Il telefono subacqueo

Nell'ambito dei sistemi di comunicazione di un sommergibile si inserisce a buon diritto la funzione del telefono subacqueo che può essere implementata nel sonar.

Il telefono subacqueo rappresenta un mezzo molto utile per le comunicazioni bidirezionali tra mezzi navali.

Esso si avvale della componente attiva del sonar per l'invio di messaggi e della componente passiva per la loro ricezione.

L'implementazione del telefono nel sonar è resa possibile grazie all'impiego di un apposito dispositivo ausiliario (telefono subacqueo) di comunicazione e ascolto.

L'operatore che desidera comunicare con un corrispondente, dopo aver acceso il dispositivo, effettua una chiamata dal microfono, contemporaneamente i circuiti di modulazione comandano il cofano trasmettitore che eccita la base degli emettitori. L'energia acustica emessa si propaga in mare e viene captata dal sonar del corrispondente che, essendo in ascolto (l'operatore lo è sempre durante la navigazione), risponde alla chiamata con un telefono simile.

Le onde acustiche del sonar corrispondente colpiscono la base idrofonica, i segnali da essa generati attraverso il cofano amplificatori e il cofano elaborazione raggiungono i circuiti di demodulazione del telefono che li trasferisce, amplificati, alla cuffia per l'ascolto.

Quando un sonar riceve una chiamata telefonica, sullo schermo video del cofano di presentazione compare una traccia luminosa che indica all'operatore la direzione del battello che l'ha inviata.

Schema a blocchi di un sonar nel quale è implementata la funzione "telefono subacqueo"

L'implementazione della funzione "telefono subacqueo" nel sonar è mostrata, in via di principio, nella figura 1.

Nello schema a blocchi sono evidenziate in celeste le componenti del sonar, ed in giallo il cofano che contiene tutta la circuitazione del telefono subacqueo.

Come si vede dalle frecce grigie il telefono subacqueo riceve i segnali esterni dal cofano collegato alla base acustica del sonar, successivamente, dopo l'ascolto, invia il segnale telefonico di risposta direttamente al cofano trasmettitore che lo trasferisce alla base di emissione del sonar.

La modalità di trasmissione del telefono è del tipo a banda laterale unica così come mostra lo spettro di figura 2a.

I vantaggi di questo tipo di trasmissione sono evidenti dalla comparazione di figura 2b con figura 2a, da quest'ultima si nota:

• non ha la presenza della portante e quindi non disperde energia che non contiene informazione
• non avendo la portante non consente l'individuazione della sorgente in assenza di comunicazione
• tutta la potenza dell'informazione è concentrata nella banda laterale
• in assenza di segnale fonico la tensione inviata al trasmettitore sonar è praticamente nulla

Generalmente le frequenze di emissione dei telefoni subacquei sono prossime a quelle dei sonar nei quali sono inseriti; mentre la larghezza della banda laterale è compresa, indicativamente, tra 100 e 2500 Hz.

L'emissione del telefono non viene captata soltanto dal battello al quale è destinata ma da tutti i sonar in ascolto nella zona. Questo fatto limita notevolmente l'impiego del telefono se il sommergibile non vuole essere individuato, per diminuire tale probabilità l'operatore può comandare l'emissione direttiva.

Schema a blocchi del telefono subacqueo in trasmissione

Lo schema del telefono subacqueo in trasmissione è illustrato in figura 3; in essa sono riportati graficamente i seguenti blocchi funzionali (non compaiono i diversi amplificatori di livello e funzioni accessorie):

• m = microfono di servizio
• sfa = circuito sfasatore ( 0° / 90°) segnali audio
• mp1 - mp2 = moltiplicatori bilanciati
• gp = generatore della frequenza portante
• sfp = circuito sfasatore ( 0 / 90° ) della portante
• sm = sommatore elettronico

In linea di massima il funzionamento del circuito di figura 3 è il seguente:
Il segnale audio generato dal microfono "m", opportunamente amplificato e filtrato in banda, è inviato al circuito sfasatore "sfa" che ha il compito di rendere in uscita due segnali audio sfasati tra loro di 90°.
I due segnali sono applicati rispettivamente ai due ingressi dei moltiplicatori "mp1" e "mp2".
Il segnale del generatore della frequenza portante "gp" viene a sua volta sfasato di 90° tramite "sfp" e applicato agli altri due ingressi dei moltiplicatori "mp1" e "mp2".
Infine il sommatore "sm" riceve i due segnali dall' uscita da "mp1" e "mp2" e rende il segnale voluto indicato genericamente con ssb; detto segnale, se rappresenta la parte più alta dello spettro, è indicato come usb, se rappresenta la parte inferiore dello spettro è indicato come lsb.
Il segnale all'uscita di "sm", opportunamente amplificato, è indirizzato al trasmettitore del sonar.
Il funzionamento dell'intero circuito si basa sulle caratteristiche dei due moltiplicatori "mp1" e "mp2" che eseguono il prodotto dei segnali ai loro rispettivi ingressi cancellando "completamente" la frequenza portante.
Giocando sugli sfasamenti tra le tensioni applicate un moltiplicatore rende la somma delle bande laterali dovute alla modulazione audio, l'altro rende la loro differenza.
Il segnale a doppia banda laterale in uscita da "mp1" e "mp2" è genericamente indicato con DSB.
E' evidente che i due segnali in uscita da "mp1" e "mp2" consentono, tramite la somma con "sm" ,di cancellare la banda laterale non desiderata fornendo la doppia ampiezza di quella voluta.

Esame del circuito di figura 3 dal punto di vista matematico

Assegniamo al segnale microfonico di "m" il simbolo fo ed al segnale del generatore "gs" il simbolo f ; le due velocità angolari degli argomenti saranno :

$\omega o=2\pi fo$

$\omega =2\pi f$

e le loro funzioni trigonometriche $a1s;\ p1s$:

$a1s=\sin(\omega o\cdot t)$

$p1s=\sin(\omega \cdot t)$

Le due funzioni all'uscita dei rispettivi sfasatori "sfa" e "sfp" saranno:

$a1s=\sin(\omega o\cdot t)$

$a1c=\cos(\omega o\cdot t)$

$p1s=\sin(\omega \cdot t)$

$p1c=\cos(\omega \cdot t)$

Per DSB1 su "mp1" abbiamo il prodotto tra il segnale a fase 0° (seno) e la portante a fase 90°, (coseno):

$DSB1=\sin(\omega o\cdot t)\cdot \cos(\omega \cdot t)$

che sviluppato secondo le formule di Werner dà:

$DSB1=(1/2)\sin[(\omega o-\omega )\ t]+(1/2)\sin[(\omega o+\omega )\ t]$

Per DSB2 su "mp2" abbiamo il prodotto tra il segnale a fase 90° , coseno , e la portante a fase 0° seno:

$DSB2=\cos(\omega o\cdot t)\cdot \sin(\omega \cdot t)$

che sviluppato secondo le formule di Werner dà:

$DSB2=(1/2)\sin[(\omega -\omega o)\ t]+(1/2)\sin[(\omega +\omega o)\ t]$

Eseguiamo ora la somma tra l'espressione di DSB1 e DSB2, per determinare l'espressione dell'onda SSB

questa operazione è eseguita dal circuito sommatore al quale confluiscono le due uscite dei segnali DSB, abbiamo:

$USB=DSB1+DSB2$ =

$(1/2)\sin[(\omega o-\omega )t]+(1/2)\sin[(\omega o+\omega )t]+(1/2)\sin[(\omega -\omega o)t]+(1/2)\sin[(\omega +\omega o)t]$

raggruppando gli addendi con gli argomenti in differenza e quelli con gli argomenti in somma si ha

$(1/2)\sin[(\omega o-\omega )t]+(1/2)\sin[(\omega -\omega o)t]+(1/2)\sin[(\omega o+w)t]+(1/2)\sin[(\omega +\omega o)t]$

ricordando che $\sin(-x)=-\sin(x)$ si può scrivere:

$(1/2)\sin[(\omega o-\omega )t]-(1/2)\sin[(\omega o-\omega )t]+(1/2)\sin[(\omega o+\omega )t]+(1/2)\sin[(\omega +\omega o)t]$

con tale passaggio si possono elidere i primi due addendi con argomento differenza $(\omega o-\omega )$ ottenendo infine:

$USB=DSB1+DSB2$ = $(1/2)\sin[(\omega o+\omega )t]+(1/2)\sin[(\omega +\omega o)t]$ = $\sin[(\omega +\omega o)t]$

una funzione semplice nella quale si evidenzia soltanto la banda laterale superiore di pulsazione $(\omega +\omega o)$, ovvero di frequenza $(f+fo)$.

In termini numerici:

Se la portante è pari a $f=10000\ Hz$ e lo spettro della modulante audio è compreso tra $100$ a $2000\ Hz$ lo spettro della USB sarà esteso da $10100\ Hz$ a $12000Hz$ così come indicato, non in scala ,in figura 4.

Schema a blocchi del telefono subacqueo in ricezione

Lo schema del telefono subacqueo in ricezione è illustrato in figura 5; in essa sono riportati i blocchi funzionali (non compaiono i diversi amplificatori di livello e funzioni accessorie):

Il segnale sr = f + fo ( somma della portante f e del segnale telefonico fo), captato dalla base ricevente del sonar, è applicato all'ingresso del moltiplicatore "mp" ( moltiplicatore con "cancellazione" della frequenza dell'oscillatore locale); il secondo ingresso di "mp" riceve il segnale dall'oscillatore locale "ol" La frequenza f' di "ol" deve essere identica alla frequenza f utilizzata dal corrispondente in fase di modulazione; il segnale audio sa = fo in uscita è ottenuto secondo il seguente processo: indicando con:

$\omega 1=2\pi \ (f+fo)$ la pulsazione di "sr"

$\omega 2=2\pi \ f'$ la pulsazione di "ol".

le loro funzioni trigonometriche sono:

$sr(trig.)=\sin(\omega 1\ t)$

$ol(trig.)=\sin(\omega 2\ t)$

all'uscita di "mp" avremo:

$sump=sr(trg.)\cdot ol(trig.)=\sin(\omega 1\ t)\cdot \sin(\omega 2\ t)$

secondo Werner si ha:

$sump=(1/2)\cos[(\omega 1-\omega 2)\ t]-(1/2)\cos[(\omega 1+\omega 2)\ t]$ =

$(1/2)\cos[2\pi (f+fo-f')t]-(1/2)\cos[2\ \pi \ (f+fo+f')\ t]$

dovendo essere $f'=f$ si ha:

$sump=(1/2)\ \cos[(2\pi fo)\ t]-(1/2)\cos[2\pi \ (2f'+fo)\ t]$

Il segnale sump è applicato all'ingresso del filtro "pb" che ha il compito di bloccare tutte le frequenze di sump superiori a fo; l'azione di "pb" "arresta" pertanto il passaggio del termine :

$(1/2)\cos[2\pi (2f'+fo)t]$

e rende infine all'uscita di "pb" stesso il segnale audio $(sa=fo)$ che giunge all'operatore:

$sa=(1/2)\cos[(2\pi \ fo)\ t]$

Appendice

In appendice due significative osservazioni sulla funzione "telefono subacqueo", nell'ordine:

A)-In fase di ricezione il telefono opera come indicato in figura 5; in particolare si dimostra matematicamente come la frequenza f' (dell'oscillatore locale ol) debba essere identica alla frequenza f (della portante di trasmissione) affinché si verifichi la cancellazione di quest'ultima.
Se f' è diverso da f si genera un fenomeno distorsivo che, al limite, può provocare l'intelligibilità del messaggio telefonico.
Se dal punto di vista costruttivo è indubbio che una coppia di telefoni abbia f' = f , nulla invece si può dire in relazione all'effetto Doppler che modifica, se i mezzi che comunicano sono in movimento,
il valore di f + fo e di conseguenza il valore di f.
Per questa ragione in alcuni telefoni subacquei è disponibile un circuito che, in funzione della velocità relativa tra i battelli, corregge il valore della frequenza f al fine di ridurre la distorsione dei messaggi a causa dell'effetto Doppler.

B)-Generalmente l'implementazione della funzione telefono subacqueo nel sonar è suggerita per il risparmio dell'energia e dello spazio mai eccessivi a bordo dei sommergibili.
Quando il telefono deve essere in dotazione di bordo di navi di superficie questo può assumere struttura autonoma comprensiva di:
- trasduttore direttivo di emissione
- trasduttore omnidirezionale in ricezione
- cofano modulatore, trasmettitore, ricevitore, alimentatore e sicurezze
- pannelli di comunicazione, comando e controllo da disporre nei locali più opportuni della nave

Di questo tipo di apparati citiamo il modello TS200 della Soc. USEA installato su numerose unità navali della M.M.I. ( Cl. Maestrale )

Bibliografia

Soc. USEA Monografia telefono subacqueo TS 200, Archivio Arsenale M.M.I di La Spezia.

C. Del Turco Elettronica generale di bassa frequenza : testo liberamente scaricabile:con il link: