Elettroacustica

L'elettroacustica è la scienza che si occupa dell'analisi e della riproduzione dei suoni per mezzo di apparecchiature elettriche, elettroniche ed elettromagnetiche. Tale scienza affonda le sue radici agli inizi degli anni venti.

Apparecchiature

• un trasduttore in grado di convertire i segnali sonori in segnali elettrici
• un mezzo per la memorizzazione dei segnali elettrici
  • supporti magnetici
  • supporti ottici
  • supporti a stato solido
• un trasduttore in grado di convertire i segnali elettrici in suoni
• un sintetizzatore sonoro programmabile in grado di generare onde acustiche di diversa intensità, frequenza e timbro.

Trasduttori di input

Il trasduttore di input più utilizzato è il microfono, ovvero un trasduttore elettroacustico che converte un'onda sonora in un segnale elettrico. Esistono svariati tipi di microfoni, ma i più comuni sono i microfoni a bobina mobile (ossia sono costituiti da una bobina metallica su cui è montato il diaframma è inserita all'interno di un magnete. Il movimento del diaframma genera il movimento della bobina inducendo al suo interno il passaggio di una corrente che rappresenta l'equivalente elettrico dell'onda acustica che ha sollecitato il diaframma stesso), i microfoni a condensatore (nei quali il diaframma poggia su una delle due placche di un condensatore. Il movimento del diaframma genera il movimento della placca facendo variare la distanza tra le due placche. Ciò varia la capacità del condensatore e genera una corrente che rappresenta l'equivalente elettrico dell'onda acustica che ha sollecitato il diaframma) e infine i microfoni a cristallo piezoelettrico (che sfruttano la proprietà di alcune sostanze ceramiche di sviluppare un campo elettrico quando subiscono una deformazione fisica. Quando il cristallo viene deformato dall'onda acustica che investe il microfono genera una corrente che rappresenta l'equivalente elettrico dell'onda acustica che ha sollecitato il diaframma).

Trasduttori di output

I trasduttori di output sono oggetti molto comuni ai giorni nostri; la maggior parte di noi li conosce con il termine di altoparlante. Il primo film sonoro della storia, Il cantante jazz, non sarebbe stato tale se all'interno della sala cinematografica non fossero stati montati degli altoparlanti.

Elettroacustica subacquea

Le funzioni di correlazione in elettroacustica

Funzioni di correlazione, nome assegnato nel 1952, dai ricercatori JAMES J. FARAN e VJR. ROBERT HILLS (note 1 e 2), alle variabili d'uscita di strutture elettroniche di rivelazione dei segnali elettroacustici mascherati dal disturbo.

Le strutture (ricevitori + correlatori) hanno il compito di elaborare due segnali elettrici provenienti, uno ritardato dall'altro, dalla stessa sorgente che li ha generati. Segnali dei quali si cerca il legame di correlazione al fine di discriminarli dal rumore che li sovrasta.

Uno degli algoritmi caratteristici di tali funzioni, studiato per il tracciamento teorico del loro andamento, si presenta in modo esplicito con l'espressione:

$C(\tau )=(2/\pi )\cdot Arcsen\left\{k\cdot [sin(2\cdot \pi \cdot DF\cdot \tau )/(2\cdot \pi \cdot DF\cdot \tau )]\cdot cos(2\cdot \pi \cdot Fo\cdot \tau )\right\}$

Dove:

$DF$ = metà della larghezza di banda del ricevitore.

$Fo$ = frequenza media della banda.

$k$ = funzione che dipende dal rapporto tra le ampiezze dei segnali “S” e l’ampiezza del disturbo “N” secondo l’espressione: $k=1/[1+(N/S)^{2}]$

$C(\tau )$ mostra come varia la correlazione tra due segnali elettrici al variare, sia del tempo di ritardo $\tau$ di un segnale rispetto all’altro, sia al variare del rapporto $S/N.$

Ampiezza e posizione temporale del massimo di $C(\tau )$ indicano la presenza del segnale.

Rapporti $S/N$ elevati la $C(\tau )$ ha ampiezza elevata e segue il profilo della funzione $Arcosen(x)$.

Rapporti $S/N$ bassi la $C(\tau )$ ha ampiezza bassa e segue il profilo della funzione $Sen(x)/(x)$.

• 
  Grafico di $C(\tau )$ tracciato per $N=0$.
• 
  Grafico di $C(\tau )$ tracciato per $S/N=1/2.5$

La legge che governa l’ampiezza della $C(\tau )$ in funzione del rapporto $S/N$ per $\tau =0$ è:

$C(0)=(2/\pi )\cdot Arcsen\{1/[1+(N/S)^{2}]\}$

dalla quale il grafico:

• 
  $C(0)=f(S/N)$

La curva è tracciata tra S/N = 0 ( assenza di segnale ) e S/N = 1 ( segnale e rumore sono di uguale ampiezza )

Caratteristico il punto per $S/N=1$ con $C(0)=0.3$

Le funzioni di correlazione giocano un ruolo importante nella navigazione subacquea dei sottomarini incrementando le capacità di scoperta del sonar necessarie, sia per la mobilità del semovente, sia per la difesa dello stesso.

Insiemi di idrofoni ( idrofono ), installati a scafo, forniscono i segnali da inviare a macchine (correlatori) che, tramite le funzioni di correlazione consentono, con opportuni livelli numerici o di tensione, l’individuazione di segnali mascherati da disturbi a carattere casuale con rapporti limite di rivelazione dell' ordine di $S/N\approx 1/10$.

Comportamento delle funzioni di correlazione:

1^ condizione ( segnali assenti, presenza del solo disturbo)

i disturbi sono evidenziati dalle funzioni con un livello numerico o di tensione di rumore N che ondula di $\pm \varepsilon$ attorno al livello 0; dove $\varepsilon$ è la varianza (rumore).

2^ condizione (segnali presenti tra i disturbi)

le funzioni ne denunciano la presenza con un livello numerico o di tensione normalizzato $C(\tau )\pm \varepsilon$ tale che:

$0<C(\tau )\pm \varepsilon <=1$

dove $\varepsilon$ è la varianza (rumore) che inquina il segnale.

• 
  Immagini oscilloscopiche di $C(\tau )$ realizzate in laboratorio:
• 

a sinistra 1^ condizione: $S/N=0$

a destra 2^ condizione $S/N=1/2.5$

Nell'impiego delle funzioni di correlazione, per rapporti $S/N$ molto piccoli, intervengono altre serie di variabili:

$Priv.=x\%$ ( percentuale di probabilità di rivelare il segnale)

$Pfa.=y\%$ ( percentuale di probabilità che il rumore provochi una falsa presenza di un segnale )

Il legame tra queste e il rapporto $S/N$ dipende da un caratteristico parametro probabilistico indicato con la lettera $d$ secondo le espressioni:

$d=f(Priv;Pfa)$

$S/N={d/[2RC(f2-f1)]}$

dove:

$RC$ è la costante d'integrazione del correlatore

$f2-f1$ la larghezza di banda del ricevitore

il valore del parametro $d$ è fondamentale nel calcolo delle portate di scoperta del sonar.

Con l'impiego di molteplici correlatori si moltiplicano le funzioni di correlazione (sistemi a fasci preformati) e il sonar può esplorare tutto l'orizzonte ad ogni istante (nota 7).

NOTE:

1^) OFFICE OF NAVAVAL RESEARCH CONTRACT N5 ORI-76 PROJECT ORDER X TECHNICAL MEMORANDUM NO. 27 CORRELATORS FOR SIGNAL RECEPTION - By JAMES J. FARAN VJR. ROBE RT HILLS 11JR. SEPTEMBER 15, 1952 ACOUSICS RESEARCH LABORATORY DIVISION OF APPLIED SCIENCE HARVARD UNIVERSITY – CAMBRIDGE, MASSACHUSETTS [http://www.sonar-info.info/p02/02pagina.html

2^) OFFICE OF NAVAVAL RESEARCH CONTRACT N5 ORI-76 PROJECT ORDER X TECHNICAL MEMORANDUM NO. 28, THE APPLICATION OF CORRELATION TECHNIQUES TO ACOUSTIC RECEIVING SYSTEMS -By JAMES J. FARAN VJR. ROBERT HILLS 11JR. NOVEMBER 1, 1952 ACOUSICS RESEARCH LABORATORY DIVISION OF APPLIED SCIENCE HARVARD UNIVERSITY – CAMBRIDGE, MASSACHUSETTS [http://www.sonar-info.info/p03/03pagina.html

3^) PRINCIPLES OF UNDERWATER SOUND 3^ ed. By Robert j. Urick Mc Graw - Hill.

4^) THE APPLICATION OF CORRELATION FUNCTIONS IN THE DECTION OF SMALL SIGNALS IN NOISE By: Y.W. LEE; T.P. - CHEATHM JR- B. WIESNER RESEARCH LABORATORY OF ELECTRONICS MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECNOLOGY

5^) ON THE IMPROVEMENT OF DETECTION AND PRECISION CAPABILITIES OFSONAR SYSTEM Paper n°26 BRIT.I.R.E vol. 25 n°6 1963- By: Prof. Maurizio Federici -Simposium on sonar system-

6^) PRINCIPI ED APPLICAZIONI DEI METODI CORRELAZIONE C. Del turco - L’antenna n° 6 1960

7^)SUL CALCOLO DEL MINIMO NUMERO DI FASCI PREFORMATI PER IL SONAR C. Del Turco - Rivista Tecnica Selenia vol. 3- 1990

8^)LA CORRELAZIONE C. Del Turco - Ed. Moderna SP. 1993

9^)FONDAMENTI DELLA LOCALIZZAZIONE SOTTOMARINA G. Pazienza –Studio grafico Restani – 1970 - La Spezia –

10^)LEITFADEN ZUR BERECHNUNG VON SCHALLVORGANGEN H. Senzel - Julius Springer - Berlin – 1939 –

11^) PRINCIPI DI ELETTROACUSTICA SUBACQUEA
A.De Dominics Rotondi – ELSAG Genova 1990 -

Voci correlate

• Sottomarini
• Rumore gaussiano
• Analisi matematica

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Collegamenti esterni

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