Forza del bersaglio nella scoperta sonar

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

Le caratteristiche di riflessione di un semovente navale sono mostrate in figura 1 ; il diagramma riporta come varia l'ampiezza, espressa in $dB$ (deciBel), della riflessione in funzione dell'angolo di incidenza del suono; maggiore è la superficie illuminata del semovente maggiore è la forza del bersaglio.

figura 1 TS Diagramma della forza riflettente di un bersaglio

La forza del bersaglio

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” si intende il valore, espresso in $dB$ (deciBel), del rapporto fra l’intensità dell’energia riflessa e l’intensità dell’onda incidente.

La forza del bersaglio viene definita comunemente dal termine $TS$ (Target Strength) .

L'importanza dell'ampiezza del $TS$ 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 $28.9\ km\ a\ 27.5\ km$ se $TS$ varia da $15\ dB\ a\ 12\ dB$ .

Il calcolo del $TS$ per corpi aventi strutture geometriche regolari è stato sviluppato ed è disponibile in apposite tabelle.

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

Il Target Strength delle forme regolari -la 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 $TS$ di una sfera di grandi dimensioni è la più semplice tra tutte le formule di calcolo per i bersagli di forma regolare.

$TS=10\cdot \log _{10}{(r^{2}/4)}$

dove $r$ è il raggio della sfera

Formula valida sotto le condizioni:

$R>>r$

$(2\cdot \pi /\lambda )\cdot r>>1$

Dove:

$R$ è la distanza della sfera dalla sorgente

$\lambda =c/f$

$c=$ velocità del suono in mare $1530\ m/s.$

$f=$ frequenza dell’impulso acustico

Esempio di calcolo di $TS$ per un bersaglio sferico:

dati:

• $R=100\ m:$

• $r=4\ m$

• $f=10000\ Hz$ ovvero: $\lambda =1530/10000=0.153$

si verifica che sia:

• $R>>r$; $\quad 100>>4$

• $(2\cdot \pi /\lambda )\cdot r>>1$; $\quad (6.28/0.153)\cdot 4=164>>1$

quindi il computo di $TS:$

$TS=10\cdot \log _{10}{(4^{2}/4)}=6\ dB$

Il Target Strength delle forme regolari -il cilindro-

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

$TS=10\cdot \log _{10}{(r\cdot l^{2}/2\cdot \lambda )}$

Dove:

$r$ è il raggio

$l$ è la lunghezza

$\lambda =c/f$

$c=$velocità del suono in mare: $1530\ m/s.$

$f=$ frequenza dell’impulso acustico

devono sussistere le seguenti due condizioni:

$R>l^{2}/\lambda$; dove $R$ è la distanza del cilindro dalla sorgente.

$(2\cdot r\cdot \pi /\lambda )>>1$

Esempio di calcolo del $TS$ per un cilindro:

• distanza dalla sorgente $R=500\ m$

• raggio $r=0.8\ m$

• lunghezza $l=4\ m$

• $f=10000\ Hz$

• $c=1530\ m/s$

• $\lambda =c/10000\ =0.153$

verifica delle condizioni:

$R>l^{2}/\lambda$; $\quad 500>4^{2}/0.153=104.5$

$(2\cdot r\cdot \pi /\lambda )>>1$; $\quad (2\cdot 0.8\cdot \pi /0.153)=103>>1$

si ha:

$TS=10\cdot \log _{10}{(0.8\cdot 4^{2}/2\cdot 0.153)}=16.2\ dB$

Esempio della misura del Target Strength di una struttura irregolare

In figura 2 un sottomarino utilizzato per i rilievi del $TS$: classe Sauro in disarmo:

figura 2 Sottomarino Cl. Sauro

Procedura articolata in due fasi:

1ª Fase: validazione della procedura di misura in vasca anecoica

-Calcolo del $TS$ di una piccola sfera

-Confronto tra $TS$ calcolato e $TS$ misurato

Tabella riassuntiva dei dati calcolati e misurati in figura 3:

figura 3 TS sfera con r = 0.5 m; misure in vasca

2ª Fase: Procedura di misura in mare

-Rilievo dati sul campo

-Elaborazione dati

Tabella riassuntiva dei dati misurati e calcolo del $TS$in figura 4:

figura 4 Dati rilevati sul campo

Bersagli sintetici

La movimentazione dei bersagli costituiti da corpi di notevoli dimensioni è stata sempre un problema da risolvere.

La soluzione è stata trovata, dopo l'avvento dei computer, costruendo vettori leggeri in grado di rispondere agli impulsi di ricerca del sonar con valori del $TS$ calibrati in base alle esigenze del tipo dell'addestramento richiesto per gli operatori al sonar.

I vettori, diversamente dai bersagli fissi, si muovono secondo cinematiche prestabilite in modo che la loro scoperta con il sonar richieda notevole impegno da parte degli operatori.

Esposizione sintetica dei parametri che caratterizzano la funzionalità di un risponditore:

• - 1 - Gamma delle frequenze da ricevere.
• - 2 - Pressione acustica minima, dovuta all'impulso del sonar nave alla massima distanza, che colpisce l'idrofono ricevente (espressa in $dB/\mu Pa$).
• - 3 - Pressione acustica massima, dovuta all'impulso del sonar nave alla minima distanza, che colpisce l'idrofono ricevente.( espressa in $dB/\mu Pa$).
• - 4 - Pressione acustica minima dell'impulso che il risponditore deve emettere in risposta alla ricezione dell'impulso dal sonar nave ( espressa in $dB/\mu Pa/1\ m$).
• - 5 - pressione acustica massima dell'impulso che il risponditore deve emettere in risposta alla ricezione dell'impulso dal sonar nave ( espressa in $dB/\mu Pa/1\ m$ ).

Azioni a terra prima del lancio:

• - 1 - Caricamento del software sul computer di bordo dei dati in base ai parametri indicati:
• - 2 - Predisposizione $TS$ e cinematica voluti.
• - 3 - Predisposizione valore minimo e massimo degli impulsi emessi dal sonar.

Operatività in navigazione:

• - 1 - Esecuzione cinematica prevista.
• - 2 - Rivelazione degli impulsi sonar dal livello più basso al più elevato.
• - 3 - Valutazione numerica dei livelli degli impulsi.
• - 4 - Valutazione numerica della frequenza $f$ e della durata $to$ dell'impulso emesso dal sonar.
• - 5 - Generazione impulso sintetico di risposta di pari $f$ e $to$.
• - 6 - Somma al livello dell'impulso sintetico del valore del $TS$ caricato in precedenza.
• - 7 - Emissione impulso di risposta con i trasduttori di emissione.

Bibliografia

• Aldo De Dominics Rotondi, Principi di elettroacustica subacquea , Elettronica San Giorgio-Elsag S.p.A. Genova, 1990.
• Lockheed Martin’s Marion, Expendable Mobile Anti-Submarine Warfare (ASW) Training Targets (EMATTs),Massachusetts (dépliant vettore EMATT)
• Carl.R. Andriani, Submarine Target Strength Estimates at 1 kHz, Naval Research Laboratory Washington. D.C, 1974.

• Del Turco, Sonar- Principi - Tecnologie – Applicazioni, Tip. Moderna La Spezia, 1992.