Sonar

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Emersione del sottomarino Sauro

Il sonar (termine che nasce come acronimo dell'espressione inglese sound navigation and ranging) è una tecnica che utilizza la propagazione del suono sott'acqua per la navigazione, comunicazione o per rilevare la presenza e la posizione di sottomarini o oggetti sotto il livello del mare. Si distinguono sonar attivi e sonar passivi.

Il sonar dei sottomarini è inoltre strumento indispensabile nelle fasi di emersione dei battelli.

Il sottomarino che deve riemergere utilizza il sonar per controllare che nell'arco dell'orizzonte non ci siano ostacoli che possano pregiudicare la sicurezza di manovra

Storia del SONAR[modifica | modifica wikitesto]

Venne inventato da Paul Langevin nel 1917[1]. La marina inglese e quella tedesca considerarono il sottomarino, nel periodo tra le due guerre, un'arma superata soprattutto dopo l'avvento del dispositivo di rilevazione acustica detto "ASDIC" (Anti-Submarine Detection Investigation Committee), noto oggi come sonar[2]; furono i britannici i primi a sviluppare una tecnologia che permettesse di rilevare un oggetto attraverso il suono[3] e la scoperta del propagarsi delle onde sonore in acqua non era avvenuta durante la prima guerra mondiale e, per il rilevamento dei sommergibili, erano utilizzati dei semplici idrofoni)[2]. Il sistema ASDIC era composto da un trasduttore, contenuto in una cupola sotto la nave, che inviava onde acustiche che tornavano all'origine se riflesse da un oggetto sommerso, posto ad una distanza massima di circa 2700 m. La cupola poteva essere fissa, come nell'apparato Type 123 installato sulle corvette della classe Flower o retrattile come in alcune navi[4], quali il cacciatorpediniere HMS Campbeltown, dotato di un ASDIC Type 124[4]. Dall'eco veniva ricavata la direzione e la distanza dell'oggetto ma falsi segnali potevano essere generati dalle differenze di temperatura dell'acqua, correnti, banchi di pesci (strato riflettente profondo), ed inoltre l'ASDIC era efficace solo a velocità inferiori ai 15 nodi (28 km/h), poiché a velocità superiori il rumore della nave avrebbe coperto gli echi; un ulteriore limite era rappresentato dal brandeggio del trasduttore, solo in senso orizzontale, con la conseguenza che il contatto veniva perso quando il bersaglio passava sotto la nave cacciatrice[5].

La procedura di utilizzo consisteva nell'uso dell'ASDIC in un arco da un lato all'altro della nave, fermando il trasduttore a distanze di pochi gradi per inviare un segnale, e le ricerche in gruppi di navi prevedevano l'allineamento delle navi a distanza compresa tra il miglio ed il miglio e mezzo; se veniva captata un'eco identificabile come sottomarino la nave avrebbe puntato verso il bersaglio e si sarebbe avvicinata a media velocità fino a trovarsi ad una distanza inferiore alle 1000 yard (910 m) e, nel frattempo, tramite il plotter veniva tracciata la direzione e la distanza, in modo da ricavare la rotta del sottomarino e la sua velocità. L'attacco veniva portato passando davanti al sottomarino per scaricare le bombe di profondità, lanciandole ad intervalli, seguendo uno schema tale da intrappolare il sottomarino. Per essere efficaci tuttavia, le bombe dovevano esplodere ad una distanza inferiore ai 6 metri e i primi sistemi ASDIC non erano in grado di determinare la profondità con sufficiente precisione; per questo motivo lo schema di sganciamento delle bombe prevedeva anche l'esplosione delle stesse a diverse profondità[6].

Il sistema ASDIC soffriva di alcuni limiti: gli U-Boot potevano scendere a profondità maggiori rispetto a quelli britannici e statunitensi, oltre i 700 ft, pari a 210 m, oltre le capacità delle bombe di profondità britanniche, che potevano raggiungere i 350 ft, circa 100 m, e l'esplosione di una bomba di profondità disturbava l'acqua, rendendo molto difficile la riacquisizione del contatto nemico se falliva il primo attacco; è da rilevare inoltre che il sistema non godeva della fiducia delle marine alleate e la Royal Navy iniziò la guerra con un numero insufficiente di cacciatorpediniere e di ufficiali esperti in armi antisommergibile[7]. La situazione nel comando costiero della Royal Air Force era ancora più grave, poiché gli aerei da ricognizione non possedevano adeguata autonomia per il pattugliamento e non erano ancora state valutate le conseguenze che la scoperta del radar avrebbe avuto nella guerra sul mare[7].

Anche altre marine iniziarono a sperimentare i primi modelli di ASDIC quando alcune unità, corvette ma anche pescherecci armati[8], vennero equipaggiati con personale non inglese, o apparati vennero installati su navi alleate, come il cacciatorpediniere olandese Isaac Sweers[9].

In Italia lo studio e la costruzione dei sonar riprende dopo la seconda guerra mondiale nel 1951.

I primi sonar italiani per sottomarini, costruiti tra il 1960 e 1970, erano identificati con le sigle: IP64 e IPD70S.

Localizzazione sonar[modifica | modifica wikitesto]

La localizzazione sonar è una tecnica utilizzata per stabilire con precisione la posizione degli oggetti in mare, sia che si trovino in superficie che sotto di questa. Tra le sue applicazioni principali troviamo il suo impiego per usi militari, nei sistemi di rilevamento sonar installati a bordo di semoventi navali.

Un semovente navale da localizzare è indicato con la dizione Bersaglio.

Sottomarino Classe U212 equipaggiato con localizzatore sonar tipo: CSU 90-138[10]

Geometrie di localizzazione:

Tra le innumerevoli geometrie di localizzazione d'interesse quelle relative ai sottomarini:

La localizzazione dei bersagli[11] gioca un ruolo fondamentale nella navigazione in immersione di un sottomarino, sia che la navigazione avvenga per scopi di dislocamento, sia che avvenga per scopi di sorveglianza o attacco.

In funzionamento passivo il sonar del sottomarino a) localizza i bersagli b) e c), che generano rumore, non scopre il bersaglio d) che non emette segnali acustici

La posizione di un sottomarino nello spazio subacqueo può presentarsi nei più svariati aspetti, ad esempio un’ipotetica situazione può vedere un sottomarino come localizzatore e altri tre natanti a distanza come bersagli.

Se due dei tre bersagli sono considerati attivi il rumore da loro emesso s'irradia con onde acustiche, sotto forma di archi di cerchio, che si allontanano da essi verso il sottomarino; se il terzo bersaglio è passivo non irradia rumore.

Se il sottomarino, per non farsi scoprire, impiega nella ricerca la sola componente passiva, localizza soltanto i due bersagli citati e non rileva la presenza del terzo.

In funzionamento attivo il sonar del sottomarino a) emette impulsi acustici che investono i tre bersagli b),c),d), riceve di conseguenza gli echi da essi riflessi

La situazione può essere modificata per necessità operative qualora il sottomarino debba localizzare tutti i possibili bersagli presenti nella zona, siano questi attivi o passivi.

In questo caso il sottomarino impiega nella ricerca la componente attiva anche se ciò denuncia la sua presenza.

Gli impulsi di energia acustica emessi dal sonar del sottomarino per produrre gli echi si propagano in mare con onde acustiche circolari di notevole intensità che si allontanano da esso, l'ampiezza degli echi di ritorno[12][13] sono onde acustiche circolari a bassa intensità che si staccano dai bersagli.

In entrambe le situazioni il sottomarino rileva con notevole precisione la posizione dei bersagli scoperti, localizzandoli angolarmente, sia nel piano orizzontale, sia in quello verticale e misurandone la distanza.

L’importanza dei rilievi è fondamentale per il sottomarino dato che rappresentano l’unico mezzo con il quale esso può spostarsi agevolmente nello spazio subacqueo senza correre il rischio di urtare altri corpi immersi sia immobili che in navigazione; inoltre la localizzazione rende possibile al sottomarino l'emersione senza il pericolo di trovarsi sulla traiettoria o, quanto peggio, sulla chiglia di una nave.

Dal punto di vista tattico la localizzazione sonar costituisce un supporto importantissimo, tanto nelle operazioni di controllo dei mari nazionali, quanto nelle operazioni di difesa-offesa.

Il sonar associa la funzione di localizzazione con la funzione di identificazione dei bersagli.

L’identificazione stabilisce caratteristiche più salienti dei bersagli, quali ad esempio la lunghezza, la velocità, il tipo di propulsione ed altri elementi che permettono di conoscere la classe della nave o del sottomarino oggetto della localizzazione.

Caratteristiche dei bersagli[modifica | modifica wikitesto]

I bersagli, nel processo di localizzazione, possono essere indifferentemente: navi, sottomarini, siluri in corsa, sopraelevazioni del fondo marino, isole, coste e si possono dividere in due classi:

  • classe dei bersagli passivi, quelli che per loro natura o per intendimento dell’uomo non irradiano rumori in mare
  • classe dei bersagli attivi, quelli che irradiano rumore in mare.[14]

Nella prima classe si possono collocare: navi alla fonda, sommergibili naviganti in assetto particolarmente silenzioso, isole e coste.

Nella seconda classe si possono collocare: navi in movimento, navi ferme con macchinari in moto, sottomarini in normale navigazione, siluri ecc.

Il sonar localizza e identifica i bersagli in due modi differenti in dipendenza dell’appartenenza di questi ad una classe o all'altra; per la localizzazione e la identificazione dei bersagli passivi esso utilizza energia acustica propria, in modo da provocare una riflessione parziale di questa da parte del bersaglio, che così viene rivelato (metodo dell'eco). In questo tipo di impiego il sonar utilizza la sua componente attiva[15].

Per la localizzazione e l’identificazione dei bersagli attivi esso utilizza il rumore irradiato naturalmente da questi, nel far ciò adopera la sua componente passiva.[16].

Il sonar non può operare contemporaneamente con la componente attiva e con quella passiva, ma con opportuni accorgimenti può realizzare una quasi contemporaneità dei due modi operativi.

Un tempo i sonar installati sulle navi erano prevalentemente orientati al funzionamento attivo, poiché i rumori provocati dalle macchine non consentivano che essi potessero captare agevolmente il rumore irradiato naturalmente dai bersagli; oggi il problema citato non si pone dato che le navi moderne sono dotate di sonar a profondità variabile (VDS) indirizzabili a notevole distanza dalla nave.

Il sonar installato su di un sottomarino è prevalentemente orientato al funzionamento passivo per due ragioni fondamentali:

  • Nel funzionamento attivo, emettendo energia acustica in mare, sarebbe facilmente individuabile, mentre il suo scopo precipuo è quello di passare inosservato.
  • Con il sottomarino in assetto silenzioso si creano le condizioni ottimali per captare il rumore irradiato naturalmente dai bersagli.

Il sottomarino impiega la componente attiva del sonar soltanto in casi eccezionali: durante la navigazione, in tempo di pace, se non è comandato ad effettuare opera di sorveglianza dello spazio subacqueo e durante le fasi critiche di attacco al bersaglio nemico, quando ormai è indispensabile correre il rischio.

Localizzazione e visualizzazione dei bersagli[modifica | modifica wikitesto]

Consolle di presentazione e controlli del sonar IP64[17][18]

I bersagli localizzabili[19] sono visualizzati all'operatore al sonar su di una consolle di presentazione e controllo.

Il sottomarino S si trova al centro del teatro operativo

Se un sottomarino in fase di scoperta si trova in immersione in una zona di mare, tra coste ed isole, nella quale sono presenti due navi in movimento può esplorare l'ambiente nell'intento di localizzare tanto i bersagli fissi quanto in movimento.

Dato che tutti i rilievi angolari del sonar sono effettuati facendo riferimento al sottomarino, esso diventa il centro della geometria della zona.

Tracciato un cerchio ideale facendo centro sul sottomarino, tutto ciò che in esso è compreso sarà visualizzato sullo schermo circolare di presentazione con riferimento al punto centrale.

Schermi video per la scoperta sonar dei bersagli; a sinistra il sonar del sottomarino opera in attivo, a destra opera in passivo

Nello schermo del sonar compaiono tracce diverse in dipendenza del suo modo operativo. Se si lavora in attivo gli echi di tutti i bersagli compaiono sullo schermo sotto forma di piccoli segmenti luminosi che delineano la topografia della zona circostante il battello, questo compare come un punto luminoso al centro.

Un raggio luminoso è fatto ruotare dall'operatore per collimare i bersagli che, grazie ad un particolare sistema di elaborazione del sonar, sono visibili sui ° dell'orizzonte.

Se il sonar lavora in passivo, i rumori irradiati dai bersagli compaiono sullo schermo sotto forma di tracce radiali che indicano la direzione di provenienza del suono rispetto al battello che compare come un punto luminoso al centro.

Anche in questo caso è presente l’indice luminoso per collimare i bersagli.

Localizzazione di un bersaglio attivo[modifica | modifica wikitesto]

La localizzazione di un bersaglio attivo implica la misura, con buona precisione, della sua distanza e della sua posizione angolare rispetto al nord.

In condizioni favorevoli[20] la capacità di scoperta di un sonar in funzionamento passivo si può stimare tra i quaranta e gli ottanta chilometri.[21]

Geometria nella scoperta di un bersaglio attivo

A grandi distanze si procede alla scoperta di un bersaglio e non alla sua localizzazione perché in questi casi è difficile una misura accurata della posizione angolare del bersaglio nel piano orizzontale, e impossibile la misura nel piano verticale.

Nella geometria di scoperta di un bersaglio in una sezione orizzontale dello spazio subacqueo si consideri il sottomarino durante la fase di rilevamento del bersaglio attivo.

Se la distanza tra sottomarino e bersaglio è di circa e l'incertezza nella misura dell’angolo , entro il quale può indifferentemente trovarsi la direzione del bersaglio, è di , l'ampiezza dell’arco in ogni parte del quale potrebbe essere indifferentemente posizionato il bersaglio dal calcolo risulterebbe essere dell’ordine di ; in questa situazione l’impiego del sonar potrebbe sembrare inutile viste le incertezze di localizzazione.

Se la velocità di spostamento di un bersaglio valutata mediamente a e che se questo muove verso il sottomarino devono trascorrere almeno minuti prima che la distanza si riduca dai iniziali a , si intuisce che in questo sensibile intervallo di tempo la situazione si evolve.

A mano a mano che il bersaglio si avvicina, l’arco d'incertezza diventa sempre più piccolo, sia perché la distanza decresce, sia perché si riduce l’errore nella misura di ed il sonar stabilisce con molta precisione la posizione del bersaglio.

La scoperta di bersagli molto lontani, anche con sensibili incertezze nella loro localizzazione, rappresenta pertanto un elemento di primaria importanza per la sicurezza e l’operatività del battello.

Le parti bagnate[modifica | modifica wikitesto]

Base idrofonica ricevente
Base cilindrica di trasmissione
  • Sistema di sensori riceventi, detto base idrofonica,[22] è collocato all'esterno del battello, sotto il falso scafo[23][24], in modo da restare completamente sommerso.
  • Base cilindrica di trasmissione e ricezione impulsiva.

Le parti asciutte[modifica | modifica wikitesto]

Consolle di presentazione e controllo
  • Complesso di elaborazione, presentazione e controllo
  • Cofano di amplificazione dei segnali idrofonici
  • Cofano trasmettitore

Ricezione dei rumori emessi dai bersagli[modifica | modifica wikitesto]

I rumori, irradiati[25] dalle unità in navigazione, si propagano in mare e le onde acustiche colpiscono i sensori della base idrofonica, questi, eccitati meccanicamente, generano delle deboli tensioni elettriche che sono proporzionali all'eccitazione meccanica ricevuta.

Il cofano di amplificazione ed elaborazione riceve dagli elementi della base idrofonica le deboli tensioni elettriche prodotte, genericamente dette segnali idrofonici, e ne amplifica il livello in modo da renderle idonee per la successiva fase di trattamento.

I segnali idrofonici amplificati sono applicati al gruppo di elaborazione, questo estrae tutte le informazioni contenute in essi per fornirle al sistema di presentazione.

Il complesso di presentazione e controllo consente all'operatore del sonar di eseguire le azioni di localizzazione e di classificazione dei bersagli. Egli può vedere, su di uno schermo simile a quello televisivo, la rappresentazione topografica dello scenario subacqueo, nella quale si evidenziano, con strisce o archi luminosi, le posizioni dei bersagli.

Agendo sugli appositi comandi l’operatore può collimare una marca luminosa sulle tracce dei bersagli ottenendo, su appositi indicatori numerici, i dati che consentono la localizzazione.

Localizzazione con il metodo dell'eco[modifica | modifica wikitesto]

Il cofano trasmettitore è impiegato per la generazione dell'energia necessaria per la localizzazione dei bersagli che, non emettendo rumore, devono essere scoperti con il metodo dell’eco[26]. Il trasmettitore produce impulsi di energia elettrica che vengono applicati alla base di emettitori elettroacustici.

Sottomarino Toti: sonar IP64; in vista in alto a prua la cuffia[27] idrodinamica che copre la base cilindrica per la scoperta attiva dei bersagli con il metodo dell'eco

La base di emettitori è collocata all'esterno del battello, viene impiegata soltanto dopo l'immersione del sottomarino.

Gli impulsi di energia elettrica applicati agli emettitori acustici provocano la vibrazione di questi e la conseguente eccitazione delle particelle d’acqua circostanti. Si ha in questo modo la produzione di onde acustiche che si propagano in mare fino a colpire il bersaglio, questo riflette parte dell’energia acustica che lo ha colpito verso l’origine, dove viene captata e convertita in segnali elettrici dalla base ricevente.

Il sonar sinteticamente descritto rappresenta una configurazione delle più semplici impiegate un tempo a bordo dei sottomarini; i sonar di produzione recente, più sofisticati, sono costituiti con strutture simili a quella descritta, perché il loro funzionamento segue gli stessi principi fisici a cui si ispirano tutti i sistemi di localizzazione subacquea.

Categorie funzionali[modifica | modifica wikitesto]

Il sonar si suddivide in due categorie funzionali:

  • Il sonar passivo
  • Il sonar attivo

Con il primo si localizzano i semoventi navali che nelle loro attività generano rumore in mare.

Con il secondo si localizzano semoventi navali, o altri ostacoli, tramite l'emissione d'impulsi acustici e conseguenti echi generati dai bersagli.

Sonar passivo[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svgLo stesso argomento in dettaglio: Sonar passivo.
Scoperta dei bersagli con sonar passivo: il sottomarino a) localizza i due bersagli b), d), che generano rumore, non è in grado di rivelare la presenza del sottomarino c) dato che questo non emette rumore

Il sonar passivo[28][29] è un localizzatore subacqueo che esegue la scoperta dei bersagli rivelando il loro rumore irradiato in mare.

Caratteristiche dei bersagli rilevate in passivo.[modifica | modifica wikitesto]

Caratteristiche dei bersagli dedotte dal localizzatore passivo:

  • Posizione angolare rispetto al Nord[30]
  • Traiettoria
  • Misura della quota
  • Misura della distanza[31]
  • Altri particolari dati operativi

Sequenza operativa in passivo[modifica | modifica wikitesto]

La sequenza operativa del sonar passivo raccoglie tute le funzioni e/o gli eventi che si sviluppano nel localizzatore ed in mare dall'inizio dell'attività di ricerca dei bersagli alla scoperta e visualizzazione delle loro tracce:

  • Nel localizzatore ed in mare: Valutazioni delle condizioni ambientali (tracciamento dei raggi acustici e calcoli di previsione della portata)[32]
  • Nel localizzatore ed in mare: Trasduzione dei segnali acustici ricevuti con la base idrofonica in segnali elettrici.
  • Soltanto in mare: Si affrontano i problemi dovuti al rumore del mare
  • Soltanto in mare: Si cerca di discriminare angolarmente tra i bersagli
  • Soltanto nel localizzatore: Elaborazione dati e visualizzazione delle tracce dei bersagli

Sistema di ricezione segnali[modifica | modifica wikitesto]

Il sistema dì ricezione dei segnali acustici di un sonar passivo è, a grandi linee, costituito da un gruppo di basi idrofoniche e da una complessa struttura di elaborazione dati che ne riceve i segnali elettrici.

Insieme delle basi idrofoniche asservite al sonar passivo

Le basi idrofoniche possono essere di tipo circolare o conforme, quest'ultima è collocata lungo il profilo di prua del sottomarino.

Hanno il compito di trasdurre le pressioni acustiche generate dai bersagli in deboli tensioni elettriche da inviare al sistema ricevente del sonar passivo

Cofano elaborazione dati[modifica | modifica wikitesto]

Cofano per la ricezione e l'elaborazione dei segnali idrofonici: *1-2 Preamplificatori con connettori di collegamento con la base idrofonica *3-4 Ricevitori a a fasci preformati Bf, Af *5-Sistema di rilevamento angolare di precisione della posizione dei bersagli

Il cofano di elaborazione dati è composto dalle sezioni funzionali:

  • Preamplificatori e connettori di collegamento con la base idrofonica, amplificano in modo selettivo i segnali idrofonici generati dalla base.[33]
  • Ricevitori a fasci preformati Bf, Af, generano un insieme di fasci acustici per la scoperta dei bersagli per tutto l'arco dell'orizzonte
  • Sistema di rilevamento angolare di precisione della posizione dei bersagli, è indirizzato sulla scorta delle indicazioni fornite dai fasci preformati.

Elaborazione segnali dei bersagli[modifica | modifica wikitesto]

Consolle di calcolo e presentazione delle tracce dei bersagli

L'elaborazione dei segnali acustici dovuti ai bersagli è affidata ad un complesso sistema di rivelazione dati governato ed interfacciato con la consolle di comando e controllo.

Funzioni esplicate dalla consolle:

  • Presentazione a cascata[34] dello scenario subacqueo per la funzione passiva, lo schermo video dedicato per tale compito è nella parte alta della consolle.
  • Presentazione in coordinate cartesiane dei diagrammi relativi ai calcoli del percorso dei raggi acustici in mare[35]; lo schermo dedicato è nella parte inferiore della consolle.
  • Presentazione video della funzione RLI[36].
  • Comando a mezzo volantino della punteria manuale; presentazione del valore angolare connesso con il rilevamento dei bersagli.

Condizioni ambientali[modifica | modifica wikitesto]

Il funzionamento del localizzatore è subordinato alle condizioni ambientali riscontrabili in mare; per la conoscenza dell'ambiente nei momenti operativi sono utilizzate diverse procedure e valutazioni, tra queste il tracciamento raggi acustici,

Uno dei molteplici casi della formazione della zona d'ombra: un bersaglio che si trovasse nella zona grigia non sarebbe scoperto dal sonar di un sottomarino al di fuori di tale zona

Dall'andamento delle traiettorie dei raggi acustici in mare, legate alle variazioni delle temperature dell'acqua, dipendono le capacità di scoperta dei sonar passivi.

Come attività propedeutica alla scoperta dei bersagli con il sonar passivo è necessario il computo ed il tracciamento grafico delle traiettorie dei raggi acustici in mare per individuarne le zone d'ombra.

Le diverse situazioni che si possono verificare a seguito dei molteplici andamenti delle traiettorie dei raggi acustici si estendono dall'impossibilità di qualsiasi rilevamento sonar, nelle zone d'ombra, alle capacità di scoperta dei bersagli a distanze eccezionali nei casi di canalizzazione del suono.

Calcolo portate di scoperta[modifica | modifica wikitesto]

Il calcolo delle portate di scoperta è un dato indicativo delle probabili distanze coperte dal localizzatore passivo.

Il computo dipende da diverse variabili[37], sia caratteristiche fisiche del sonar, sia rilevate o desunte al momento come, ad esempio, il rumore del mare.

Computo livelli acustici in gioco[modifica | modifica wikitesto]

Il livello dei segnali acustici , espressi in decibel, ricevuti dalle basi idrofoniche è dipendente dall'intensità del rumore emesso dal bersaglio e dalla sua distanza dal sonar[38]; un valore d'esempio, tra gli innumerevoli possibili:

  • bersaglio: cacciatorpediniere a nodi
  • distanza:
  • frequenza d'ascolto:

[39]

Valutazione rumore del mare[modifica | modifica wikitesto]

Diagrammi dello stato del mare

Il rumore del mare è il fenomeno fisico più penalizzante nelle azioni di scoperta dei bersagli con il sonar passivo.

Le curve relative al rumore del mare[40], indicano come varia la pressione acustica generata dal moto ondoso del mare in funzione dei due parametri fondamentali che caratterizzano la fisica del fenomeno:

  • Lo stato del mare, indicato con la sigla SS (sigla inglese per Sea State)[41]
  • La frequenza delle vibrazioni acustiche

La portata funzione del rumore[modifica | modifica wikitesto]

Portata R in km in funzione del valore di NL in dB

La portata di scoperta di un sonar passivo indica in generale la probabile distanza alla quale questo può scoprire un bersaglio. La portata di scoperta non è un dato certo ma una previsione a carattere probabilistico che dipende dal rumore del mare[42] (sigla inglese per Noise Level)

Il calcolo della portata massima per propagazione sferico-cilindrica per il sonar passivo si ottiene dalla soluzione del seguente sistema di equazioni in :

L'espressione logaritmica per il calcolo della portata di scoperta è mostrata nel sistema[43]:

Assunti i valori delle variabili che compaiono nel sistema con dati reali, escluso, si calcola la curva che mostra come la portata vari da a

Sonar attivo[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svgLo stesso argomento in dettaglio: Sonar attivo.
Scoperta dei bersagli con sonar attivo: il sottomarino a) localizza, con il metodo dell'eco i tre bersagli b), c), d)

Il sonar attivo[29][44] è un localizzatore subacqueo che esegue la ricerca dei bersagli emettendo impulsi acustici ad alto livello per riceverne, come conseguenza, gli echi.

Caratteristiche dei bersagli dedotte dal sonar:

  • Posizione angolare rispetto al Nord[30]
  • Traiettoria
  • Misura della quota
  • Misura della distanza[31]
  • Rilevamento della velocità
  • Altri particolari dati operativi

Sequenza operativa in attivo[modifica | modifica wikitesto]

La sequenza operativa raccoglie tute le funzioni e/o gli eventi che si sviluppano nel sonar attivo e in mare dall'inizio dell'attività di ricerca dei bersagli alla scoperta e visualizzazione delle loro tracce.

  • Nel localizzatore e in mare: Valutazioni delle condizioni ambientali (tracciamento dei raggi acustici e calcoli di previsione della portata)[32]
  • Nel localizzatore: comando per l'emissione degli impulsi acustici[45]
  • Nel localizzatore: generazione degli impulsi elettrici da applicare alla base acustica d'emissione
  • Nel localizzatore e in mare: trasduzione degli impulsi elettrici in acustici con la base d'emissione
  • In mare: i problemi dovuti alla riverberazione a seguito emissione impulso in mare
  • In mare: i bersagli generano gli echi conseguenti all'emissione
  • Nel localizzatore: ricezione degli echi mascherati dalla riverberazione
  • Nel localizzatore: elaborazione dati e visualizzazione delle tracce dei bersagli

Generatore di potenza e base acustica[modifica | modifica wikitesto]

Cofano di un generatore di potenza e base acustica

Il sistema dì generazione degli impulsi acustici di un sonar attivo è, a grandi linee, costituito da un generatore di potenza elettrica e da una base acustica d'emissione.

Il generatore di potenza di un sonar installato su di un sottomarino è in grado di generare impulsi elettrici dell'ordine di decine di migliaia di watt.

La forma, la frequenza all'interno degli impulsi e la durata degli stessi possono variare in un'ampia gamma di valori suggeriti dalle condizioni operative al momento della ricerca dei bersagli.

La base acustica[46] trasduce gli impulsi elettrici del generatore in impulsi acustici che si propagano in mare, inizialmente come onde sferiche.

Modalità d'emissione e livelli[modifica | modifica wikitesto]

L'emissione degli impulsi del sonar può essere comandata in modalità panoramica[47] o in modalità direzionale[48].

Gli impulsi emessi dalla base acustica del sonar hanno, indicativamente, un livello di pressione pari a:[49]

[39]

Ricezione echi dei bersagli[modifica | modifica wikitesto]

Consolle di calcolo e presentazione degli echi

La ricezione dei segnali acustici dovuti agli echi dei bersagli, e la loro visualizzazione, è affidata a un complesso sistema di elaborazione dati governato e interfacciato con la consolle di comando e controllo.

Le molteplici funzioni esplicate dalla consolle sono:

  • Presentazione a cascata dello scenario subacqueo per la funzione attiva, lo schermo video dedicato per tale compito è nella parte alta della consolle.
  • Presentazione in coordinate cartesiane dei diagrammi relativi ai calcoli del percorso dei raggi acustici in mare[35]; lo schermo dedicato è nella parte inferiore della consolle.
  • Presentazione video della funzione BDI[50](in fase di emissione d'impulsi).
  • Misura della velocità dei bersagli passivi mediante analisi dell'effetto Doppler.
  • Comando a mezzo volantino della punteria manuale: presentazione del valore angolare connesso con il rilevamento dei bersagli.
  • Comando[51] per l'emissione impulsiva: omnidirezionale / direttiva / durata impulsi.

La riverberazione dopo l'impulso[modifica | modifica wikitesto]

I fenomeni della riverberazione in mare accompagnano le emissioni acustiche del sonar attivo generate per l'illuminazione impulsiva dei bersagli, sono caratterizzati da tre tipi particolari che si manifestano, sia isolatamente, sia contemporaneamente in dipendenza delle caratteristiche dell'ambiente subacqueo.

Tipologie della riverberazione:

I tre tipi della riverberazione[52][53]:

  • riverberazione di superficie (causata dalla riflessione delle onde acustiche che colpiscono la superficie del mare), tanto più elevata quanto è l'increspatura del mare
  • riverberazione di fondo (causata dalle riflessione delle onde acustiche che colpiscono il fondo del mare), tanto più elevata quando il fondo è roccioso
  • riverberazione di volume (causata dalle riflessione delle particelle disperse in mare e altre cause)

Lo svolgersi del fenomeno:

Lo sviluppo del fenomeno della riverberazione è descrivibile in tre fasi:

  • Prima fase - l'emissione dell'impulso del sonar;
  • Seconda fase - la comparsa di una porzione dell'energia acustica riflessa dall'ambiente che la riverbera; prima giunge la riverberazione del volume d'acqua investito dall'impulso, successivamente le altre;
  • Terza fase - la comparsa dell'eco del bersaglio coperto in parte dalla riverberazione.

Eco e riverberazione[modifica | modifica wikitesto]

Eco di un bersaglio e riverberazione causata dall'impulso del sonar

L'eco del bersaglio, in base alla distanza dal sonar può comparire in mezzo alla riverberazione[54].

In particolari condizioni il rapporto tra eco e riverberazione non consente la rivelazione del bersaglio.

Livello echi dei bersagli)[modifica | modifica wikitesto]

TS in dB: diagramma della forza riflettente di un bersaglio variabile con l'aspetto

Quando un sonar attivo emette impulsi acustici per la ricerca di bersagli subacquei questi riflettono una porzione dell'energia ricevuta sotto forma di eco.

Il rapporto fra l'intensità dell'energia riflessa e l'intensità dell'onda incidente viene indicato come forza del bersaglio: TS (abbreviazione inglese per Target Strength)[55]; il TS è espresso in (decibel).

L'entità del livello dell'eco dipende dalle caratteristiche volumetriche, di forma e di aspetto del bersaglio.

L'importanza dell'ampiezza del nel calcolo delle portata di scoperta[56] di un sonar attivo è sensibile.

Il TS dei sottomarini[modifica | modifica wikitesto]

Il calcolo del per corpi aventi strutture[57] geometriche regolari è stato sviluppato ed è disponibile in apposite tabelle di testi specialistici.

IL calcolo del di strutture irregolari, quali ad esempio un'unità sottomarina dotata di torretta e altro che ne costituiscono l'insieme dello scafo, non è fattibile con precisione; la valutazione del per dette strutture è affidata a rilievi sul campo.

Portata sonar in funzione del TS[modifica | modifica wikitesto]

Portata R in km in funzione del valore di TS in dB

La portata di scoperta di un sonar attivo indica in generale la probabile distanza alla quale questo 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 sferico-cilindrica per la componente attiva si ottiene dalla soluzione del seguente sistema di equazioni in :

Assunti i valori delle variabili che compaiono nel sistema con dati reali, escluso, si calcola la curva che mostra come la portata vari da per variabile da

Valutazioni delle condizioni ambientali[modifica | modifica wikitesto]

Tracciamento raggi acustici:

Uno dei molteplici casi della formazione della zona d'ombra: un bersaglio che si trovasse nella zona grigia non sarebbe scoperto dal sonar di un sottomarino al di fuori di tale zona

Dall'andamento delle traiettorie dei raggi acustici in mare, legate alle variazioni delle temperature dell'acqua, dipendono le capacità di scoperta dei sonar attivi.

Come attività propedeutica alla scoperta dei bersagli con il sonar attivo è necessario il computo e il tracciamento grafico delle traiettorie dei raggi acustici in mare per individuarne le zone d'ombra.

Le diverse situazioni che si possono verificare a seguito dei molteplici andamenti delle traiettorie dei raggi acustici si estendono dall'impossibilità di qualsiasi rilevamento sonar, nelle zone d'ombra, alle capacità di scoperta dei bersagli a distanze eccezionali nei casi di canalizzazione del suono.

Probabili portate di scoperta:

Il calcolo delle portate di scoperta è un dato indicativo delle probabili distanze coperte dal localizzatore attivo.

Il computo dipende da diverse variabili sia caratteristiche fisiche del sonar, sia rilevate o desunte al momento come, ad esempio, il rumore del mare.

Prestazioni[modifica | modifica wikitesto]

Le prestazioni dei sonar si riferiscono alle loro capacità di scoprire i bersagli, fissi od in movimento, in termini di portata di scoperta[58].

Portata di scoperta in passivo[modifica | modifica wikitesto]

La portata di un sonar passivo[59] 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 valutazione di carattere probabilistico.

Validità dei calcoli di portata[modifica | modifica wikitesto]

Tracciato propagazione anomala, in grigio la zona d'ombra. I bersagli che navigano nella zona non possono essere scoperti dal sonar

Le equazioni che regolano la stima della portata hanno valore soltanto se il bersaglio, e/o il sottomarino, non sono in una zona d’ombra.[60][61]

Calcolo della portata in passivo[modifica | modifica wikitesto]

Il calcolo[62] [63] della portata[64] per propagazione sferica per la componente passiva del sonar si ottiene dalla soluzione del sistema trascendente in dove tutte le variabili[65] sono espresse in decibel (dB):

dove:

Prima equazione[modifica | modifica wikitesto]

attenuazione, espressa in (), dipendente da:

  • distanza espressa in
  • coefficiente d'assorbimento del suono in mare in calcolabile con l'espressione: con [66].

L'attenuazione per assorbimento segue la legge di W H Thorp:[67]

Seconda equazione[modifica | modifica wikitesto]

attenuazione, espressa in () , dipendente da:

  • banda delle frequenze di ricezione del sonar in
Curve parametriche dalle quali rilevare il valore di
  • rumore spettrale irradiato dal bersaglio in .

Il valore di dipende dalla velocità stimata del bersaglio e dalla frequenza di ricezione del sonar.

è deducibile da una serie di curve parametriche funzioni della frequenza; i parametri consentono di selezionare la velocità del bersaglio, dalla frequenza si evince il valore del rumore spettrale emesso.

Curve parametriche dalle quali rilevare il valore di
  • rumore spettrale del mare in .[68]

è deducibile da una serie di curve parametriche funzioni della frequenza; i parametri consentono di selezionare lo stato del mare[69], dalla frequenza si evince il valore del rumore spettrale generato dal mare.

Base idrofonica cilindrica
  • guadagno di direttività della base idrofonica ricevente in .

Il valore del guadagno di direttività della base ricevente dipende dalle sue dimensioni e dalla frequenza di lavoro.

Una tra le numerose formule per il calcolo del [70] è data dall'espressione:

Dove le variabili sono:

  • superficie della base in [71]
Curve ROC; esempio per
  • soglia di rivelazione in correlazione in calcolabile secondo l'espressione:

[72][73]

dove:

  • = banda delle frequenze di ricezione del sonar in
  • = parametro probabilistico delle curve ROC[74][75]
  • = costante di tempo di rivelazione dei circuiti di correlazione.

Metodi di calcolo[modifica | modifica wikitesto]

Esistono due metodologie di calcolo della portata:

  • grafica[76], usata nel 1960 per lo studio dei sonar IP60/64 per i sottomarini della Classe Toti
  • risoluzione del sistema trascendente tramite computer

Esempio di calcolo con il metodo grafico[modifica | modifica wikitesto]

In un sistema di assi cartesiani con ascisse e ordinate si tracciano:

  • la curva relativa alla prima equazione del sistema trascendente
  • la curva della seconda equazione

l'ascissa de loro punto d'intersezione, in , risolve il problema.

Soluzione grafica: la curva blu rappresenta la prima equazione del sistema; la curva rossa rappresenta la seconda equazione del sistema. L'ascissa del punto d'intersezione delle due curve indica la portata calcolata, nell'esempio:

Significativa la soluzione grafica del sistema trascendente che rende assunte le variabili:

  • (banda del ricevitore sonar)
  • (frequenza madia geometrica della banda)
  • (coefficiente d'attenuazione per assorbimento per )
  • (livello di rumore emesso da un cacciatorpediniere a
  • (livello del rumore del mare allo stato
  • (guadagno della base ricevente per a )
  • (soglia di rivelazione calcolata con i seguenti valori:

).

Il parametro presuppone: [77]

Il valore calcolato di è affetto dall'incertezza, dovuta al valore , che il bersaglio potrà essere scoperto soltanto per il del tempo d'osservazione, con la segnalazione del di false scoperte.

Portate di scoperta in attivo[modifica | modifica wikitesto]

La portata in attivo[59] indica in generale la probabile distanza alla quale un sonar può scoprire un bersaglio con il metodo dell'eco. La portata di scoperta non è un dato certo ma una valutazione di carattere probabilistico.

Validità dei calcoli di portata[modifica | modifica wikitesto]

Tracciato propagazione anomala, in grigio la zona d'ombra. I bersagli che navigano nella zona non possono essere scoperti dal sonar

Le equazioni che regolano la stima della portata del sonar attivo hanno valore soltanto se il bersaglio, e/o il sottomarino, non sono in una zona d’ombra.[60][61]

Eco e riverberazione[modifica | modifica wikitesto]

Eco di un bersaglio e riverberazione causata dall'impulso del sonar

Nel calcolo della portata di scoperta di un sonar attivo, se a scopo illustrativo, non si tiene conto del fenomeno della riverberazione che, alcune volte, può ostacolare la scoperta dei bersagli con il metodo dell'eco.

L'eco del bersaglio, in base alla distanza dal sonar, può comparire in mezzo alla riverberazione[54].

Calcolo della portata in attivo[modifica | modifica wikitesto]

Il calcolo[62] [78] della portata[64] per propagazione sferica per la componente attiva del sonar si ottiene dalla soluzione del sistema trascendente in dove tutte le variabili[79]

sono espresse in decibel (dB):

dove:

Prima equazione[modifica | modifica wikitesto]

attenuazione, espressa in (), dipendente da:

  • distanza espressa in
  • coefficiente d'assorbimento del suono in mare in calcolabile con l'espressione: con [80].

L'attenuazione per assorbimento segue la legge di W H Thorp:[67]

Seconda equazione[modifica | modifica wikitesto]

attenuazione, espressa in () , dipendente da:

  • banda delle frequenze di ricezione del sonar in
  • Livello di pressione dell'impulso emesso dal sonar .

Il valore di dipende dalla potenza acustica dell'impulso emesso in mare dal sonar.

dipende dalle dimensioni e dalla forma del bersaglio, deducibile da una serie di dati tabellari ricavati sperimentalmente.

Curve parametriche dalle quali rilevare il valore di
  • rumore spettrale del mare in .[81]

è deducibile da una serie di curve parametriche funzioni della frequenza; i parametri consentono di selezionare lo stato del mare[69], dalla frequenza si evince il valore del rumore spettrale generato dal mare.

Base idrofonica cilindrica
  • guadagno di direttività della base idrofonica ricevente in .

Il valore del guadagno di direttività della base ricevente dipende dalle sue dimensioni e dalla frequenza di lavoro.

Una tra le numerose formule per il calcolo del [70] è data dall'espressione:

Dove le variabili sono:

  • superficie della base in [71]
Curve ROC; esempio per
  • soglia di rivelazione in correlazione in calcolabile secondo l'espressione:

[72][73]

dove:

  • = banda delle frequenze di ricezione del sonar in
  • = parametro probabilistico delle curve ROC[74][75]
  • = durata dell'impulso emesso dal sonar in .

Metodi di calcolo[modifica | modifica wikitesto]

Esistono due metodologie di calcolo della portata:

  • grafica[76], usata nel 1960 per lo studio dei sonar IP60/64 per i sottomarini della Classe Toti
  • Risoluzione del sistema trascendente tramite computer

Esempio di calcolo con il metodo grafico[modifica | modifica wikitesto]

In un sistema di assi cartesiani con ascisse e ordinate si tracciano:

  • la curva relativa alla prima equazione del sistema trascendente
  • la curva della seconda equazione

l'ascissa de loro punto d'intersezione, in , risolve il problema.

Soluzione grafica: la curva blu rappresenta la prima equazione del sistema; la curva rossa rappresenta la seconda equazione del sistema. L'ascissa del punto d'intersezione delle due curve indica la portata calcolata

Calcolo della portata di scoperta di un sonar attivo per le variabili:

  • Frequenza di emissione
  • Banda di ricezione. [82]
  • Livello di emissione impulso
  • Livello del rumore del mare per forza  :
  • Guadagno della base acustica
  • Durata impulso d’emissione
  • Parametro probabilistico
  • Soglia di rivelazione
  • Forza del bersaglio[83]

Il valore numerico della portata stimata risultante dal processo grafico è: .

Il valore calcolato di è affetto dall'incertezza, dovuta al valore , che il bersaglio potrà essere scoperto soltanto per il del tempo d'osservazione, con la segnalazione del di false scoperte.

Rumore dei bersagli, del mare e forza del bersaglio[modifica | modifica wikitesto]

Le portate di scoperta del sonar sono subordinate dai rumori generati dai bersagli, dal rumore del mare, dall'ampiezza dell'eco (La forza del bersaglio):

  • i rumori generati dai bersagli navali a seguito delle loro attività sono utilizzati dalle componenti passive del sonar per la loro localizzazione.
  • gli echi dei bersagli[84] illuminati dagli impulsi del sonar sono utilizzati dalle componenti attive del sonar.
  • Il rumore del mare penalizza sempre la localizzazione sonar, da questo e da altri fattori concomitanti.

Il rumore dei bersagli[modifica | modifica wikitesto]

Il rumore dei bersagli è caratterizzato dalle emissioni di onde acustiche in mare da parte dei semoventi.

Il fenomeno interessa il calcolo delle portate del sonar al pari del rumore del mare ma in senso opposto; il rumore del mare elevato ostacola la scoperta dei bersagli, il rumore emesso dalle navi è indispensabile per la loro scoperta.

Caratteristiche del rumore irradiato dalle navi[modifica | modifica wikitesto]

Diagramma polare del rumore emesso da una nave

La distribuzione del rumore attorno alla nave è raffigurata con un particolare tracciato in coordinate polari detto a farfalla

Le cause che provocano il rumore delle navi dipendono dai fenomeni sotto elencati:

  • Cavitazione delle eliche
  • Cavitazione dello scafo
  • Eliche cantanti
  • Assi eliche non equilibrati
  • Motori principali ed ausiliari

Rumore delle navi dipendente dalla velocità di navigazione[modifica | modifica wikitesto]

Curve del rumore di un cacciatorpediniere della II^ guerra mondiale

Diagrammi del rumore emesso da un Cacciatorpediniere[85]

Le curve, in coordinate cartesiane, indicano come varia la pressione acustica generata dalla nave in funzione dei due parametri fondamentali che caratterizzano la fisica del fenomeno:

  • - parametro 1 - La pressione acustica generata dipende dalla velocità del semovente
  • - parametro 2 - La pressione acustica generata dipende dalla frequenza secondo l'andamento di quattro rette in dipendenza del valore della velocità della nave.

Le ascisse, in scala logaritmica a decadi, il campo delle frequenze generate dal semovente in un intervallo di valori che si estende da a .

Le ordinate, in scala lineare, indicano i livelli di pressione acustica del rumore espressi in [86], in un intervallo esteso da a con divisioni da .

La pendenza delle rette di indica come alle frequenza più basse il livello del rumore della nave sia molto più elevato che alle frequenze alte.

Ciascun segmento di retta, per le diverse velocità della nave, è calcolabile dalla seguente espressione approssimata[87]:

dove:

frequenza in kHz

dipende dalla velocità della nave i nodi () secondo la tabella:

Kn 10 15 20 25
k 127.5 138 145.4 151.4

Utilizzo del diagramma[modifica | modifica wikitesto]

Computo di previsione del rumore di una nave con l'assunzione di tre variabili:

1 –velocità della nave in nodi, ( ) ( )

2 - frequenza centrale della banda da valutare ()

3 - banda di frequenza entro la quale si valuta il rumore della nave ( )

Per la velocità di -retta verde- ed , abbiamo:

livello di pressione pari a

L'utilizzo del dato calcolato consente di quantizzare il livello effettivo della pressione di rumore nella banda sopra definita di .

Il rumore del mare[modifica | modifica wikitesto]

Onda nel mare

Il rumore del mare è un suono caratterizzato da un insieme di vibrazioni acustiche nell'acqua distribuite in un'ampia gamma di frequenze con ampiezze non uniformi, similmente al rumore rosa, dipendenti da alcune variabili fisiche.[88]

Il fenomeno è stato studiato da Vern Oliver Knudsen[40], nel contesto di una campagna sperimentale molto lunga, allo scopo di valutare l'entità delle perturbazioni acustiche in mare[42][89] che ostacolano la scoperta dei bersagli con il sonar; gli studi sono stati pubblicati nel 1944.

Lo stato del mare[modifica | modifica wikitesto]

Per valutare il livello di rumore del mare è necessario stabilirne lo stato[90]: variabile che si definisce secondo una specifica scala di sei valori relativi all'ampiezza delle onde in dipendenza della forza del vento.

Allo stato del mare, indicato in inglese con la sigla SS (Sea State) per sei valori crescenti, corrisponde, con notevoli tolleranze, l'ampiezza delle onde del mare espresse in metri: H(m).

Tabella per la valutazione del SS
SS 0 1/2 1 2 4 6
H(m) 0 - 0,3 - 0,3 - 0,6 0,6 - 0,9 1,5 - 2,4 6 - 12

Unità di misura[modifica | modifica wikitesto]

Il rumore del mare è valutabile con l'assunzione di due unità di misura: ampiezza e frequenza.

L'ampiezza del rumore del mare, indicata in inglese con la sigla NL (Noise Level), si riferisce alla pressione acustica generata dalla forza del mare espressa in . (dB = decibel).

Il rumore del mare si presenta con un numero elevato di vibrazioni acustiche ciascuna individuata da un valore di frequenza f.

Lo spettro in frequenza del rumore del mare non è uniforme ma varia con essa in modo simile al rumore rosa.

Misura del livello[modifica | modifica wikitesto]

Sensore idrofonico calibrato

La misura del livello del rumore del mare si esegue con adatti sensori idrofonici calibrati[91] filati in mare da un natante opportunamente attrezzato.[92]

Le tensioni fornite dal sensore idrofonico colpito dal rumore del mare sono misurate da idonea attrezzatura di laboratorio.

Dal valore misurato di , sulla base delle caratteristiche di sensibilità dell'idrofono, si risale a calcolo al valore cercato di .

Legge di variazione[modifica | modifica wikitesto]

Il rumore del mare, NL, è variabile in ampiezza in funzione della frequenza e dello stato del mare secondo l'espressione approssimata: .[93]

Determinazione di k
SS 0 1/2 1 2 4 6
k 44 50 55 62 66 71

Curve parametriche[modifica | modifica wikitesto]

Curve parametriche dello stato del mare

Si devono a Knudsen le curve parametriche che mostrano l'andamento dell'ampiezza di NL in funzione della frequenza e dello stato del mare SS.

L'analisi del fenomeno vede un diagramma logaritmico lineare[94] che ha in ascisse la frequenza che si estende da e per ciascuno dei sei parametri SS il livello di NL in da .

La pendenza delle curve è di .

Condizioni limite[modifica | modifica wikitesto]

Se lo stato del mare è , condizione di calma piatta, il rumore del mare è dovuto prevalentemente alla temperatura dell'acqua che provoca l'agitazione delle molecole del mezzo; questo particolare rumore è definito con la dizione inglese Thermal Noise.[95]

Aspetto delle tensioni[modifica | modifica wikitesto]

Le tensioni che si generano all'uscita del sensore idrofonico, viste su oscilloscopio, hanno un aspetto simile al rumore bianco.

Con un analizzatore di spettro le mostrano un andamento in funzione della frequenza simile a quello del rumore rosa.

Il rumore e i bersagli[modifica | modifica wikitesto]

Nelle fasi di scoperta bersagli con il sonar il rumore del mare può coprire i segnali generati da questi[96][97] impedendone di fatto la localizzazione.

Un bersaglio molto lontano, in condizioni di rumore di mare calmo,[98] ad esempio può ancora essere scoperto con il sonar.

Se il rumore del mare fosse ad esempio la traccia del bersaglio scomparirebbe in mezzo al rumore.

Per la scoperta dei bersagli in condizioni di elevati disturbi si applicano particolari tecniche di elaborazione dei segnali che consentono di scoprire più facilmente i semoventi.

Impiego dei dati[modifica | modifica wikitesto]

Caso d'esempio -valori veri-

Il computo di NL è di fondamentale importanza nel calcolo delle portate di scoperta del sonar, con l'inserzione di NL nelle equazioni di previsione si possono stabilire le probabili distanze di localizzazione dei bersagli.

Con l'incremento di NL si ha un corrispondente decremento della portata di scoperta R.

La forza dei bersagli[modifica | modifica wikitesto]

La forza dei bersagli nella scoperta sonar attiva è l'entità della riflessione dei corpi immersi in mare a seguito della loro intercettazione di impulsi acustici.

TS: Diagramma polare indicativo della forza riflettente di un semovente navale

Le caratteristiche di riflessione di un semovente sono tracciabili in coordinate polari, il diagramma indica come varia l'ampiezza, espressa in (deciBel), della riflessione in funzione dell'angolo di incidenza del suono; maggiore è la superficie illuminata del semovente maggiore è la forza del bersaglio[99].

Forza del bersaglio[modifica | modifica wikitesto]

Quando un sonar attivo emette impulsi acustici per la ricerca di bersagli subacquei, questi riflettono una porzione dell’energia ricevuta sotto forma di eco; per forza del bersaglio[100] s'intende il valore, espresso in (deciBel), del rapporto fra l’intensità dell’energia riflessa e l’intensità dell’onda incidente.

La forza del bersaglio viene definita comunemente dal termine (Sigla inglese per Target Strength)[101].

L'importanza dell'ampiezza del nel calcolo delle portata di scoperta di un sonar attivo è sensibile: In un caso d'esempio la portata di scoperta del sonar si riduce da se varia da .

Il calcolo del per corpi aventi strutture[57] geometriche regolari è stato sviluppato ed è disponibile in apposite tabelle per Target Strength di altre forme regolari[102].

Il calcolo del di strutture non regolari, quali ad esempio un’unità sottomarina dotata di torretta ed altro che ne costituiscono l’insieme dello scafo, non è fattibile con precisione; la valutazione del per dette strutture è affidata a rilievi sul campo.

TS di forme regolari[modifica | modifica wikitesto]

TS di una sfera:

La sfera è il bersaglio acustico che, a parità di superficie di sezione con altri solidi, rende verso il sonar che lo ha illuminato l’eco più debole.

La sfera illuminata dall'impulso lo riflette, oltre che verso la sorgente sonora, anche verso tutte le altre direzioni dato che, in ciascun punto della superficie curva, l’angolo che forma il raggio incidente è uguale all’ angolo del raggio riflesso, che pertanto si allontana angolarmente dalla direzione di provenienza dell’impulso.

L’espressione per il calcolo del di una sfera di grandi dimensioni è la più semplice tra tutte le formule di calcolo per i bersagli di forma regolare.

dove è il raggio della sfera

Formula valida sotto le condizioni:

Dove:

è la distanza della sfera dalla sorgente

velocità del suono in mare

frequenza dell’impulso acustico

TS di un cilindro:

Espressione per il calcolo del di un cilindro di grandi dimensioni; l’impulso acustico lo colpisce in direzione perpendicolare all'asse:

Dove:

è il raggio

è la lunghezza

velocità del suono in mare:

frequenza dell’impulso acustico

devono sussistere le seguenti due condizioni:

; dove è la distanza del cilindro dalla sorgente.

TS di una struttura irregolare[modifica | modifica wikitesto]

Sottomarino classe Sauro in disarmo utilizzato per misure sul (forza del bersaglio)

Per la misura del TS nel caso di una struttura irregolare, come può esserlo un sottomarino, non sono disponibili algoritmi di carattere generale, i valori della forza del bersaglio devono essere valutati sperimentalmente sul campo. La procedura di misura sperimentale deve avere il conforto che la metodologia impiegata sia corretta, validata con strutture regolari in vasca anecoica.

Procedura di misura[modifica | modifica wikitesto]

Tabella dati delle misure in vasca del di una sfera con r = 0.5 m

1ª Fase: validazione del metodo in vasca anecoica.

  • Calcolo del di una piccola sfera[103]
  • Misura del TS della sfera in vasca anecoica[104]
  • Confronto tra calcolato e misurato[105]
  • Stesura tabella riassuntiva dei dati calcolati e misurati:[106]

2ª Fase: misure in mare.

Tabella relativa alle misure in mare su sottomarino in disarmo
  • Rilievo dati sul campo[107]
  • Elaborazione dati[108]
  • Stesura tabella riassuntiva dei dati misurati e calcolo del :

Dalla serie di misure in mare emerge un valore del del sottomarino variabile da .

La dispersione dei valori è dovuta, sia alla difficoltà dei rilievi acustici in ambiente non controllato[109], sia alle diverse frequenze dell'impulso.[110].

Precisione di rilevamento angolare[modifica | modifica wikitesto]

I sonar sono in grado di rilevare la posizione angolare di un bersaglio grazie alle caratteristiche di direttività e discriminazione angolare realizzate con le proprie basi idrofoniche identificate come:

  • sistemi direttivi subacquei
  • discriminazione angolare nella scoperta sonar

Sistemi direttivi subacquei[modifica | modifica wikitesto]

Un sistema direttivo subacqueo è parte essenziale di un sonar ed è indispensabile nella scoperta dei bersagli[11], ha il compito di ricevere le onde acustiche emesse dai semoventi marini per trasformarle in deboli tensioni elettriche emergenti[111] dalle tensioni dovute al rumore presente in mare; l'abbattimento delle tensioni dovute al rumore del mare rispetto alle tensioni dovute ai bersagli può essere, indicativamente ad esempio, nel rapporto lineare:

Il rapporto rappresenta il guadagno del sistema direttivo[112], detto anche guadagno di cortina.

I sistemi direttivi nei sottomarini[modifica | modifica wikitesto]

Generalmente un sistema direttivo subacqueo è costituito da un insieme di sensori (Idrofoni)[113] disposti opportunamente nello scafo di un sottomarino come componente primaria del sonar installato sul battello.

I sistemi direttivi subacquei sono indispensabili nella localizzazione dei bersagli individuati dal sonar.

L'insieme dei sensori fissati sullo scafo resistente sono indicati come base idrofonica.[114]

Prospetto di una base idrofonica conforme

Se i sensori sono disposti a babordo, a tribordo e a prua del sottomarino, questa geometria convessa è denominata base conforme.

I sensori per la base idrofonica sono più propriamente indicati come stecche idrofoniche[115][116],

Stecca idrofonica

Le dimensioni della base conforme evidenziano la notevole differenza tra la lunghezza, dipendente dal numero delle stecche idrofoniche e l'altezza della stesse, ciò porta ad un sistema direttivo subacqueo più efficiente nel piano orizzontale che nel piano verticale.

Il sistema direttivo subacqueo rappresenta il mezzo con il quale si captano le onde acustiche emesse dai bersagli[25] riducendo, nel contempo, il rumore presente nell'ambiente; tutto ciò allo scopo di localizzare i bersagli stessi.

Compito preminente della base è il ricevere la maggior quantità possibile di energia sonora, proveniente dai bersagli, energia indicata come segnale, riducendo al minimo la ricezione del disturbo[117][118] presente nell'ambiente subacqueo.

La riduzione del rumore deve essere fatta prevalentemente a livello acustico perché, una volta tradotte le pressioni acustiche in corrispondenti tensioni elettriche, risulta molto difficile eliminare i disturbi che inquinano il segnale.

La caratteristica di direttività[modifica | modifica wikitesto]

La caratteristica di direttività di un sistema acustico subacqueo 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, ad esempio, e diminuisce molto rapidamente con il variare di 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[119].

La direttività nel piano verticale[modifica | modifica wikitesto]

Geometria nel piano verticale di tre semoventi; un sottomarino vede i bersagli secondo gli angoli oltre i quali, nella zona oscurata, riceve soltanto il rumore.

Consideriamo un sottomarino e due bersagli, il primo dotato di sonar e base idrofonica in immersione a di profondità, con un fondale distante da esso altri ; i bersagli siano posti, uno in superficie, l'altro sul fondo, entrambi alla distanza di dal sottomarino, gli angoli formati dalle congiungenti bersagli-sottomarino, con l'asse della base idrofonica, risultano di circa , per distanze maggiori tra bersaglio e sottomarino gli angoli diventano ancora più piccoli.

La base idrofonica del sottomarino per ricevere il segnale nel piano verticale utilizza soltanto un angolo di circa , ( verso l'alto e verso il basso) la restante parte del piano, oltre i non serve ai fini della localizzazione.

Di qui l'esigenza di rendere la base sensibile soltanto in un piccolo settore verticale, in modo da evitare che essa capti il disturbo ambiente in quella parte di piano che non interessa la ricezione dei segnali.

Il problema è parzialmente[120] risolvibile utilizzando, come elementi sensibili della base, dei gruppi di idrofoni elementari sistemati in strutture rettilinee verticali dette stecche idrofoniche, con esse si realizzano buoni sistemi direttivi subacquei.

La direttività nel piano orizzontale[modifica | modifica wikitesto]

Il lobo di direttività e il rumore

Un sottomarino che si appresti alla scoperta di un bersaglio con il sonar, grazie al sistema direttivo subacqueo, è in grado di individuarlo anche se il rumore presente in mare tende a coprire i segnali acustici emessi dal semovente.

Il sistema direttivo consente la formazione di una sensibilità di ricezione indirizzata nei soli confronti dei segnali del bersaglio in una zona di mare privilegiata nella quale il rumore esterno ad essa viene ridotto d'ampiezza secondo l'andamento della curva caratteristica detta di direttività.

L'andamento delle curve di direttività può essere computato e tracciato o in coordinate cartesiane o coordinate polari.

Le prime sono impiegate nelle fasi di studio dei sistemi direttivi, le seconde sono adatte alle osservazioni di carattere operativo perché rispettano le geometrie sul campo.

Un algoritmo particolare, utile per monitorare le accostate dei bersagli, consente di trasformare la caratteristica di direttività in modo che questa invece del massimo presenti uno zero.

Strutture di un sistema direttivo subacqueo[modifica | modifica wikitesto]

La composizione di un sistema acustico ricevente disposto secondo il profilo dello scafo di un sottomarino è indicato come base conforme.

La disposizione della base conforme nel contesto dell'unità subacquea risulta montata sotto il falso scafo[121][24] e fissata allo scafo resistente[122].

La base conforme riceve ottimamente le onde acustiche dato che la porzione del falso scafo, che copre le stecche idrofoniche, è trasparente al suono; questa particolare copertura è indicata come finestra acustica.

Lo scafo resistente del sottomarino dove sono fissate le stecche idrofoniche è ricoperto di materiale assorbente al suono che evita i rimbalzi delle onde acustiche da parte dello scafo, scherma inoltre le stecche per evitare che queste possano ricevere suono dalla parte posteriore del loro schieramento.

In alcuni casi la schermatura risulta insufficiente è la base idrofonica riceve segnali acustici, molto attenuati, anche dal fronte opposto al suo schieramento.

La ricezione di onde acustiche dal retro della base idrofonica, anche se molto attenuate, può portare a rilevamenti ambigui da parte del sonar.

Direttività e stecche idrofoniche[modifica | modifica wikitesto]

Quando un sistema direttivo viene colpito dal segnale emesso da un bersaglio la capacità di discriminarlo dal rumore è dipendente dal numero di stecche idrofoniche le lo compongono. Se il sistema direttivo fosse dotato di sole due stecche la direttività sarebbe praticamente nulla, questo riceverebbe in egual modo il rumore del mare su quasi 180°. Se si raddoppiassero il numero delle stecche si avrebbe una irrilevante riduzione del rumore.

Per iniziare ad avere un vantaggio del sistema direttivo sul rumore il numero delle stecche deve essere di 16 o più unità[124].

La direttività non cancella completamente il rumore del mare dato che questo, nella direzione del bersaglio, è sempre presente anche se a basso livello.

I diagrammi di direttività[125] che definiscono la direttività della base, sono tracciati nel piano orizzontale.

Lobo di direttività in 3D

I grafici rappresentano di fatto una sezione in tale piano.

La direttività del sistema è di fatto è un solido che si sviluppa nello spazio subacqueo.

Risoluzione angolare[modifica | modifica wikitesto]

Risoluzione angolare tra due bersagli: a; b

La risoluzione angolare nella scoperta sonar indica la capacità del sistema elettroacustico di rilevamento di distinguere la posizione angolare di due bersagli molto vicini tra loro.

Per due bersagli alla stessa distanza dal sonar quanto più saranno vicini angolarmente tanto più il localizzatore per discriminarli l'uno dall'altro, dovrà avere un alto potere di risoluzione.

Lo studio della risoluzione angolare si basa sull'elaborazione matematica della caratteristica di direttività[126] di una base idrofonica oggetto d'indagine.

Caratteristica di direttività[modifica | modifica wikitesto]

Caratteristica di direttività[127]

La caratteristica di direttività[128] di un apparato sonar indica come varia la sensibilità di ricezione con il variare della direzione di provenienza dell'onda sonora generata da un bersaglio.

Se la sensibilità è la massima possibile in una direzione, ° ad esempio, e diminuisce molto rapidamente con il variare di si dice che la base ricevente ha una buona direttività.

La direttività di un gruppo di sensori (Idrofoni) ottenuta sommando i contributi di tensione generati dai singoli idrofoni opportunamente ritardati[129], è governata da leggi matematiche che consentono di calcolare l'andamento della loro somma in funzione di diverse variabili.

Uno degli algoritmi disponibili per lo studio delle caratteristiche di direttività di una base idrofonica rettilinea in banda di frequenze è indicato con una funzione [130]:

L'algoritmo[131], di notevole complessità, non si presta alle elaborazioni matematiche necessarie per lo studio della risoluzione angolare; un algoritmo più semplice è disponibile ed in grado di approssimarsi al meglio all'andamento dell'algoritmo della funzione almeno nella zona di massimo livello.

Convenzione tecnica[modifica | modifica wikitesto]

Intersezione tra due curve di direttività la cui risoluzione angolare è ritenuta possibile

Per convezione la risoluzione angolare tra due bersagli si ritiene possibile quando le due curve di direttività , relative al rilevamento di questi, s'intersecano ad un livello (decibel)[132] rispetto al massimo delle ampiezze.

In altri termini; la risoluzione angolare è identificabile con la larghezza del lobo di direttività a .

Algoritmo semplificato[modifica | modifica wikitesto]

Curva modello tracciata per: ; °

L'algoritmo semplificato[133], che sostituisce la caratteristica di direttività , è una funzione espressa con l'esponenziale facilmente manipolabile per via algebrica una volta definite le variabili:

  • Coefficiente [134]
  • Direzione di puntamento in scisse.
  • Direzione del massimo
  • Ampiezza normalizzata in ordinate.
  • Larghezza del lobo di direttività misurata a

Curve distintive di due bersagli[modifica | modifica wikitesto]

Intersezione tra due curve di direttività secondo l'esponenziale modello

Un sonar che nella ricerca dei bersagli ne trovasse due di pari livello di pressione acustica, disposti rispettivamente per ° e ° vedrebbe, secondo l'algoritmo semplificato, l'intersezione tra due curve di direttività di tipo .

Le curve mostrerebbero:

  • Il primo bersaglio per rilevamento °
  • Il secondo bersaglio per rilevamento °
  • L'intersecarsi, sul fascio °, ad un livello di circa rispetto ai loro massimi; valore inferiore ai .
  • La possibilità, secondo la convenzione, della discriminazione angolare tra i bersagli per ° e °

Ampiezza punto d'intersezione[modifica | modifica wikitesto]

S3: Funzione somma

L'ampiezza della somma delle due curve nel loro punto d'inserzione, dato base per la valutazione della potere di risoluzione del sonar, si calcola secondo l'algoritmo semplificato, ad esempio, per:

  • Coefficiente
  • Funzione esponenziale, , per il fascio a
  • Funzione esponenziale, , per il fascio a
  • Calcolo della funzione somma tra e [135]: per evidenziare l’andamento del livello in particolar modo per la direzione intermedia

=

Nell'esempio l'andamento di evidenzia per °[136] un'ampiezza di ed una sella conseguente

La sella, sufficientemente ampia, indica il decremento d'ampiezza tra un fascio e il fascio adiacente e concretizza la possibilità di (risolvere) la posizione angolare tra i due bersagli.

Se la sella fosse molto più piccola[137] sarebbe difficile la risoluzione angolare tra i due bersagli.

Secondo il processo di calcolo illustrato, dimensionando opportunamente il coefficiente , si possono studiare le caratteristiche di risoluzione più idonee sulla base delle necessità di progetto.

Bersagli con diverso livello acustico[modifica | modifica wikitesto]

A sinistra i tracciati di che s'intersecano al livello , a destra il tracciato di

Se i due bersagli da risolvere angolarmente non generano la stessa pressione acustica[138] sulla base ricevente del sonar la curva S3, somma tra i fasci, si deforma con un deterioramento progressivo della capacità di risoluzione del sonar tanto più marcato quanto aumenta la differenza dei due livelli di pressione.

Per avere un'idea del fenomeno supponiamo, con i dati visti in precedenza, che i livelli di pressione acustica ricevuti dalla base del sonar siano nel rapporto:

Questa nuova condizione, con , porta il punto d'intersezione delle due curve ad un livello di e di conseguenza una deformazione della sella, praticamente irrilevante, con evidente difficoltà di risoluzione.

Processi di calcolo automatico[modifica | modifica wikitesto]

.

Calcolatore dei parametri acustici del sonar (il SONARMATH)[modifica | modifica wikitesto]

Il SONARMATH è un programma di calcolo dei parametri acustici del sonar.

Lo studio dei parametri acustici di un sonar è propedeutico alle fasi di progettazione quali:

  • Progetto basi elettroacustiche (sistemi di trasduttori).
  • Progetto componenti elettroniche (sistemi di elaborazione segnali e gruppi accessori).

I calcoli dei parametri acustici che venivano fatti, nel lontano 1960, utilizzando strumenti quali la "Pascalina" (calcolatore meccanico a rotazione manuale), regolo calcolatore a stecca, tecnigrafo (per l'esecuzione delle sommatorie di vettori necessarie per il calcolo della direttività delle basi idrofoniche) e l'indispensabile volume "Handbook of Mathematical Functions", con un pesante impegno di tempo, sono oggi rapidamente fattibili con il SONARMATH senza la necessità dello sviluppo di algoritmi non sempre facilmente manipolabili.

Pagina indice[modifica | modifica wikitesto]

Il SONARMATH è un file eseguibile che, una volta lanciato, presenta la pagina indice come in figura:

Pagina indice

Pagina di selezione funzioni di calcolo[modifica | modifica wikitesto]

Cliccando sul logo celeste della pagina indice si apre la seguente PAGINA DI SELEZIONE:

Selettore delle funzioni

Le funzioni di calcolo secondo la Raytehon[139] sono nell'ordine:

  • Livello spettrale del rumore del mare in funzione della frequenza e dello stato dell'ambiente
  • Livello spettrale del rumore emesso da un C.T. in funzione della frequenza e della velocità del mezzo
  • Livello dell'attenuazione per propagazione in funzione della frequenza e della distanza
  • Caratteristica di direttività e guadagno di un trasduttore circolare in funzione della frequenza e del diametro
  • Caratteristica di direttività e guadagno di una base lineare in funzione della frequenza e della lunghezza
  • Valutazione dell'effetto Doppler in funzione della frequenza e della velocità del mezzo
  • Distanza di un bersaglio mediante riflessione dal fondo in funzione dell'angolo di depressione e della profondità
  • Guadagno di direttività di una sorgente rettangolare/quadrata in funzione della frequenza e delle dimensioni
  • Portata di scoperta di un sonar passivo in funzione di: (Banda-SL-NL-DI-RC-d-Propag.)
  • Portata di scoperta di un sonar attivo in funzione di: (Ftx-BWrx-SL-TS-NL-DI-ti-d-Propag.)

Il file eseguibile è scaricabile su: WikiSonarmath OPPURE SONARMATH[140]

Per consentire più agevole uso del SONARMATH sono riportati di seguito una serie di esercitazioni di calcolo completamente sviluppati.

Esercitazioni con Sonarmath[modifica | modifica wikitesto]

1^ -Sul rumore del mare[modifica | modifica wikitesto]

A seguito scelta della funzione di calcolo voluta:

Calcolo del livello spettrale del rumore del mare :

Si debba calcolare il rumore del mare nelle seguenti condizioni:

  • Frequenza operativa
  • Stato del mare

Il valore di si digita, in , nell'apposita casella.

Per inserire lo stato del mare si deve cliccare sul cursore della finestra "Stato del mare" e selezionare il valore; nel nostro caso

Cliccando su "Calcolo" nella finestra a fianco compare il livello calcolato di rumore spettrale

Si deve osservare che i valori di non possono essere scelti al di fuori dei dati della lista. Per valutare con approssimazione un valore non in lista si deve cliccare "Grafici" ottenendo una nuova schermata con i grafici a colori dei stati del mare predefiniti, tra i quali poter valutare il valore di più vicino al dato di fuori tabella.

I valori dei grafici sono estrapolati dal regolo "Sonar Performance Calculator" della Raytheon.

Una osservazione deve essere doverosamente fatta: I valori di sono orientativi e non richiedono pertanto calcoli di precisione.

Le due schermate di lavoro sono mostrate nelle due figure seguenti:

Pagina impostazione dati e indicazione del risultato numerico del calcolo
Pagina dei valori calcolati riportati in grafico. [Funzione NL=f(f) parametrica in SS]
2^ -Il livello di rumore di una nave[modifica | modifica wikitesto]

A seguito scelta della funzione di calcolo voluta:

Calcolo del livello spettrale del rumore irradiato da un cacciatorpediniere (CT).

Si debba calcolare il rumore del CT nelle seguenti condizioni:

  • Frequenza operativa
  • Velocità CT:

Il valore di si digita, in , nell'apposita casella.

Per inserire la velocità del CT si deve cliccare sul cursore della finestra "Velocità del CT" e selezionare il valore; nel nostro caso

Cliccando su "Calcolo" nella finestra a fianco compare il livello calcolato di rumore spettrale

Si deve osservare che i valori di SS non possono essere scelti al di fuori dei dati della lista.

Per valutare con approssimazione un valore non in lista si deve cliccare "Grafici" ottenendo una nuova schermata con i grafici a colori del per valori di velocità predefiniti, tra i quali poter valutare il valore di più vicino al dato di fuori tabella.

I valori dei grafici sono estrapolati dal regolo "Sonar Performance Calculator" della Raytheon.

Due osservazioni deve essere doverosamente fatte

  • I valori di sono orientativi e non richiedono pertanto calcoli di precisione.
  • I livelli di rumore emessi dal CT son relativi ad unità operative negli anni 40-45.

Le due schermate di lavoro sono mostrate nelle figure a seguire:

Pagina impostazione dati e indicazione del risultato numerico del calcolo
Pagina dei valori calcolati riportati in grafico. [Funzione SL=f(f) parametrica in kn]
3^ L'attenuazione del suono in mare[modifica | modifica wikitesto]

A seguito scelta della funzione di calcolo voluta:

Calcolo dell'attenuazione del suono per propagazione.

Si debba calcolare l'attenuazione del suono nelle seguenti condizioni:

  • Frequenza operativa
  • Distanza dalla sorgente
  • Tipo di propagazione: Sferica

Il valore di si digita nell'apposita casella, così il valore della distanza

Per inserire il tipo di propagazione si deve cliccare sul cursore della finestra e selezionare "Sferica"

Cliccando su "Calcolo" nelle finestre a destra compaiono sia il valore di dovuto alla divergenza: , sia l'attenuazione dovuta all'assorbimento

L'attenuazione che dovrà essere considerata per le fasi di progettazione sarà la somma dei due valori ; questi valori sono per unico percorso.

Ricordare che in questo tipo di computazioni le frazioni di deciBel non vengono considerate ai fini progettuali. Cliccando successivamente su "grafici" si possono osservare le curve generali di attenuazione teoriche:

  • per propagazione sferica ,in rosso
  • per propagazione sferico/cilindrica, in blu
  • per assorbimento,in nero

Le due schermate di lavoro sono mostrate nelle figure:

Pagina impostazione dati e indicazione dei risultati numerici dei calcoli
Pagina dei valori calcolati riportati in grafico. [Funzioni: TL=f(R) ; alfa = f( f )]
4^ -Direttività di un trasduttore circolare[modifica | modifica wikitesto]

A seguito scelta della funzione di calcolo voluta:

Calcolo della direttività di un trasduttore circolare.

Si debba calcolare la direttività di un trasduttore circolare con le seguenti caratteristiche:

  • Frequenza operativa
  • Diametro

Il valore di si digita nell'apposita casella, così il valore del diametro

Cliccando su "Calcolo" viene presentata, in doppia scala lineare, la curva di direttività in funzione dell'angolo (in figura è tracciata soltanto una metà della curva) ; nelle finestre in basso a destra compaiono:

  • Larghezza del lobo a °
  • Larghezza del lobo a °
  • Guadagno di direttività

La schermata di lavoro ed il grafico in figura:

Impostazione dati e risultati dei calcoli in forma numerica e grafica
5^ -Direttività di una base lineare[modifica | modifica wikitesto]

A seguito scelta della funzione di calcolo voluta:

Calcolo della direttività di una base lineare.

Si debba calcolare la direttività di una base lineare con le seguenti caratteristiche:

  • Frequenza operativa
  • Lunghezza

Il valore di si digita nell'apposita casella, così il valore della lunghezza

Cliccando su "Calcolo" viene presentata, in doppia scala lineare, la curva di direttività in funzione dell'angolo (in figura è tracciata soltanto una metà della curva.) ; nelle finestre in basso a destra compaiono:

  • Larghezza del lobo a °
  • Larghezza del lobo a °
  • Guadagno di direttività

La schermata di lavoro e il grafico in figura:

Impostazione dati e risultati dei calcoli in forma numerica e grafica
6^ -Valutazione della frequenza Doppler[modifica | modifica wikitesto]

A seguito scelta della funzione di calcolo voluta:

Calcolo della frequenza Doppler su percorso di andata (impulso) e ritorno (eco).

Si debba calcolare la frequenza Doppler secondo la seguente situazione contingente:

  • Frequenza operativa
  • Velocità del mezzo

Il valore di si digita nell'apposita casella, così il valore della velocità .

Cliccando su "Calcolo" viene presentata, in doppia scala lineare ,la curva generale della variazione della frequenza Doppler in funzione della frequenza di emissione, per velocità costante di ; nella finestra in centro compare la frequenza doppler attinente al presente esercizio:

.

La schermata di lavoro con la curva calcolata mostrata è in figura:

Impostazione dati e risultati dei calcoli in forma numerica e grafica
7^ - Misura della distanza per riflessione dal fondo[modifica | modifica wikitesto]

A seguito scelta della funzione di calcolo voluta:

Misura della distanza mediante riflessione dal fondo.

Si debba calcolare la distanza di un bersaglio attivo nelle seguenti condizioni operative :

  • Profondità del fondo
  • Angolo di depressione misurato °

Il valore di si digita nell'apposita casella, così il valore dell'angolo di depressione °

Cliccando su "Calcolo" viene presentata, in doppia scala lineare, la curva generale della variazione della distanza in funzione dell'angolo di depressione per la profondità di impostati; nella finestra in centro compare la distanza in metri relativa alla situazione ipotizzata:

La schermata di lavoro:

Impostazione dati e risultati dei calcoli in forma numerica e grafica
8^ - Guadagno di un trasduttore rettangolare[modifica | modifica wikitesto]

A seguito scelta della funzione di calcolo voluta:

Calcolo del guadagno di una sorgente rettangolare (trasduttore).

Si debba calcolare il guadagno di un trasduttore rettangolare con le seguenti caratteristiche :

  • Frequenza di lavoro
  • Dimensioni x

Inserite le variabili cliccando su "Calcolo", nella finestra apposita, viene visualizzato il guadagno del trasduttore:

La schermata di lavoro è mostrata in figura:

Impostazione dati e risultato del calcolo in forma numerica
9^ - Portata di scoperta di un sonar passivo[modifica | modifica wikitesto]

A seguito scelta della funzione di calcolo voluta:

Calcolo della portata di scoperta di un sonar passivo.

Si debba valutare la portata di scoperta teorica di un sonar passivo, in condizioni di propagazione normale, le cui variabili acustiche sono di seguito indicate:

  • Banda di ricezione
  • Livello spettrale emesso dal bersaglio
  • Rumore spettrale del mare
  • Guadagno della base ricevente
  • Costante di tempo dell'integratore
  • Parametro dipende dalla probabilità di scoperta Priv. e dalla probabilità di falso allarme Pfa.
  • Propagazione ipotizzata

Le variabili sopra indicate devono essere digitate nelle caselle di "IMPOSTAZIONE DATI".

Cliccando il pulsante "Calcolo" si risolve il problema voluto che indica in la distanza di scoperta del bersaglio.

La schermata di lavoro di figura mostra la classica soluzione grafica del problema ed il risultato numerico ottenuto mediante particolari routine software.

Impostazione dati e risultati dei calcoli in forma numerica e grafica
10^ -Portata di scoperta di un sonar attivo[modifica | modifica wikitesto]

A seguito scelta della funzione di calcolo voluta:

Calcolo della portata di scoperta di un sonar attivo.

Si debba valutare la portata di scoperta teorica di un sonar attivo, in condizioni di propagazione normale, le cui variabili acustiche sono di seguito indicate:

  • Frequenza di emissione
  • Banda di ricezione
  • Livello di emissione
  • Rumore spettrale del mare
  • Guadagno della base ricevente
  • Costante di tempo dell'integratore
  • Parametro dipende dalla probabilità di scoperta Priv. e dalla probabilità di falso allarme Pfa.
  • Forza del bersaglio
  • Propagazione ipotizzata =

Le variabili devono essere digitate nelle caselle di "IMPOSTAZIONE DATI"; cliccando il pulsante "Calcolo" si risolve il problema voluto che indica in la distanza di scoperta del bersaglio.

La schermata di lavoro, riportata in figura , mostra la classica soluzione grafica del problema ed il risultato numerico ottenuto mediante particolari routine software.

. .

Calcolatore dei parametri probabilistici del sonar (curve ROC)[modifica | modifica wikitesto]

Nel calcolo delle portate di scoperta del sonar sono impiegate le curve ROC[141] per la valutazione del parametro che è una delle variabili che concorrono nel computo del differenziale di riconoscimento:

Utilizzo delle curve ROC per la determinazione della variabile d[modifica | modifica wikitesto]

Per la determinazione della variabile , una volta stabilita la probabilità di falso allarme [142] accettata e la probabilità di scoperta [143] voluta, si procede all'individuazione del tra le diverse rette disponibili nel diagramma delle curve ROC.

In figura una particolare traccia delle curve ROC relativa al solo valore ; curva estrapolata dalla famiglia delle curve standard tra e :

Il grafico mostra come l’intersezione tra la retta di ascissa e la retta di ordinata individui un punto della retta .

Dato che le curve ROC disponibili, su diversi testi relativi alle tematiche del sonar, mostrano soltanto sei curve per i valori: 1 ; 4 ; 9 ; 16 ; 25 ; 36 si comprende come sia estremamente difficile estrapolare valori del tra curve adiacenti.

Una delle soluzioni del problema[modifica | modifica wikitesto]

Un metodo per il calcolo del parametro consiste nella soluzione delle due equazioni trascendenti:

dove nella prima, impostato il valore della accettata, si determina la variabile ; nella seconda, inserendo il valore di calcolato in precedenza e impostando il valore di voluto si ottiene il valore del relativo alla coppia : .

La soluzione delle due equazioni è affidata a routine di calcolo iterativo da sviluppare su di un P.C. con le seguenti limitazioni:

  • variabile da a
Le routine di calcolo[modifica | modifica wikitesto]
Pannello di calcolo

La routine di calcolo implementata nel P.C. è scritta in linguaggio Visual Basic, copiando gli algoritmi dal listato del programma in calce si può realizzare la routine in qualsiasi linguaggio.

Il pannello di controllo del calcolatore è mostrato in figura:

Esempio di calcolo[modifica | modifica wikitesto]
Pannello di calcolo con dati elaborati

Premessa:

Nelle due sezioni di calcolo (sinistra e destra), dopo l'esecuzione della routine, vengono indicati come dati calcolati valori di e non sempre identici a quelli impostati, ciò dipende dall'anello di calcolo iterativo che procede a passi discreti, seppur piccoli, per non impiegare tempi di elaborazione eccessivi.

Più precisamente :

  • nella sezione di sinistra il valore di corrisponde alla indicata come "'dato calcolato'" e non alla "impostata" anche se tra i due valori le differenze sono minime.
  • nella sezione di destra il valore di corrisponde alla indicata come "dato calcolato" e non alla "impostata" , anche in questo caso le differenze tra i due valori sono minime.

Un semplice esempio d'impostazione dati e calcolo.

S'inizia nella sezione di sinistra:

  • Se la probabilità di falso allarme accettata è: si digita tale valore nel TextBox e si preme il pulsante verde dati a calcolo, il pulsante cambia colore in rosso nella fase[144] di calcolo, una volta ultimata la fase il valore di compare nel nello shape del pannello di calcolo assieme al valore di , valore di ricalcolo cmpatibile con e il pulsante diventa verde.

In automatico il valore di è trasferito alla sezione di calcolo di destra.

Si agisce ora nella sezione di destra:

  • Se la probabilità di scoperta voluta è: si digita tale valore nel TextBox e si preme il pulsante verde dati a calcolo, il pulsante cambia colore in rosso nella fase[145] di calcolo, una volta ultimata il valore di compare nello shape del pannello di calcolo assieme al valore di , valore di ricalcolo compatibile con e il pulsante diventa verde.

Il pannello relativo all'esempio è mostrato in figura:

Il listato della routine di calcolo in Visual Basic[modifica | modifica wikitesto]

Vista del pannello di controllo con la disposizione degli oggetti con riferimento al listato del programma

In ambiente di sviluppo Visual Basic inserimento degli oggetti nel Form come indicato in figura nel rispetto della numerazione indicata in rosso.[146].

Azione di copia e incolla[147] del programma:

Dim y As Double
Dim p As Double
Dim i As Double
Dim erfx As Double
Dim erfCx As Double
Dim y1 As Double
Dim p1 As Double
Dim i1 As Double
Dim erfx1 As Double
Dim erfCx1 As Double
Dim q As Double
Dim d1 As Double
Dim d2 As Double
Dim pfa As Double
Dim pd As Double
Private Sub text1_KeyPress(KeyAscii As Integer)
If InStr("0123456789.-" + Chr(&H8), Chr(KeyAscii)) = 0 Then KeyAscii = 0
End Sub
Private Sub text2_KeyPress(KeyAscii As Integer)
If InStr("0123456789.-" + Chr(&H8), Chr(KeyAscii)) = 0 Then KeyAscii = 0
End Sub
Private Sub Command1_Click()
Label14.Caption = ""
Label16.Caption = ""
Label20.Caption = ""
Label27.Caption = ""
Text2.Text = ""
Command1.BackColor = vbRed
Label19.Caption = ""
Label11.Caption = ""
s1
End Sub
Sub s1()
'ROUTINE PER IL CALCOLO ITERATIVO DEL q = f(pFA)
Cls
pFAvoluto = Val(Text1.Text)
If pFAvoluto = 0 Then GoTo fineroutine
If pFAvoluto > 49.5 Then Text1.Text = ""
If pFAvoluto > 49.5 Then GoTo fineroutine
'ROUTINE PER IL CALCOLO DELLA Pfa
'=======dati d'ingresso=========
'(q solo per PFA); (q e d solo per Pd)
d = 4
For q = 0 To 3 Step 0.01 'valore del rapporto (T/deviaz.st.)
i = 0
e = 2.718281828
s = 0.0001
a = q / Sqr(2)
ini:
For x = 0 To a Step s
y = e ^ -((x) ^ 2)
p = s * y
i = i + p
erfx = (2 / Sqr(3.141592654)) * i
Next
erfCx = 1 - erfx
pfa = 100 * erfCx / 2
If pfa < pFAvoluto Then GoTo fine 
Next q
fine:
fineroutine:
Label19.Caption = Format(pfa, "##.####")
Label11.Caption = Format(q, "##.####")
Command1.BackColor = vbGreen
End Sub
Private Sub Command2_Click()
Command2.BackColor = vbRed
Label14.Caption = ""
Label16.Caption = ""
End Sub
Sub s2()
'ROUTINE PER IL CALCOLO ITERATIVO DEL d = f(q, pD)
pdvoluto = Val(Text2.Text)
If pdvoluto < 0 Then GoTo finerout
If pdvoluto < pfa Then Text2.Text = ""
If pdvoluto < pfa Then GoTo finerout
For d1 = 0 To 30 Step 0.0001
e = 2.718281828
s = 0.001
a1 = Abs(q - Sqr(d1)) / Sqr(2)
i1 = 0
For x = 0 To a1 Step s
y1 = e ^ -((x) ^ 2)
p1 = s * y1
i1 = i1 + p1
Next
erfx1 = (2 / Sqr(3.14159)) * i1
If (q - Sqr(d1)) > 0 Then erfCx1 = 1 - erfx1
If (q - Sqr(d1)) < 0 Then erfCx1 = 1 + erfx1
pd = 100 * erfCx1 / 2
If pd > pdvoluto Then GoTo fine
Next
fine:
Label14.Caption = Format(pd, "   ##.##")
Label16.Caption = Format(d1, "##.#####")
finerout:
Command2.BackColor = vbGreen
End Sub
Sub s3()
'ROUTINE PER IL CALCOLO  DEL del p(D) = f(q, d)
If dvoluto < 0 Then GoTo finerout
If dvoluto < 0 Then Text2.Text = ""
If dvoluto > 40 Then GoTo finerout
e = 2.718281828
s = 0.0001
d2 = dvoluto
a1 = Abs(q - Sqr(d2)) / Sqr(2)
i1 = 0
For x = 0 To a1 Step s
y1 = e ^ -((x) ^ 2)
p1 = s * y1
i1 = i1 + p1
Next
erfx1 = (2 / Sqr(3.14159)) * i1
If (q - Sqr(d2)) > 0 Then erfCx1 = 1 - erfx1
If (q - Sqr(d2)) < 0 Then erfCx1 = 1 + erfx1
pd = 100 * erfCx1 / 2
fine:
Label27.Caption = Format(pd, "   ##.##")
finerout:
End Sub
Private Sub Timer1_Timer()
If Command2.BackColor = vbRed Then s2
End Sub

Dettagli per il sistema di calcolo[modifica | modifica wikitesto]

Una descrizione completa ed ampliata del sistema di calcolo per le curve ROC è disponibile all'indirizzo: [1]

All'indirizzo citato è disponibile il file: roc4ok.exe per il controllo e/o le esercitazioni interessate.

. .

Calcolatore dei processi di correlazione per il sonar (il CORRMATH)[modifica | modifica wikitesto]

Il pannello di controllo[modifica | modifica wikitesto]

Vista pannello di controllo

Il CORRMATH è uno strumento software per il calcolo e la presentazione grafica delle funzioni di correlazione impiegate nell'elaborazione dei segnali sonar.

Lo strumento in oggetto è sviluppato da un file eseguibile disponibile all'indirizzo:

wikicorrmath oppure corrmath[148]

Una volta lanciato l'eseguibile si ha la comparsa sullo schermo del P.C. del pannello di controllo mostrato in figura:

I diversi elementi del pannello sono:

  • 1 Reticolo cartesiano per il tracciamento delle curve di correlazione con 20 divisioni in ascisse e divisioni in ordinate per il campo dei tracciati positivi ( da a ) e divisioni per il campo dei tracciati negativi ( da a )
  • 2 Selettore di processo per le diverse tipologie delle funzioni di correlazione da scegliere tra 8 opzioni.
  • 3 Spazio per ingresso dati che caratterizzano la funzione di correlaione da tracciare.
  • 4 Pulsante per l'abilitazione al calcolo sulla base dei dati inseriti al punto precedente.
  • 5 Pulsante d'avvio al calcolo e alla presentazione grafica.
  • 6 Spunta per il controllo tra curve di correlazione tracciate con variabili diverse.

Selettori di processo[modifica | modifica wikitesto]

Gli otto selettori di processo sono nell'ordine:

Correlazione analogica C = f(t) normalizzata in banda 0-F[modifica | modifica wikitesto]
Vista 1^ selezione su pannello di controllo

Banda con in , tra due segnali con ritardo . tracciata in un reticolo cartesiano con fondo scala delle ascisse pari a "F.scala" .

Correlazione analogica C = f(t) normalizzata in banda F1-F2[modifica | modifica wikitesto]
Vista 2^ selezione su pannello di controllo

Banda in , tra due segnali con ritardo . tracciata in un reticolo cartesiano con fondo scala delle ascisse pari a "F.scala" .

.

Correlazione analogica C = f(b°) normalizzata in banda 0-F[modifica | modifica wikitesto]
Vista 3^ selezione su pannello di controllo

Con , tra due segnali che colpiscono una base con una inclinazione Brq (b°) in gradi, tracciata in un reticolo cartesiano con scala delle ascisse pari a Fondo scala (a°) in gradi; la lunghezza della Base d è espressa in metri .

Correlazione analogica C = f (b°) normalizzata in banda F1-F2[modifica | modifica wikitesto]
Vista 4^ selezione su pannello di controllo

Banda , tra due segnali che colpiscono una base con una inclinazione Brq (b°) in gradi, tracciata in un reticolo cartesiano con scala delle ascisse pari a "Fondo scala (a°) in gradi; la lunghezza della Base d è espressa in metri .

Correlazione digitale C = f(t) normalizzata in banda 0-F[modifica | modifica wikitesto]
Vista 5^ selezione su pannello di controllo

con in , tra due segnali con ritardo . tracciata in un reticolo cartesiano con fondo scala delle ascisse pari a "F.scala"

Correlazione digitale C = f(t) normalizzata in banda F1-F2[modifica | modifica wikitesto]
Vista 6^ selezione pannello di controllo

Banda in , tra due segnali con ritardo . tracciata in un reticolo cartesiano con fondo scala delle ascisse pari a "F.scala" .

Correlazione digitale C = f(t) normalizzata in presenza dei due segnali e del rumore del mare in banda F1-F2[modifica | modifica wikitesto]
Vista 7^ selezione su pannello di controllo

Banda in , tra due segnali con ritardo tracciata in un reticolo cartesiano con fondo scala delle ascisse pari a "F.scala" .

In questo tipo di computazione è necessario inserire variabili ausiliarie quali:

  • rapporto s/n ingresso (dB), al correlatore
  • costante di tempo del correlatore rc in secondi
  • fattore di scala asse ordinate per espandere il grafico se necessario fattore di scala y
Correlazione digitale normalizzata con trasformata di Hilbert HC = f(t) in banda F1-F2[modifica | modifica wikitesto]
Vista 8^ selezione pannello di controllo

Banda in , tra due segnali con ritardo . tracciata in un reticolo cartesiano con fondo scala delle ascisse pari a "F.scala" .

Esercizi grafico numerici[modifica | modifica wikitesto]

Nel pannello PROCESSI DI CORRELAZIONE apriamo la SELEZIONE PROCESSO che ci presenta una scelta di nove funzioni diverse.

Sviluppiamo quindi otto casi, l'uno dopo l'altro, come di seguito descritto:

Primo: Funzione di corr. analogica in banda 0-F[modifica | modifica wikitesto]

Esercizio n 1

Selezioniamo : ANAL. C = f(F,tc): Funzione di corr. analogica in banda 0-F (in ascissa il tempo t) con il max atteso per il tempo tc.

Nelle caselle ingresso dati digitiamo ad esempio :
F = 13500 Hz 
tc = 600 
Fondo scala Fs = 1000 . (50  / div)

Otteniamo il grafico (asse x = tempo) della funzione di correlazione come riportato in figura.

La curva mostra il massimo di correlazione alla 12ª divisione delle ascisse corrispondente a 600 . con C = +1 e profilo tondeggiante secondo Sen x / x.
La larghezza del lobo a - 3 dB è di 31.8 .
L'ampiezza massima dei lobi secondari è di 0.1

Secondo: Funzione di corr. analogica in banda F1-F2[modifica | modifica wikitesto]

Esercizio n 2

Selezioniamo: ANAL. C = f(F1,F2,tc); funzione di corr. analogica in banda F1-F2 (in ascissa il tempo t) con il max atteso per il tempo tc.

Nelle caselle ingresso dati digitiamo ad esempio : 
F1 = 500 Hz
F2= 4000 Hz
tc = 200  
Fondo scala Fs =1000  (50 /div)

Otteniamo il grafico della funzione di correlazione come in figua.

La curva mostra il massimo di correlazione alla 4ª divisione delle ascisse corrispondente a 200 . con C = +1 e profilo tondeggiante secondo Sen x / x.
La larghezza del lobo a - 3 dB è di 100 
L'ampiezza massima dei lobi secondari è di 0.01

Terzo: Funzione di corr. analogica funzione della direzione del bersaglio (banda 0-F)[modifica | modifica wikitesto]

Esercizio n 3

Selezioniamo: ANAL. C = f(F,b°,d); funzione di corr. analogica in banda 0-F (in ascissa l'angolo) con il max atteso per l'angolo b°; in questo esercizio le ascisse non sono dimensionate in tempo ma in gradi sessagesimali corrispondenti alla direzione di un bersaglio.

Nelle caselle ingresso dati digitiamo ad esempio: 
F = 1000 Hz
Fondo scala = 40° (2°/div)
Brq = 6°
Lunghezza base = 10 m

Otteniamo il grafico della funzione di correlazione come in figura.

La curva mostra il massimo di correlazione alla 3ª divisione delle ascisse
corrispondente a 6°. con C = +1 e profilo tondegginte secondo Sen x / x.
La larghezza del lobo a - 3 dB è di 4°
L'ampiezza massima dei lobi secondari è di 0.13

Quarto: Funzione di corr. analogica funzione della direzione del bersaglio (banda F1-F2)[modifica | modifica wikitesto]

Esercizio n 4

Selezioniamo: ANAL. C = f(F1,F2,b°,d); funzione di corr. analogica in banda F1-F2 (in ascissa l'angolo) con il max atteso per l'angolo b°, anche in questo esercizio le ascisse non sono dimensionate in tempo ma in gradi sessagesimali corrispondenti alla direzione di un bersaglio.

Nelle caselle ingresso dati digitiamo ad esempio : 
F1 = 5000 Hz
F2 = 12000 Hz
Fondo scala = 20° (1° /  div.)
b= 7°
Lunghezza base = 8 m 

Otteniamo il grafico della funzione di correlazione come sopra riportato:

La curva mostra il massimo di correlazione alla 7ª divisione delle ascisse
corrispondente a 7° con C = +1 e profilo tondeggiante secondo Sen x / x.
La larghezza del lobo a - 3 dB è di 0.8°
L'ampiezza massima dei lobi secondari è di 0.25

Quinto: Funzione di corr. digitale in banda 0-F[modifica | modifica wikitesto]

Esercizio n 5

Selezioniamo DIG. C = f(F1,tc); funzione di corr. digitale in banda 0-F (in ascissa il tempo ) con il max atteso per il tempo tc.

Nelle caselle ingresso dati digitiamo ad esempio :
F1 = 29000 Hz
tc = 200 micro sec.
Fondo scala Fs = 500  (25  / div.)

Otteniamo il grafico della funzione di correlazione indicato in figura.

La curva mostra il massimo di correlazione alla 8ª divisione delle ascisse
corrispondente a 200 . con C = +1 e profilo a cuspide secondo ArcSen x / x.
La larghezza del lobo a - 3 dB è di circa 5 .
L'ampiezza massima dei lobi secondari è di 0.09

Sesto: Funzione di corr. digitale in banda F1-F2[modifica | modifica wikitesto]

Esercizio n 6

Selezioniamo: ANAL. C = f(F1,F2,tc); funzione di corr. digitale in banda F1-F2 (in ascisse il tempo ) con il max atteso per il tempo tc.

Nelle caselle ingresso dati digitiamo ad esempio 
F1 = 500 Hz
F2 = 2000 Hz
Fondo scala Fs = 2000  . (100 . / div.)
tc = 1500 

. Otteniamo il grafico della funzione di correlazione di figura.

La curva mostra il massimo di correlazione alla 15ª divisione delle ascisse
corrispondente a 1500 . con C = +1 e profilo a cuspide secondo ArcSen x / x.
La larghezza del lobo a - 3 dB è di 120 .
L'ampiezza massima dei lobi secondari è di 0.09

Settimo:Funzione di corr. digitale in banda F1-F2 dipendente da s/n[modifica | modifica wikitesto]

Esercizio n 7

Selezioniamo: DIG. C = f(F1,F2,tc,s/n,rc); funzione di corr. digitale in banda F1-F2 (in ascissa il tempo)

In questo esercizio la funzione dipende,oltre che dal tempo, anche dal rapporto s/n (rapporto tra segnale e disturbo espresso in deciBel) e dalla costante di tempo rc dell'integratore.

Il max è atteso al tempo tc, l'ampiezza di questo dipende da s/n , la varianza da rc.

Nelle caselle ingresso dati digitiamo ad esempio :
F1 = 300 Hz 
F2 = 12400
Fondo scala = 800  ( 40 ./div)
tc = 400 .
s/n= + 4 dB 
rc = 0.1 s
fattore di scala y = 1

Otteniamo il grafico della funzione di correlazione nel tracciato cartesiano della figura.

Si osservi che l'ampiezza della funzione C, a seguito del rapporto s/n = + 4 dB  inserito a calcolo, si è ridotta da 1 a circa 0.5 e il suo profilo si è modificato da una cuspide ad un andamento tondeggiante, lo spessore della traccia è indicativo della varianza d'uscita dal correlatore.
La curva mostra il massimo di correlazione alla 10ª divisione delle ascisse corrispondente a 400 . con C = +0.5 e profilo  secondo Sen x / x[149].
La larghezza del lobo a - 3 dB è di 40 .
L'ampiezza massima dei lobi secondari è di 0.06

Ottavo: Funzione di corr. digitale secondo Hilbert in banda F1-F2[modifica | modifica wikitesto]

Esercizio n 8

Selezioniamo: DIG.HC = f(F1,F2,tc); funzione di anticorrelazione digitale in banda F1-F2(in ascissa il tempo)

Questa funzione dipende dal tempo e presenta uno zero dove le altre funzioni presentano il max ( trasf. di Hilbert ). Lo zero è atteso al tempo tc.

Nelle caselle ingresso dati digitiamo ad esempio :
F1 = 5000 Hz 
F2 = 14000 Hz
Fondo scala = 400 .(20 /div.)
tc = 200 .

Otteniamo il grafico della funzione di anticorrelazione di figura.

La curva mostra il passaggio per lo zero  alla 10ª divisione delle ascisse corrispondente a 200  con C = 0.
La pendenza attorno all'ascissa x = 200 . è di  0.035 / 1 .

Nono: Ripetizione del quarto esercizio per la misura della risoluzione angolare[modifica | modifica wikitesto]

Ripetizione esercizio n° 4

Con il calcolatore, tramite l'impiego della casella di spunta 6 (Compara grafici), si possono confrontare i grafici di due funzioni di correlazione, ad esempio, per un successivo esame della risoluzione angolare.

Questo problema si pone quando si voglia discriminare la posizione angolare di due bersagli angolarmente vicini tra loro.

Allo scopo prendiamo in considerazione l'applicazione del quarto esercizio ripetuta due volte per due valori angolari diversi:

due bersagli disposti rispettivamente per:
b1 = 20° e b2 = 25° 
ferme restando le altre variabili di calcolo.

Selezioniamo: ANAL. C = f(F1,F2,b°,d); funzione di corr. analogica in banda F1-F2 (in ascissa l'angolo) con il max atteso per l'angolo b°, anche in questo esercizio le ascisse non sono dimensionate in tempo ma in gradi sessagesimali corrispondenti alla direzione di un bersaglio.

Nelle caselle ingresso dati digitiamo inizialmente:
F1 = 100 Hz
F2 = 1300 Hz
Fondo scala = 40° (2° /  div.)
b° = 20° 
Lunghezza base = 8 m 

Successivamente, dopo la spunta di casella 6, si ripete il calcolo per b° = 25° ottenendo il grafico di figura:

Il grafico mostra l'intersezione delle due funzioni di correlazione ad un livello di poco inferiore a 0.7. Con questo dato possono essere sviluppati i calcoli di risoluzione angolare tra i due bersagli.
L'angolo leggibile nella casella inserzione dati è di 25° essendo questo il secondo valore inserito nella ripetizione del calcolo.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ cronologia del xx secolo, grandi manuali newton
  2. ^ a b Boyne 1997, p. 168
  3. ^ (EN) Fighting the U-boats - Weapons and Technologies - Asdic / Sonar- su Uboat.net, su uboat.net. URL consultato il 4 gennaio 2010.
  4. ^ a b (EN) Asdic, su netherlandsnavy.nl. URL consultato il 3 gennaio 2010.
  5. ^ (EN) Richard Harding, The Royal Navy, 1930-2000: innovation and defence, su books.google.it. URL consultato il 3 gennaio 2010.
  6. ^ (EN) Tactics, Training, Technology and the RCN's Summer of Success, July-September 1942, su navalhistory.ca. URL consultato l'8 febbraio 2010 (archiviato dall'url originale il 9 giugno 2011). Il sito navalhistory.ca riporta un esempio di schemi di caccia adottati dalla Royal Canadian Navy con le corvette classe Flower.
  7. ^ a b Boyne 1997, p. 169
  8. ^ (EN) Anatomy of an Asdic Trawler, su bbc.co.uk. URL consultato il 6 gennaio 2010 (archiviato dall'url originale il 21 luglio 2012).
  9. ^ (EN) HNMS Isaac Sweers (G 83), su uboat.net. URL consultato il 6 gennaio 2010.
  10. ^ Atlas Werke Elektronik - Germania -
  11. ^ a b Del Turco, p. 15.
  12. ^ Gli echi sono dipendenti dalla potenza degli impulsi emessi e dalle caratteristiche dimensionali dei bersagli
  13. ^ De Dominics,  pp. 292 - 314.
  14. ^ Horton, pp. 70-72.
  15. ^ Insieme di congegni che consentono l'emissione e l'ascolto degli impulsi acustici
  16. ^ Insieme di congegni che consentono l'ascolto dei rumori in mare
  17. ^ In fotografia la consolle del sona IP64 installato nel 1964 sui sottomarini classe Toti
  18. ^ Del Turco, pp. 238 - 242.
  19. ^ Non tutti i bersagli possono essere localizzabili
  20. ^ basso rumore del mare
  21. ^ Urick, pp. 406 - 415.
  22. ^ Questo insieme di sensori, indicato come base idrofonica essendo collocata secondo il profilo di poppa del sottomarino è nominata base conforme
  23. ^ Il falso scafo di un sottomarino è la struttura d'acciaio che avvolge lo scafo resistente per consentire al battello il migliore profilo d'avviamento idrodinamico
  24. ^ a b Del Turco, p. 182.
  25. ^ a b Pazienza, pp. 356 - 392.
  26. ^ Del Turco, p. 131.
  27. ^ Del Turco, pp.181-182.
  28. ^ La dizione passivo indica che il sonar si limita soltanto a ricevere i segnali acustici emessi dai bersagli; non genera, pertanto, alcun segnale proprio
  29. ^ a b Dati e fotografie di questa pagina sono relative al sonar IP70 USEA. progettato per i sottomarini classe Sauro
  30. ^ a b Oppure rispetto all'asse longitudinale del battello sul quale è installato il sonar.
  31. ^ a b La misura si riferisce alla distanza fisica tra sottomarino e bersaglio; da non confondersi con la portata che indica la probabile distanza massima di scoperta del bersaglio
  32. ^ a b Operazioni di calcolo eseguite dopo rilievi acustici e termici in mare
  33. ^ Generalmente il campo delle frequenze di lavoro di un sonar passivo si estende da per la scoperta in bassa frequenza e da per l'alta frequenza
  34. ^ È un particolare sistema di visualizzazione dei bersagli che ha in ascisse la direzione di scoperta ed in ordinate il tempo trascorso dall'inizio del rilevamento (traccia la storia della traiettoria del bersaglio)
  35. ^ a b Generalmente l'operazione di tracciamento dei raggi acustici in mare viene fatta prima d'iniziare la fase di scoperta dei bersagli
  36. ^ La funzione RLI consente di scoprire eventuali accostate del bersaglio
  37. ^ Urick, pp. 328 - 352.
  38. ^ Del Turco, pp. 184-188.
  39. ^ a b
  40. ^ a b Pazienza, pp. 361 - 362.
  41. ^ Valori tipici di SS: 0; ½ ; 1; 2; 4; 6
  42. ^ a b De Dominics, pp. 242-288.
  43. ^ Urick, pp. 17 - 30.
  44. ^ Del Turco, pp. 124 - 129,
  45. ^ L'emissione può essere comandata per un singolo evento o per più eventi successivi
  46. ^ Del Turco, pp. 40 - 45.
  47. ^ Gli impulsi acustici sono emessi su tutti i ° dell'orizzonte
  48. ^ Tutta la potenza acustica disponibile è indirizzata verso una sola direzione prescelta
  49. ^ Indicato come livello indice (LI)
  50. ^ La funzione BDI consente di scoprire eventuali accostate del bersaglio
  51. ^ Negli anni 60 questa funzione era ad esclusiva disposizione del comandante del sottomarino; ciò per evidenti ragioni di sicurezza ad evitare che con un impulso emesso per errore si svelasse la presenza del sottomarino
  52. ^ Urick, pp. 291- 329.
  53. ^ De Dominics, pp. 376 - 383.
  54. ^ a b Horton, pp. 334 - 342.
  55. ^ Horton, pp. 327 - 334.
  56. ^ La portata di scoperta indica la probabile distanza massima per la quale è ancora individuare un bersaglio
  57. ^ a b Gli studi sull'argomento sono stati sviluppati per la costruzione di bersagli artificiali necessari per l'addestramento del personale addetto alla conduzione del sonar; si evitava in tal modo il dispendioso impiego di due unità navali.
  58. ^ La portata di scoperta è la probabile distanza massima alla quale un bersaglio può essere scoperto
  59. ^ a b detta anche portata di scoperta
  60. ^ a b La zona d'ombra è la conseguenza di un modo di propagazione anomala del suono generato da una diversa temperatura del mare alle diverse quote.
  61. ^ a b Del Turco, pp. 210 - 225.
  62. ^ a b Urick, pp. 17 - 30.
  63. ^ Il calcolo presuppone che il sistema ricevente della componente passiva del sonar in correlazione.
  64. ^ a b De Dominics, pp. 395 - 397.
  65. ^ Le sigle in inglese:
    • (Targeth Loss) = Attenuazione del segnale del bersaglio
    • (Source Level) = Livello del rumore emesso dal bersaglio
    • (Directvity Index) = Direttività della base ricevente
    • (Noise Level) = Livello del rumore del mare
    • (Detection Threshold) = Soglia di rivelazione
    • (Bandwidth) = Banda di ricezione del sonar
  66. ^ f = frequenza media geometrica degli estremi della banda di ricezione del sonar.
  67. ^ a b Thorp Analytical description of the low frequency attenuation coefficient, Acoustical Society of America Journal, vol. 42, 1967, pp 270.
  68. ^ Del Turco, p. 176 - 184.
  69. ^ a b Lo stato del mare è indicato con la sigla inglese SS (Sea State)
  70. ^ a b Urick, pp. 31 - 70.
  71. ^ a b Nel caso del calcolo del guadagno di una base cilindrica il valore di può essere assunto dalla superficie del doppio della generatrice.
  72. ^ a b Urick, p. 287.
  73. ^ a b Indicato da Urick come soglia di rivelazione (Detection Threshold)
  74. ^ a b C.Del Turco, p. 168.
  75. ^ a b Questa variabile rende il calcolo della portata non deterministico
  76. ^ a b La soluzione grafica del sistema trascendente aiuta alla miglior comprensione del calcolo della portata.
  77. ^ Il calcolo è valido se il sistema ricevente della componente passiva del sonar è in correlazione.
  78. ^ Il calcolo presuppone che il sistema ricevente della componente attiva del sonar sia in correlazione.
  79. ^ Le sigle in inglese:
    • (Targeth Loss) = Attenuazione dell'impulso dalla sua emissione alla ricezione dell'eco del bersaglio
    • (Level Index) = Livello dell'impulso emesso dal sonar
    • (Targhet Strength) = Forza del bersaglio
    • (Directvity Index) = Direttività della base ricevente
    • (Noise Level) = Livello del rumore del mare
    • (Detection Threshold) = Soglia di rivelazione
    • (Bandwidth) = Banda di ricezione del sonar
  80. ^ f = frequenza dell'impulso di emissione.
  81. ^ Del Turco, pp. 176 - 184.
  82. ^ In un sonar attivo la larghezza di banda del ricevitore è tendenzialmente stretta, deve consentire comunque il transito degli impulsi d'eco comprensivi dell'effetto Doppler.
  83. ^ Valore indicativo per sottomarino di piccole dimensioni non al traverso
  84. ^ l'ampiezza degli echi dipende oltre che dalla potenza degli impulsi acustici emessi dal sonar dalla caratteristica riflettente del bersaglio (TS = forza del bersaglio
  85. ^ Dati relativi a navi della II guerra mondiale>
  86. ^ Pressione acustica espressa in deciBel / microPascal per radice di Hz ad 1 \ m /
  87. ^ Precisione dell'ordine delle computazioni di laboratorio sviluppate con il Regolo Raytehon, Sonar Performance Calculator Submarine Signal Division, Portsmouth
  88. ^ Ampiezza delle onde, temperatura dell'acqua.
  89. ^ Le perturbazioni nell'ambiente subacqueo non dipendono soltanto dal rumore del mare ma da altri fattori oggetto di particolari studi.
  90. ^ Del Turco, p. 171.
  91. ^ La calibrazione assicura la conoscenza del rapporto di diretta proporzionalità tra la pressione acustica incidente e la tensione elettrica generata dal sensore idrofonico
  92. ^ Del Turco, pp. 48 - 51.
  93. ^ frequenza in kHz dipendenza dallo stato del mare (SS) secondo la tabella
  94. ^ Horton, p. 61.
  95. ^ Horton, p. 59.
  96. ^ Del Turco, pp. 184-189.
  97. ^ Urick, pp. 328-353.
  98. ^ Del Turco, p. 175.
  99. ^ L'aspetto del bersaglio incide notevolmente sul TS
  100. ^ Del Turco,  pp. 124 - 127.
  101. ^ Urick,  pp. 201 - 325.
  102. ^ De Dominics,  p. 297.
  103. ^ Le dimensioni della sfera devono essere irrilevanti rispetto alle dimensioni della vasca anecoica
  104. ^ La vasca anecoica è indispensabile per misure acustiche in campo chiuso
  105. ^ Il confronto tra dato calcolato e dato misurato si esegue, invece che sul , sul livello dell'eco ricevuto.
  106. ^ Le differenze tra il calcolato e quello misurato sono nell'ordine di dispersione delle misure acustiche
  107. ^ Date le modeste potenze degli impulsi emessi non si hanno fenomeni di riverberazione
  108. ^ L'elaborazione dati deve essere fatta sul posto di misura ad evitare che possibili incongruenze possano essere chiarite da ulteriori rilievi
  109. ^ Nel caso specifico le misure acustiche sono state fatte alla banchina di un porto militare molto movimentato
  110. ^ Andriani,  testo.
  111. ^ Del Turco, pp.52-53.
  112. ^ Generalmente il guadagno di direttività è espresso in decibel (dB) e indica di quanto un sistema direttivo subacqueo sia in grado di abbattere il rumore del mare rispetto al livello del segnale.
  113. ^ Horton, pp. 121 - 134.
  114. ^ La lunghezza totale della base per alcuni sottomarini supera i 20 m.
  115. ^ Una stecca idrofonica è costruita con un sensibile numero d'idrofoni elementari collegati elettricamente tra loro
  116. ^ Del Turco, p. 55.
  117. ^ I disturbo, indicato anche come rumore, è generato in mare dal moto ondoso ed altro.
  118. ^ Del Turco, pp. 170 - 183.
  119. ^ De Dominics, pp. 103 - 106.
  120. ^ Per ragioni fisiche soltanto una porzione di rumore può essere abbattuta
  121. ^ Il falso scafo è la struttura leggera che avvolge lo scafo resistente per consentire al sottomarino le caratteristiche idrodinamiche che gli sono proprie.
  122. ^ Lo scafo resistente è la struttura globale del sottomarino che reagisce alle elevate pressioni dell'acqua dovute alla quota.
  123. ^ Il diametro dei sensori non è in scala con le dimensioni del sottomarino, se lo fosse apparirebbero dei punti.
  124. ^ I valori sono indicativi in quanto il numero delle stecche dipende dalla dimensione della base idrofonica, dalla frequenza di lavoro e dalla distanza tra le stecche
  125. ^ Interpretazione dei diagrammi polari:
    • Le curve sono in coordinate polari, vengono tracciate soltanto tra ° e ° nel presupposto che la base acustica non riceva suono posteriormente perché coperta dallo scafo del sottomarino; questo è rappresentato da diametri tracciati in nero di sensibile spessore.
    • Le curve di direttività sono tracciate in colore rosso
    • Il bersaglio che genera rumore è una nave di superficie la cui direzione rispetto alla base acustica è indicata con tratto giallo.
    • Il colore grigio che copre le curve indica la presenza di rumore in tutta la zona esplorata
    • A destra sono riportate, per ulteriore comprensione della grafica, parti di una base acustica reale fotografata senza la copertura del falso scafo.
  126. ^ Lo studio implica la determinazione dell'ampiezza del lobo della curva di direttività a affinché si possano ottenere i valori voluti di risoluzione.
  127. ^ Il grafico riporta la metà della curva di direttività, l'altra metà, che si sviluppa sul lato sinistro, è speculare alla curva di destra
  128. ^ Urick, pp. 31 - 42.
  129. ^ Del Turco, pp. 83 - 90.
  130. ^ dove è l'angolo di puntamento che caratterizza la direttività
  131. ^ Stenzel, pp. 27 - 30.
  132. ^ In termini lineari assunto il massimo della curva di direttività = 1 l'intersezione delle curve avviene a livello 0.7
  133. ^ Del Turco/s, Sul calcolo del minimo numero di fasci preformati per il sonar, pp. 40 - 44.
  134. ^ da dipende la larghezza del lobo di direttività
  135. ^ Si ritengono i segnali indirizzati alla somma come incoerenti; si tratta quindi di somma tra le potenze.
  136. ^ Il livello di segnale che contribuisce alla generazione de fascio per ° si forma dalla somma di frazioni dell'energia dei fasci ° e °
  137. ^ Con la riduzione dell'ampiezza della sella il sonar non risolve più angolarmente i due bersagli ma ne vede soltanto uno per °
  138. ^ La differenza di pressione acustica tra i due bersagli può dipendere da innumerevoli cause, tra tutte; la distanza e la velocità del semovente, la stazza, l'aspetto (posizione angolare dell'asse longitudinale del battello rispetto al sonar ricevente)
  139. ^ Sonar Performance Calculator Submarine Signal Division, Portsmouth, USA.
    XSonarmath.pdf
  140. ^ Se il vostro PC è dotato di antivirus non consentirà di scaricare il file dato che lo stesso non è noto. Per non perdere l'opportunità dell'impiego di Sonarmath è consigliabile l'uso di un vecchio PC certamente disponibile tra le vostre cose.
  141. ^ (Receiver Operating Characteristic, anche note come Relative Operating Characteristic)
  142. ^ La probabilità di falso allarme è indicata indifferentemente con o P.fa.
  143. ^ La probabilità di scoperta è indicata indifferentemente con o P.riv.
  144. ^ La fase di calcolo di è relativamente veloce
  145. ^ La fase di calcolo di è lenta; il tempo dipende naturalmente dalla velocità della CPU del P.C.
  146. ^ Il listato del programma non è commentato
  147. ^ Prestare attenzione alle righe di programma che in base alla pagina possono essere scritte in parte a capo
  148. ^ Se il vostro PC è dotato di antivirus non consentirà di scaricare il file dato che lo stesso non è noto. Per non perdere l'opportunità dell'impiego di Corrmath è consigliabile l'uso di un vecchio PC certamente disponibile tra le vostre cose.
  149. ^ Si deve osservare che questo processo di correlazione è del tipo digitale e che l'andamento della cuspide ( arcsin x ) si trasfoma in sen x / x a causa della presenza del rumore.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

  • James J. Faran Jr e Robert Hills Jr, Correlators for signal reception, in Office of Naval Research (contract n5 ori-76 project order x technical memorandum no. 27), Cambridge, Massachusetts, Acoustics Research Laboratory Division of Applied Science Harvard University, 1952.
  • James J. Faran Jr e Robert Hills Jr, The application of correlation techniques to acoustic receiving systems, in Office of Naval Research (contract n5 ori-76 project order x technical memorandum no. 28), Cambridge, Massachusetts, Acoustics Research Laboratory Division of Applied Science Harvard University, 1952.
  • C. Del Turco, La correlazione , Collana scientifica ed. Moderna La Spezia,1993
  • James J. Faran Jr e Robert Hills Jr, Correlators for signal reception, in Office of Naval Research (contract n5 ori-76 project order x technical memorandum no. 27), Cambridge, Massachusetts, Acoustics Research Laboratory Division of Applied Science Harvard University, 1952.
  • James J. Faran Jr e Robert Hills Jr, The application of correlation techniques to acoustic receiving systems, in Office of Naval Research (contract n5 ori-76 project order x technical memorandum no. 28), Cambridge, Massachusetts, Acoustics Research Laboratory Division of Applied Science Harvard University, 1952.
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