Prototipi sonar per vettore A184

La presente lezione tratta dei prototipi sonar per vettore A184, è relativa agli studi ed alle realizzazioni di campioni sviluppati presso la Soc. USEA nel 1967.

L’obiettivo consisteva nella costruzione di sistemi sonar, attivi e passivi, da inserire nelle ogive dei siluri nominati A184; a detto progetto fu dato il nome di Autoguida 1967 ( AG67 ).

I prototipi AG67 comprendevano basi acustiche ortogonali, preamplificatori, trasmettitori e ricevitori a fasci preformati; tutto contenuto all'interno dell’ogiva.

La sperimentazione dei prototipi fu condotta con un'ogiva acustica montata, con apposito fondello-supporto, sulla parte superiore di un sommergibile operativo; con apposito cavo i segnali di emissione e ricezione venivano convogliati in un locale del battello per i rilievi del caso.

Il vettore multiruolo $A184$, dall'aspetto simile al vettore MU 90, ma di dimensioni maggiori, ha un sistema di filoguida e un'acustica dell’ogiva molto sviluppati.

La strategia implementata in questo tipo di vettori prevede il controllo via cavo del loro percorso per un lungo tratto di mare, circa $20000$ metri, per l'indirizzamento del vettore sul bersaglio in una zona di raggio non inferiore a $1500$ metri; raggiunto il limite di distanza prevista il siluro si sgancia dalla filoguida e inizia in modo autonomo, con il proprio sonar, la localizzazione precisa del bersaglio con la componente passiva e/o quella attiva in base alla programmazione impostata.

Dato che i bersagli possono essere indifferentemente sia navi di superficie che sommergibili la localizzazione prevede la determinazione precisa, sia della direzione del bersaglio nel piano orizzontale, che dell'angolo tra l'orizzonte e la congiungente siluro-bersaglio nel piano verticale.

Questa duplice misura è possibile grazie alla struttura ogivale della testa del siluro che consente la realizzazione di due sistemi di fasci preformati ortogonali tra loro.

Caratteristiche delle basi acustiche dell’ogiva

L'ogiva acustica, schematizzata in figura 1, supporta due basi idrofoniche ciascuna posizionata sulle circonferenze giacenti su piani ortogonali del supporto.

figura 1 Ogiva vettore con basi idrofoniche a croce

I trasduttori delle due basi nel piano orizzontale e in quello verticale sono evidenziati con dischetti neri; la base orizzontale è estesa su tutto l'arco dell'ogiva mentre quella verticale ne occupa soltanto una porzione.

L'ogiva si presenta con una superficie uniforme senza traccia dei sensori idrofonici, che sono ricoperti con uno strato leggero di resina epossidica trasparente al suono.

La ricezione della base orizzontale è stata progettata per generare fasci preformati aventi i lobi con le stesse caratteristiche su tutte le direzioni ed è limitata in un arco di circa $\pm \ 45$° rispetto all'asse longitudinale del vettore.

La ricezione della base verticale, date le geometrie nel campo, è limitata in un arco di circa $\pm \ 10$°.

Con ciascuna base si rilevano dati angolari, sul piano orizzontale e su quello verticale, necessari per l'autoguida del vettore verso il bersaglio.

Dettagli della geometria della base acustica orizzontale

Il disegno della base acustica che si sviluppa nel piano orizzontale, per evidenziare l'arco utile con il quale si compongono i fasci preformati è mostrato in figura 2:

figura 2 Ogiva vettore con basi idrofoniche a croce

Con tale geometria tutti i fasci preformati compresi tra $\pm \ 45$° hanno le stesse caratteristiche di guadagno e di sensibilità; date le dimensioni dell'ogiva tutte le lunghezze delle corde, accoglienti la proiezione degli idrofoni che formano un fascio, sono dell'ordine di $35\ cm$.

Nella figura il numero dei sensori non corrisponde a quello reale.

Tecniche per il progetto dei fasci preformati

I fasci preformati progettati per i prototipi AG67 prevedevano il rifasamento delle tensioni generate dagli idrofoni e non la loro rimessa in coerenza ; ciò in virtù del fatto che il sonar doveva operare prevalentemente in attivo, con impulsi di frequenza nota (salvo il Doppler), e in passivo in banda estremamente stretta.

Gli sfasamenti calcolati erano realizzati tramite le cellule R-C riportate in figura 3 secondo caratteristici criteri di progetto.

figura 3 Cellula di rifasamento per segnali a banda stretta

A seguito dell'industrializzazione dell'ogiva la struttura dei fasci rimase praticamente identica salvo una notevole riduzione dei volumi di tutta l'elettronica.

Ad oggi la struttura attuale dei fasci preformati dell'ogiva del vettore A184 può essere sviluppata sia con il metodo indicato, sia con sistemi numerici su processori veloci che richiedono la digitalizzazione delle tensioni idrofoniche.

La portata di scoperta dell’ogiva acustica

Per il particolare modo d'impiego il sonar dell'ogiva deve consentire la portata di scoperta voluta, indicata in precedenza in $1500$ metri, dopo aver fissate, di massima, le seguenti probabilità di rivelazione e falso allarme:

$Priv=99\%$

$Pfa=0.01\%$

Il calcolo della portata dell'ogiva è risolto per via grafico-numerica secondo le seguenti variabili:

• Frequenza dell'impulso trasmesso dal vettore: $F=30000\ Hz$

• Livello indice di trasmissione ipotizzato per il trasmettitore del vettore :

$LI=210\ dB/\mu Pa/1\ m$

• Guadagno di direttività della base orizzontale dell'ogiva $DI=23\ dB$

• Livello del rumore messo a calcolo: rumore del mare + rumore del vettore:

$NL=57\ dB/\mu Pa/{\sqrt {Hz}}$

• Forza del bersaglio $TS=15\ dB$
• Larghezza di banda del ricevitore:

$BW=1300\ Hz$

• Durata dell'impulso emesso dal vettore: $t=0.0025\ s.$
• Probabilità di scoperta: $Priv=99\%$
• Probabilità di falso allarme $Pfa=0.01\%$
• Con questa coppia di valori probabilistici dalle curve ROC si legge: $d=37$
• Propagazione : sferica
• Soglia di rivelazione calcolata con la formula:

$DT=5\cdot log_{10}{(BW\cdot d/t)}$ = $5\cdot log_{10}{(1300\cdot 37/0.0025)}$ = $36\ dB$

Con i dati impostati si applica la prima equazione in $TL$ ottenendo:

$TL=LI+DI+TS-DT-NL$ = $210\ dB+23\ dB+15\ dB-36\ dB-57\ dB$ = $155\ dB$

Successivamente s'imposta la variazione del $TL$ con la seconda equazione in funzione della distanza $R$ e del coefficiente di assorbimento $\alpha$

Il valore di $\alpha$ ,calcolato con la formula di Thorp per $f$ in $kHz$:

$\alpha =\left[{\frac {0.1\cdot f^{2}}{1+f^{2}}}\right]+\left[{\frac {40\cdot f^{2}}{4100+f^{2}}}\right]+\left[{\frac {2.75\cdot f^{2}}{10^{4}}}\right]$

che, per $F=30\ kHz$ dà $\alpha =7.5\ dB/km$

$TL=60\ dB+20\cdot log_{10}{R}+R\cdot \alpha$ = $60\ dB+20\cdot log_{10}{R}+7.5\cdot R$

La soluzione grafica del problema in figura 4:

figura 4 Soluzione grafica per la portata del vettore

E’ tracciata la curva di $TL$ della prima equazione (retta rossa parallela alle ascisse)

È tracciata la curva di $TL$ della seconda equazione in funzione di $R.$ (in blu).

Il risultato della computazione, punto d'intersezione tra le due curve, indica una portata di$1700\ m$, di poco superiore a quella dichiarata ( $1500\ m$) come caratteristica rilevante per il vettore.

Osservazione: La portata calcolata, a carattere probabilistico, è sempre subordinata alla scelta di:

$Priv=99\%$

$Pfa=0.01\%$

Bibliografia

• Robert J. Urick, Principles of underwater sound , Mc Graw – Hill|edizione=3ª, 1968
• Aldo De Dominics Rotondi, Principi di elettroacustica subacquea , Elettronica San Giorgio-Elsag S.p.A. Genova, 1990.
• Nat. Def. Res.Comm. Div.6 Sum. Tech. rep. vol.22, Acoustic Torpedoes,1946