Rumori del mare e dei preamplificatori idrofonici del sonar

Le tensioni di rumore generate dai preamplificatori del sonar non devono superare quelle generate dagli idrofoni a causa del rumore del mare; soltanto in questo caso sarà possibile la scoperta di bersagli a grande distanza.

I calcoli sulla propagazione del suono in mare, infatti, mostrano che i segnali idrofonici di bersagli molto lontani possono essere ricevuti con livelli di pressione uguali od inferiori ai più bassi livelli del rumore del mare.

Per una valutazione numerica del rapporto esistente tra le due variabili è necessario iniziare l'esame del rumore del mare.

Il rumore del mare

Con il termine rumore del mare ci si riferisce alle cause che provocano perturbazioni acustiche in mare e che, per loro natura, sono sempre presenti a diversi livelli, queste creano significative riduzioni delle portate di scoperta dei sistemi sonar.

Il rumore del mare è riportato nelle curve tracciate in figura 1:

figura 1 Diagrammi dello stato del mare

Le curve indicano come varia la pressione acustica generata dal moto ondoso del mare in funzione dei due parametri fondamentali che caratterizzano la fisica del fenomeno; con sei segmenti di retta diversamente colorati si mostra la dipendenza del valore della pressione in funzione della sua frequenza e dello stato del mare.

Le ascisse indicano, in scala logaritmica a $3$ decadi, il campo delle frequenze generate dal moto ondoso in un intervallo di valori che si estende da $100$ Hz a $100$ kHz.

Le ordinate, in scala lineare, indicano i livelli di pressione acustica del rumore espressi in $dB/\mu Pa$ / ${\sqrt {Hz}}$, in un intervallo esteso da $0$ dB a $+100$ dB con $20$ divisioni da $5\ dB/div.$

La pendenza delle rette di $-5$ dB/ottava indica come alle frequenze più basse il livello del rumore del mare sia molto più elevato che alle frequenze alte.

Nella figura l'ampiezza del rumore del mare si estende dal minimo livello, curva marrone, dovuto alla sola agitazione termica del mezzo (MWN - minimum water noise) , al mare $SS=6$, generato dal forte moto ondoso, indicato dalla curva bianca.

Utilizzo del diagramma

Un esempio di computo di previsione nella più favorevole condizione ambientale con l'assunzione di due variabili:

• stato del mare ( $SS=0$ )
• frequenza centrale della banda da valutare ($f=2\ kH$ )

Per $SS=0$ -vedi retta rossa nel grafico- e $f=2\ kHz$, si valuta il livello di pressione per ${\sqrt {Hz}}$ ;

tale livello è: $+39\ dB/\mu Pa/{\sqrt {Hz}}$

Se il livello di pressione calcolato colpisce una stecca idrofonica avente la sensibilità di $-200\ dB/1\ Veff./\mu Pa$, la tensione in uscita della stecca sarà:

$-200\ dB/1\ Veff./\mu Pa\ +39\ dB/\mu \ Pa{\sqrt {Hz}}$ = $-161\ dB/Veff./{\sqrt {Hz}}$ pari a:

$Vu\ (idrofono)$ = $9\cdot 10^{-9}Veff./{\sqrt {Hz}}$ $=(9\ nV/{\sqrt {Hz}})$

La stecca idrofonica in oggetto è mostrata in figura 2:

figura 2 Idrofono a stecca del sonar IPD70S

Il preamplificatore idrofonico

Il livello di tensione di rumore che si genera ai capi dell'idrofono, funzione dello stato del mare, dal computo dell'esempio precedente risulta:

$Vu\ (idrofono)$ = $9\cdot 10^{-9}Veff./{\sqrt {Hz}}$ $=(9\ nV/{\sqrt {Hz}})$.

Per ottimizzare le capacità di scoperta del sonar deve essere progettato un preamplificatore avente un rumore proprio nettamente inferiore alla tensione di rumore calcolata.

Il preamplificatore può essere progettato prevedendo come stadio d'ingresso una coppia di transistori a basso rumore; ad esempio la coppia bilanciata Mat 02 le cui caratteristiche di rumore sono illustrate in figura 3:

figura 3 Rumore spettrale integrato Mat 02

Se la coppia Mat 02 lavora con una corrente $Ic=1\ mA$, il rumore spettrale d'ingresso, a $2000\ Hz$, deducibile dalle curve è

$0.9\cdot 10^{-9}Veff./{\sqrt {Hz}}$ $=(0.9\ nV/{\sqrt {Hz}})$.

Il rumore d'ingresso del preamplificatore risulta inferiore di $20\ dB$ rispetto alla tensione di rumore generata dall'idrofono colpito dal rumore del mare.

Generalmente il rumore di un preamplificatore idrofonico deve essere valutato in tutta la banda di frequenze di ricezione; a tal proposito la verifica del rumore proprio viene eseguita per un numero discreto di frequenze facenti parte della banda; questi valori sono poi trasformati in pressioni acustiche e tracciati, per punti, nel diagramma dei rumori del mare.

In figura 4 è riportato un esempio di tale procedura con i dati rilevati in laboratorio su di un preamplificatore con Mat 02:

figura 4 Rumore Mat 02 - misure di laboratorio

Bibliografia

• R. J. Urick, Principles of underwater sound, 3ª ed., Mc Graw – Hill, 1968.
• V.O.Knudsen, Ambient Noise, Rep. n.3 Survey of Underwater Sound ( O.S.D.R. Rep. 433 Norc Rep-6-1-1848 P8 31021, 1944.
• PMI-Precision Monolithics INC.-, Linear and conversion applications handbook, 1986