necessità di scoperta del momento.
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  15. L'introduzione allo studio delle direttività delle basi idrofoniche del sonar è impostata in queste sezioni 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 voci specialistiche per l'analisi delle direttività in termini matematici. Disegni di massima e fotografie di un sistema acustico ricevente Nella figura 1 è mostrata in pianta la composizione di un sistema acustico ricevente per sottomarino disposto secondo il profilo dello scafo di un sottomarino, questa geometria è detta a "Base conforme": fig .1 fig. 2 In figura 2 fotografia di un singolo idrofono fa parte dell'insieme della figura precedente. La disposizione degli idrofoni nel settore di prua del sottomarino, vista in prospettiva, [è mostrata in figura 3: fig.3 La stessa disposizione della figura precedente è mostrata nel contesto dello scafo del sottomarino nella silhouette in figura 4 : Fig.4 Ed ultima una fotografia, figura 5, che mostra una parte del sistema acustico[ montato sullo scafo resistente del sottomarino: fig. 5 Geometria di ricezione del sistema acustico FIG. 6 Supporto base acustica con diagramma polare, figura 6 Quando il suono emesso dal bersaglio colpisce la base acustica del sonar si può considerare la geometria di figura 6 : 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. 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 dell'ultima sezione. Direttività con 2 idrofoni FIG. 7 Curva di direttività base acustica con solo 2 idrofoni (andamento indicativo) Consideriamo la base acustica formata da 2 soli idrofoni] idrofoni, la figura precedente assumerà un nuovo profilo 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 Direttività con 4 idrofoni fIG.8 Curva di direttività base acustica con 4 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. 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. Direttività con 8 idrofoni[ fIg.9 Curva di direttività base acustica con 8 idrofoni (andamento indicativo) Proseguendo con l'incremento del numero degli idrofoni si computa la direttività per 8 sensori ottenendo il nuovo grafico che mostra una sensibile riduzione d'ampiezza del tracciato rosso nei settori distanti dal segnale (segmento giallo): Direttività con 16 idrofoni Fig. 10 Curva di direttività base acustica con 16 idrofoni (andamento indicativo) Incrementando ulteriormente il numero degli idrofoni, da 8 a 16 si osserva una progressiva riduzione dell'ampiezza dell'arco rosso comprendente la direzione del bersaglio, secondo le due figure successive con conseguente abbattimento del rumore del mare in costanza d'ampiezza del segnale del bersaglio sotteso sempre al valore massimo dell'arco rosso. Direttività con 32 idrofoni Fig.11 Curva di direttività base acustica con 32 idrofoni (andamento indicativo) Indicativamente è mostrata in figura la curva polare della direttività della base corredata con 32 idrofoni. Osservazioni Fig. 12 Lobo di direttività in 3D Le operazioni eseguite non cancellano 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 che mostra la direttività in tutto lo spazio subacqueo
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