Basi idrofoniche per sottomarini

[C. Del Turco]

GLI  STUDI:

 

 

 

 

 

 

                                                                           https://it.wikiversity.org/wiki/File:Fasci_preformati_per_il_sonar.pdf

 

PER APPROFONDIMENTI: 

https://it.wikiversity.org/wiki/Guadagno_di_direttività_orizzontale_delle_basi_idrofoniche

 

 

 

 

 

Edited Wednesday at 03:40 PM by C. Del Turco

[C. Del Turco]

LA TECNOLOGIA:

Disegni di massima e fotografie di un sistema acustico ricevente di bassa frequenza

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.

 

Basi Sottomarino Cl. Sauro

Le basi idrofoniche nei sottomarini  sono l'insieme degli idrofoni ^[collocati all'esterno dei semoventi e sono parti essenziali del sonar.

Molteplici forme di basi idrofoniche sono impiegate nei sistemi di localizzazione subacquea: a struttura quadrata, cilindrica, conforme al profilo della scafo, rettilinea, sferica^].

 

Per le basi idrofoniche sono studiate  due funzioni matematiche nominate rispettivamente "caratteristica di direttività" e "guadagno di cortina";  queste funzioni subordinano le portate di scoperta dei sonar.

 

Planimetrie basi acusiche sottomarino Sauro

 

 

-Base idrofonica ricevente in bassa frequenza  a prua nella parte inferiore del battello ( colore verde)

 

(Tecnologia) 46 idrofoni piezoelettrici a stecca  montati come cortina a proravia del battello -base conforme-.

 

-Base idrofonica ricetrasmittente in alta frequenza

(Tecnologia) 360 trasduttori elettroacustici del tipo Tompilz  sulla superficie laterale di un cilindro montato nella parte alta della prua del sottomarino (colore rosso)

 

Insieme di tutte le basi del Sauro

 

-Base idrofonica a media frequenza per misuratore passivo della distanza (colore blu)

 

(Tecnologia) 6 pinne a mosaico rettangolare d’idrofoni piezoelettrici a dischetto montati lungo i fianchi superiori dello scafo.)

 

 Vista in dettaglio della collocazione delle basi acustiche 

 

In figura sono mostrate, indicativamente e non in scala tra loro, le disposizioni delle tre basi idrofoniche del Sauro.

 

La base idrofonica per la ricezione dei segnali acustici in bassa frequenza collocata sotto il falso scafo del battello,  non è visibile dall'esterno; l'insieme degli idrofoni è detto base conforme.  Il nome ad indicare che la cortina idrofonica è conforme al profilo prodiero del sottomarino

 

La base cilindrica, sia per la ricezione idrofonica in alta frequenza, sia per la trasmissione, è collocata in alto a prua sotto la cuffia idrodinamica facente parte della prua del sottomarino.

 

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Già presente in TECNICA

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LE  DIRETTIVITA':

 

Direttività naturale

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.

 

Direttività artificiale

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.

 

 

 

 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,

 

La compensazione dei ritardi, ovvero il posizionamento del fasscio artificiale, con gli elementi  2ur....8ur può essere fatta 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.

 

 

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

 

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Direttività a fasci preformati

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.

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