Sonar: Direttività naturale delle basi idrofoniche degli apparati

[C. Del Turco]

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

Modificato 5 Aprile da C. Del Turco

[Ocean's One*]

Molto chiaro, grazie.

Una domanda: ma una migliore direttività si ottiene solo aumentando il numero degli idrofoni o anche spaziandoli in modo piu conveniente? 
A naso, mi verrebbe da dire che esiste anche una certa correlazione con la lunghezza d’onda del segnale ascoltato, o mi sbaglio?

[C. Del Turco]

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

Modificato 15 Settembre, 2023 da C. Del Turco

[Ocean's One*]

Grazie!

Detto da cotanto Maestro, ha ancora più valore...