Valutazione del rumore dei semoventi navali dovuto alla cavitazione delle eliche

Questa lezione è da ritenersi un complemento alla 4^ lezione della stessa materia.

Effetti della cavitazione delle eliche

La più importante componente del rumore nell'ambiente marino è attribuibile al fenomeno della cavitazione delle eliche di semoventi navali; esso esplica incisiva influenza anche sull'intensità del rumore irradiato all'esterno da semoventi marini sia di superficie che subacquei nonché sul rumore che, dall'interno di tali semoventi, si rileva a mezzo delle apparecchiature di scoperta attive e passive sugli stessi installate.

La cavitazione ha importanza anche sotto molti altri aspetti che prescindono dalle manifestazioni e dalle applicazioni di carattere acustico-subacqueo: è noto infatti che sulle superfici di organi meccanici, quali pale di eliche, di turbine idrauliche e pompe centrifughe ed in genere di corpi mobili entro liquidi, alle alte velocità si manifestano fenomeni di cavitazione e si verificano conseguentemente fenomeni di erosione capaci di determinarne entro breve tempo l'usura.

Sul fenomeno della cavitazione, sul meccanismo attraverso il quale esso si genera, sugli elementi che lo influenzano, sugli effetti e sulle applicazioni che da esso derivano esiste una vastissima letteratura ricca di importanti contributi sia teorici che sperimentali.

Nella presente lezione la trattazione sarà limitata, alla esposizione della genesi del fenomeno, a talune manifestazioni dello stesso che hanno particolare importanza dal punto di vista acustico-subacqueo, quali il rumore prodotto e gli assorbimenti di energia acustica in liquidi cavitanti, nonché ai fattori che influenzano l'insorgenza della cavitazione e che hanno importanza per le applicazioni tecniche connesse con la scoperta sottomarina.

Il fenomeno della cavitazione

Come è noto il fenomeno della cavitazione consiste nella espansione, successiva contrazione ed esplosione di nuclei di vapore contenuti in un liquido quando in questo si determini una pressione più bassa della tensione di vapore relativa al liquido di cui si tratta ed alla temperatura alla quale questo si trova.

Le cause più frequenti di cavitazione sono le variazioni di pressione che si determinano in un liquido in conseguenza o del moto di un corpo solido o della propagazione di un'onda acustica molto intensa.

Il fenomeno è attribuibile alla rotazione delle eliche dei semoventi marini così come è illustrato in figura 1, dove l'esplosione delle bolle prodotte dall'elica generano il rumore che caratterizza, in parte, il semovente:

Figura 1

Esame delle variabili che interessano la cavitazione delle eliche

Il parametro $V$ che stabilisce la velocità limite al di là della quale si instaura la cavitazione delle eliche è determinato dall'espressione:

$V=2\cdot (Po-Pv)/(\rho \cdot Vs)$ dove:

• $Po$ è la pressione ambiente
• $Pv$ è la tensione da vapore d'acqua
• $\rho$ è la densità dell'acqua
• $Vs$ è la velocità di rotazione del bordo delle eliche

Date le caratteristiche delle variabili la formula è di difficile applicazione pratica pur restando un modello dal quale valutare la soglia di cavitazione.

Indicativamente il livello di pressione della cavitazione

Il livello di pressione acustica generato dal fenomeno della cavitazione delle eliche può essere evidenziato da dati relativi a navi cacciatorpediniere che navigano a velocità elevata, in questi casi il rumore di cavitazione delle eliche è preponderante rispetto agli altri rumori irradiati dallo scafo con la conseguenza che i valori di pressione acustica tabulati nelle varie campagne di misura possono essere indicativi della pressione acustica in oggetto.

Per un CT a $25\ nodi$, ad esempio, il livello spettrale decresce da $\approx 174\ dB/\mu Pa\ /{\sqrt {Hz}}/1\ m\$ per $f=0.1\ kHz\$ a $\ \approx 108\ dB/\mu Pa\ /{\sqrt {Hz}}/1\ m\$ per $f=85\ kHz\$ così come riportato nella curva blu di figura 2; con buona approssimazione tale livello spettrale è attribuibile prevalentemente alla cavitazione delle eliche.

Figura 2

Le altre curve, relative a velocità inferiori, non sono indicative del rumore generato dalla cavitazione delle eliche.

Nei diagrammi di figura 2 non sono visibili le righe di frequenza presenti quasi sempre nello spettro del rumore emesso da un semovente navale in quanto i dati riportati nelle curve sono la media di innumerevoli misure in mare.

Questi diagrammi sono stati utilizzati, nel'ambito del corso, per i calcoli della portata di scoperta dei sonar passivi.

In dettaglio lo spettro del rumore di cavitazione delle eliche

Lo spettro del rumore di cavitazione è continuo con un andamento a campana; a partire dalle frequenze più basse esso sale con una pendenza di circa $6\ dB/ottava$ , raggiunge il vertice, poi comincia a diminuire con una pendenza di $-6\ dB/ottava$; al diminuire della profondità dei mezzi sottomarini o al crescere della velocità per ogni mezzo marino, cresce l'ampiezza del picco e la sua posizione si sposta verso le basse frequenze; all'aumentare della profondità per i sottomarini al diminuire della velocità per tutti i mezzi, il picco diminuisce e si sposta verso le alte frequenze.

La posizione del picco dipende anche dalle dimensioni delle eliche e dalla loro velocità di rotazione: ad alta velocità (e nei sottomarini a quote di immersione di modesto valore) il vertice della campana si colloca al di sotto del centinaio di $Hz$; in alcuni casi anche nell' intorno dei $50\ Hz$; a bassa velocità, e a profondità più elevate nei sottomarini, il vertice sale in su a valori prossimi a $1000\ Hz$.

Nello spettro del rumore di cavitazione sono presenti righe tonali, le cui frequenze corrispondono alla frequenza fondamentale di rotazione delle pale, ed alle relative armoniche; la frequenza di rotazione dell'albero, PSR, modula le righe e lo spettro continuo; la frequenza delle pale modula solamente, con maggiore profondità, lo spettro continuo.

In alcune condizioni dinamiche, ed anche in funzione della configurazione meccanica e del materiale di costruzione delle pale, le eliche in rotazione generano un segnale tonale detto "canto delle eliche".

Esso può essere considerato come un'oscillazione di rilassamento, cioè una specie di quelle oscillazioni che si determinano in un sistema quando esso è eccitato da impulsi di breve durata, la cui cadenza è però tale che l'eccitazione venga fornita nella fase corretta; un fenomeno analogo si origina nei fili telegrafici, in presenza di correnti d'aria instabili.

La figura 3 fornisce una serie di spettri tipici generati da un'elica che "canta":

Figura 3

Spesso un'elica, che sembra identica ad un'altra, produce un canto che nell'altra non si manifesta; alcune volte canta una sola pala; altre volte due pale della stessa elica cantano a frequenze differenti.

Osservazioni in merito all'ampiezza delle righe dello spettro

L'ampiezza delle righe dello spettro evidenziata nella figura 3 oscilla di circa $+/-\ 6\ dB$, sopra al livello medio del rumore proprio di cavitazione che è dell'ordine di $\approx 174\ dB/\mu Pa\ /{\sqrt {Hz}}/1\ m\$.

Questa oscillazione, che ben poco incide sul livello del rumore di cavitazione, era rivelata ad orecchio, un tempo, a scopo tattico da operatori di grande esperienza nella conduzione dei sonar passivi dei sottomarini.

Oggi il problema è risolto con i moderni sistemi di analisi spettrale computerizzata che consentono, in tempo reale, la classificazione del semovente localizzato.

Bibliografia

• Giuseppe Pazienza, Fondamenti della localizzazione marina, Studio grafico Restani La Spezia, 1970.
• Cesare Del Turco, Sonar Principi Tecnologie Applicazioni , edizione Accademia Navale - 3º Gruppo Insegnamento Armi Subacquee - Abilitazione Smg-Agg, .Prof. EA/ST, Livorno, 1992.