Direttività del sonar per immagini commentate

Le basi idrofoniche sono caratterizzate da tre variabili funzionali indicate come: Caratteristica di direttività – Guadagno – Sensibilità.

La prima variabile indica come varia la sensibilità con il variare della direzione di provenienza dell’onda acustica, la seconda è relativa alla capacità d’abbattimento del rumore ambiente, l’ultima è una funzione diretta delle sensibilità degli idrofoni che la formano.

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

In questa pagina tratteremo l'argomento in semplici termini grafico discorsivi rimandando il lettore alle voci specialistiche per l'analisi delle direttività in termini matematici.

Disegni di massima e fotografie di un sistema acustico ricevente

Nella figura è mostrata in pianta la composizione di un sistema acustico ricevente per sottomarino disposto secondo il profilo dello scafo ^[1] di un sottomarino, questa geometria è detta a "Base conforme":

Sistema acustico - Base conforme vista in pianta

Fotografia di un singolo idrofono ^[2] fa parte dell'insieme della figura precedente.

Idrofono a stecca del sonar IPD70S

La disposizione degli idrofoni nel settore di prua del sottomarino, vista in prospettiva, ^[3], è mostrata in figura:

Prospetto base idrofonica

La stessa disposizione della figura precedente è mostrata nel contesto dello scafo del sottomarino nella silhouette in figura:

Silhouette indicativa collocazione base conforme sottomarino Sauro

Ed in ultima una fotografia che mostra una parte del sistema acustico^[4] montato sullo scafo resistente del sottomarino:

Vista di porzione di base conforme del sottomarino Toti

Geometria di ricezione del sistema acustico

Quando il suono emesso dal bersaglio colpisce la base acustica del sonar si può considerare la geometria di figura:

Supporto base acustica con diagramma polare

Nella geometria si osserva:

Un tracciato polare chiuso dalla parte bassa con una banda nera, banda che rappresenta la schermatura dello scafo nei confronti dello schieramento dei sensori; questi possono ricevere, in via teorica, soltanto i suoni che provengono dalla parte superiore della banda nera.

Un bersaglio "B", posto in alto, ed il rumore da esso generato tracciato idealmente come una riga gialla che unisce il bersaglio stesso con la base acustica.

Un insieme di puntini neri che rappresentano il rumore del mare che avvolge tutto lo scafo del sottomarino.

Sulla destra, a memoria della struttura vera della base acustica, la fotografia già mostrata in precedenza.

Direttività

Per comprendere al meglio come la direttività di una base acustica, esaminata nel piano orizzontale, dipenda, oltre ad altri fattori, dal numero degli idrofoni impiegati nel processo di ricezione dei rumori emessi dai bersagli esaminiamo le diverse soluzioni ottenibili partendo dalla figura dell'ultima sezione.

Direttività con 2 idrofoni

Consideriamo la base acustica formata da 2 soli idrofoni ^[5] idrofoni, la figura precedente assumerà un nuovo profilo nel quale si evidenzia in rosso un semicerchio a rappresentare che il settore di mare che viene ascoltato in eguale modo interessa tutti 180° prospicienti alla base acustica.

Ciò significa che il rumore del bersaglio è ricevuto al massimo livello ma anche il rumore del mare viene captato sui 180° al massimo livello; questa condizione penalizza di fatto la ricezione del rumore emesso dal bersaglio che viene coperto dal rumore del mare

Curva di direttività base acustica con solo 2 idrofoni (andamento indicativo)

Direttività con 4 idrofoni

In virtù del miglioramento della caratteristica di direttività della base acustica con l'incremento del numero degli idrofoni vediamo quale vantaggio si ha portando questi da 2 a 4.

Curva di direttività base acustica con 4 idrofoni (andamento indicativo)

La figura mostra che l'ampiezza della curva rossa si riduce nei settori distanti dalla direzione del bersaglio e il rumore del mare ,in tali settori, è meno sentito. L'arco rosso si chiude sensibilmente agli estremi del grafico; questo a vantaggio del rapporto tra il segnale emesso dal bersaglio e il rumore del mare.

Direttività con 8 idrofoni

Proseguendo con l'incremento del numero degli idrofoni si computa la direttività per 8 sensori ottenendo il nuovo grafico che mostra una sensibile riduzione d'ampiezza del tracciato rosso nei settori distanti dal segnale (segmento giallo):

Curva di direttività base acustica con 8 idrofoni (andamento indicativo)

Direttività con 16 idrofoni

Incrementando ulteriormente il numero degli idrofoni, da 8 a 16 si osserva una progressiva riduzione dell'ampiezza dell'arco rosso comprendente la direzione del bersaglio, secondo le due figure successive con conseguente abbattimento del rumore del mare in costanza d'ampiezza del segnale del bersaglio sotteso sempre al valore massimo dell'arco rosso.

Curva di direttività base acustica con 16 idrofoni (andamento indicativo)

Direttività con 32 idrofoni

Indicativamente è mostrata in figura la curva polare della direttività della base corredata con 32 idrofoni.

Curva di direttività base acustica con 32 idrofoni (andamento indicativo)

Osservazioni

Le operazioni eseguite non cancellano completamente il rumore del mare visto che la riga gialla del segnale è contornata sempre, nell'ambito del tracciato rosso, dal rumore del mare anche se di modesta intensità.

Nelle ultime due figure si evidenziano, alla base dei diagrammi rossi, dei piccoli lobi della direttività detti "lobi secondari", questi incrementano di poco il rumore del mare ma, in alcuni casi particolari, possono generare ambiguità nella determinazione della direzione del bersaglio.

E' importante osservare che i diagrammi rossi, che definiscono la direttività della base, sono tracciati nel piano orizzontale.

I grafici rappresentano di fatto una sezione, in tale piano, del solido che mostra la direttività in tutto lo spazio subacqueo:

Lobo di direttività in 3D

Note

↑ Il diametro dei sensori non è in scala con le dimensioni del sottomarino, se lo fosse apparirebbero dei punti.
↑ Le dimensioni di questo manufatto sono: Lunghezza 80 cm circa, diametro 5 cm circa
↑ La lunghezza totale della base, per sottomarini classe Sauro, era di 16 m circa.
↑ Porzione di base acustica messa in vista dopo la rimozione di una sezione del falso scafo.
↑ Le figure riportate nel testo sono realizzate tramite un file.exe che consente la variazione del numero degli idrofoni e la fase successiva del calcolo indicativo delle curve di direttività