Sonar dei siluri

I sonar dei siluri sono stati progettati in base a precise indicazioni operative relative all’ampiezza del raggio d’azione.

Tipologie del sonar per siluri

I sonar impiegati sui siluri sono di due tipi:

• Per vettori che operano a corto raggio
• Per vettori che operano a lungo raggio

Per entrambe le tipologie la parte più importante del sonar è costituita dalla base idrofonica disposta a prua del vettore.

Vettori a corto raggio

Lancio di siluro leggero equipaggiato con componente sonar

I sonar per i vettori leggeri sono studiati per siluri a corto raggio che vengono lanciati nelle zone d’azione da mezzi navali di superficie o aerei.

Eseguono la ricerca del bersaglio con un sistema a fasci preformati indirizzati per diversi angoli solidi, limitati in numero, nello spazio subacqueo selezionato, .

Vettori a lungo raggio

Siluro pesante con sonar contenuto nella testa ogivale

I sonar per i vettori a lungo, raggio studiati per siluri di grandi stazze, sono notevolmente complessi.

I vettori a lungo raggio vengono lanciati prevalentemente da sottomarini, per raggiungere, tramite filoguida, la zona dove è stata rilevata, dal sonar del battello, la presenza di un bersaglio.

Raggiunta la zona d’operazione, la filoguida si sgancia, ed entra in funzione il sonar d’attacco che, tramite le sue componenti di scoperta passive e attive, localizza con precisione il bersaglio e trasferisce i dati di posizione al sistema autonomo di guida che porta il vettore in collisione .

Sonar per siluro leggero

Diametro del vettore

Schema di un siluro leggero con componente sonar

Un siluro leggero con il sonar, in linea di massima, può essere schematizzato così come mostrato in figura, dove in blu è evidenziata la testa acustica.

Il diametro del vettore, che condiziona tutte le successive considerazioni, può essere ad esempio di circa $30\ cm$ e la testa acustica, di conseguenza, non può superare i $20\ -\ 25\ cm$ di diametro.

Le dimensioni della testa subordinano la frequenza di lavoro del sonar che, dovendo assicurare buone precisioni di rilevamento, deve necessariamente essere relativamente elevata.

L'attenuazione dei segnali acustici dovuti all'assorbimento del mezzo, sensibile a frequenze elevate, non pregiudica la portata d'azione dei vettori che è intrinsecamente limitata a $1\ -\ 2\ Km.$

Tecnologia testa acustica

La tecnologia della testa acustica per un vettore tipo leggero consiste, ad esempio, in una sezione cilindrica raccordata sulla quale sono bloccati numerosi sensori acustici elementari.

Base acustica per vettore leggero

Nel piano del cilindro sono disposti $36$ sensori idrofonici opportunamente collegati tra loro per via elettrica.

Se assumiamo, ad esempio, come diametro dell'insieme un valore $D=25\ cm$ ciascun centro di sensore idrofonico sarà diviso da quello adiacente di un intervallo $k\approx 2.8\ cm.$

L'insieme dei sensori è protetto dal contatto diretto con l'acqua tramite un apposita copertura entro la quale i singoli elementi sono completamente immersi in liquidi speciali o resine trasparenti al suono.

Caratteristiche acustiche

Con i dati già esposti valutiamo, di massima, quale frequenza ottimale si adatta alla testa acustica.

Dato che la distanza $d$ che deve separare i trasduttori adiacenti di una base acustica deve essere:

$d=\lambda /2$

dove $\lambda =c/f$

essendo $c\ =1530\ m/s$ (velocità del suono) ed $f$ la frequenza di lavoro.

Se accettiamo $d=\lambda /2$, essendo $d=k=2.8\ cm=0.028\ m$ si può scrivere:

$f=c/2\ k=1530/2\cdot 0.028=27321\ Hz$

Il valore di $f$ calcolato è una conseguenza delle dimensioni della base acustica, nella progettazione corrente però il processo di calcolo è inverso; si stabilisce il valore di $f$ secondo le prestazioni richieste dalla testa acustica, quindi si dimensiona la struttura dei sensori in modo da verificare l'espressione: $d=\lambda /2$.

Procedendo nell'esame calcoliamo ora la caratteristica di direttività della testa acustica sul piano passante per un diametro tenendo presente che, essendo la base circolare, le direttività per gli infiniti piani passanti per gli infiniti diametri sono uguali tra loro.

$R(\alpha )$ Caratteristica di direttività della testa acustica del vettore leggero in coordinate cartesiane

Il calcolo della curva di direttività della base, su uno degli infiniti piani, si ottiene con l'algoritmo:

$R(\alpha )=$ $\left[{\frac {\operatorname {sen}[(n\cdot \pi \cdot d'/\lambda )\cdot \operatorname {sen}(\alpha )]}{n\cdot \operatorname {sen}[(\pi \cdot d'/\lambda )\cdot \operatorname {sen}(\alpha )]}}\right]$

dove:

$n=6$ numero dei sensori

$\lambda =c/f=1530/27321=0.056$

$d'=D/(n-1)=0.25/5=0.05$

$D=$.diametro della base in m

$\alpha$ = direzione rispetto all'asse della base

Utilizzando l'algoritmo otteniamo il diagramma di direttività $R(\alpha )$ tracciato in coordinate cartesiane.

Una visione più perspicua del diagramma di direttività è data dalla sua rappresentazione in coordinate polari:

Caratteristica di direttività della testa acustica del vettore leggero in coordinate polari

 

Caratteristica di direttività della testa acustica del vettore leggero in coordinate polari a tre dimensioni

Questo diagramma infatti, se espresso in scala logaritmica (dB), ruotando secondo il suo asse di massima ampiezza, mostra la caratteristica di direttività della testa acustica sviluppata nel volume dello spazio subacqueo.

Il lobo di direttività è orientato sulla perpendicolare della testa acustica (direttività naturale); per consentire l'esplorazione dello spazio subacqueo su orientamenti diversi si agisce sui sensori elementari che costituiscono la base introducendo, ad arte, appositi ritardi o sfasamenti per ottenere un insieme di fasci preformati per la copertura dello spazio subacqueo desiderato.

Perdite per assorbimento

Il valore della frequenza di lavoro di un vettore, simile a quello preso a modello, condiziona la portata di scoperta a causa dell'assorbimento dell'energia acustica emessa e/o ricevuta dalla testa acustica.

L'attenuazione per assorbimento segue la legge di W H Thorp:

${\displaystyle }$

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

dove:

$\alpha \ in\ dB/km$

$f\ in\ kHz$

Essendo la frequenza di lavoro $f=27321\ Hz$ ; $fo=27.3\ kHz$ si ha:

$\alpha =6.4\ dB/Km.$

Se la portata di scoperta voluta è di $2000\ m$ si avranno:

in passivo:$12.8\ dB$ di attenuazione per assorbimento

in attivo:$25.6\ dB$ di attenuazione per assorbimento

Per una valutazione globale del livello dei segnali queste attenuazioni devono essere sommate a quelle per divergenza sferica che su $2000\ m$ sono:

in passivo: $20\ Log\ 2000=66\ dB$

in attivo: $40\ Log\ 2000=132\ dB$

Guadagno testa acustica

Il guadagno della testa acustica, riferito alla direttività natura nello spazio subacqueo, è valutabile con l'algoritmo empirico

$G=\ 10\ Log\ [(4\cdot \pi \cdot A)/(\lambda ^{2})]$

dove:

• $A=$ superficie della base acustica in mq

• $\lambda =c/f$:

con il quale posto:

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

$f=27300\ Hz$ frequenza di lavoro del sonar

$D=0.25\ m$ diametro della testa acustica

$A=2\cdot \pi \cdot (D/2)^{2}$ superficie

si ha

$G=22.9\ dB$

Sonar per siluro pesante

La strategia implementata nei siluri pesanti filoguidati prevede il controllo, via cavo, del loro percorso per un lungo tratto di mare, circa $20000\ m$, per l'indirizzamento del vettore sul bersaglio in un intorno di raggio non inferiore a $1500\ m$; raggiunto il limite di distanza prevista il siluro si sgancia dalla filoguida ed 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 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 con una base idrofonica a croce consente la realizzazione di due sistemi di fasci preformati ortogonali tra loro.

Struttura del sonar

Siluette del siluro pesante: l'ogiva alloggia sia la base acustica a croce che tutta l'elettronica del sonar

La siluette indicativa di un siluro pesante tipico mostra la disposizione della base acustica a croce e del sonar operativo contenuti nell'ogiva.

La struttura dell'ogiva che ha consentito la realizzazione dei siluri pesanti in Italia è stata progettata dalla Soc. USEA e sperimentata nel 1967; prese il nome di AG67.

La sperimentazione dei prototipi AG67 fu condotta con un'ogiva acustica montata, con apposito fondello-supporto, sulla parte superiore di un sottomarino operativo; con apposito cavo i segnali di emissione e ricezione venivano convogliati in apposito locale del battello per i rilievi del caso.

I prototipi dell'ogiva AG67 erano comprensivi di:

• basi acustiche a croce
• preamplificatori idrofonici
• trasmettitore
• ricevitore a fasci preformati

Tecnologia della testa acustica

Ogiva del vettore pesante con basi idrofoniche a croce (Nella figura il numero dei sensori non corrisponde, volutamente, a quello reale. )

Ogiva del vettore pesante in lavorazione

L'ogiva è costruita con materiale leggero ed è dotata delle serie di fori per alloggiare gli elementi idrofonici.

A prodotto finito l'ogiva è ricoperta da resine speciali trasparenti al suono.

L'ogiva acustica supporta due basi idrofoniche ciascuna posizionata sulle circonferenze giacenti su piani ortogonali del supporto.

I trasduttori delle due basi; per il piano orizzontale e per quello verticale sono elementi singoli; la base orizzontale è estesa su tutto l'arco dell'ogiva mentre quella verticale ne occupa soltanto una porzione.

• La ricezione della base orizzontale, per generare fasci preformati aventi i lobi con le stesse caratteristiche su tutte le direzioni, 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 vengono generati fasci preformati indipendenti per ottenere i dati angolari, sul piano orizzontale e su quello verticale, necessari per l'autoguida del vettore verso il bersaglio.

Geometria fasci preformati

Geometria della base acustica orizzontale

La geometria della base orizzontale dell'ogiva evidenzia l'arco utile con il quale si compongono i fasci preformati.

In questo modo tutti i fasci compresi tra $\pm 45$° rispetto all'asse longitudinale del vettore. 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 $35\ cm.$

Condizioni di scoperta

Per il particolare modo d'impiego il sonar dell'ogiva deve consentire la portata di scoperta voluta di almeno $1500\ m$ fissate, di massima, le seguenti probabilità di rivelazione e falso allarme:

• probabilità di rivelare il bersaglio a $1500\ m\ :\ Priv=99\%$
• probabilità che si verifichi un falso allarme alla distanza di $1500\ m\ :\ Pfa=0.01\ \%$

Con tale premessa possiamo verificare come una serie di variabili acustiche, giustificate da ipotetiche condizioni operative, possano soddisfare l'assunto.

Valutazione della portata

Si consideri una serie di variabili acustiche, probabili, nel funzionamento attivo:

• a) propagazione = sferica (assunto corretto data la breve distanza del campo operativo)
• b) frequenza di emissione $fo=30000\ Hz$ (date le dimensioni della base e la modesta lunghezza del campo)
• c) banda di ricezione $bw=1300\ Hz$ ( la minima possibile per ricevere l'impulso +/- il Doppler)
• d) livello indice d'emissione $SL=210\ dB/\mu Pa$
• e) livello del rumore del vettore più il rumore del mare a forza $2\ :\ NL=57/dB/\mu Pa$ (da rilievi sul campo)
• f) guadagno di direttività (orizz. + vert.) = $23\ dB$ (dipendente da fo e dalle dimensioni della base)
• g) durata impulso d'emissione $t=2.5\ ms.$ (per ridurre al massimo la riverberazione)
• h) parametro (d) funzione di $Priv\ e\ Pfa:d=37$ ; da curve ROC dati $Priv=99\%\ e\ Pfa=0.01\%$
• i) forza del bersaglio $TS=15\ dB$ (dato per bersaglio standard)

Con i dati elencati si segue la procedura di calcolo illustrata alla voce Portata sonar attivo xxxxx.

Il risultato della computazione indica una portata di $1700\ m$, di poco superiore a quella dichiarata per il vettore, che verifica le prestazioni dell'ogiva.

Sul computo della portata

Le variabili utilizzate per il computo della portata possono essere divise in tre gruppi,

Un esempio con dati indicativi:

• I° variabili ambientali di previsione:

a) propagazione = $sferica\ o\ sferico-cilindrica$

b) rumore del mare e del vettore $NL=57\ dB/\mu Pa/Hz$

c) forza del bersaglio $TS=15\ dB$

• II° variabili definite in sede di progetto e non facilmente modificabili:

a1) frequenza di emissione $fo=30000\ Hz$

b1) banda di ricezione $bw=1300\ Hz$

c1) guadagno di direttività (orizz. + vert.) = $23\ dB$

• III° variabili definite in sede di progetto e facilmente modificabili in fase operativa

a2) livello indice d'emissione $SL=210\ dB/\mu Pa$

b2) durata impulso d'emissione $t=2.5\ ms.$

c2) parametro $(d)$ funzione di $Priv\ e\ Pfa\ :\ d=37$

E' evidente che le incertezze di previsione, relative alle variabili del I° gruppo, non possono che essere in parte compensate tramite la variazione di quelle del III° gruppo; variazioni che il sonar dell'ogiva deve eseguire, in modo automatico, affinché si possa garantire, ragionevolmente, la portata di scoperta voluta.

Le variazioni del III° gruppo possono essere attuate:

• per il livello indice d'emissione (mediante variazione della potenza elettrica del trasmettitore)

• per l' impulso d'emissione (mediante aggiustaggio del tempo e/o codfica della forma)

• parametro $(d)$ funzione di $Priv\ e\ Pfa$(mediante variazione della soglia di rivelazione)

Bibliografia

• Robert J. Urick,, Principles of underwater sound, 3ª ed. Mc Graw – Hill, 1968..

• G. Pazienza, Fondamenti della localizzazione marina, La Spezia, Studio grafico Restani, 1970.

• Aldo De Dominics Rotondi, Principi di elettroacustica subacquea, Elettronica San Giorgio-Elsag S.p.A. Genova, 1990.

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

• Nat. Def. Res.Comm. Div.6 Sum 1946, Tech. rep. vol.22, Acoustic Torpedoes.

Collegamenti esterni

N° FASCI Selenia

Sonar FALCON

Schemi sonar FALCON

Testo discorsivo sul sonar

Testo tecnico sulla Correlazione