Basi idrofoniche conformi

Le basi idrofoniche ^{[N 1]} ^[1] sono la componente essenziale che consente al sonar la scoperta dei bersagli. Queste strutture sono un insieme d'idrofoni ^{[N 2]} (sensori elettroacustici) fissati sullo scafo.^{[N 3]}

Base conforme vista in uno spaccato del sottomarino

La tipologia di basi conformi utilizzata dai sottomarini, ma anche dalle navi, secondo questo modello, è anche comunemente definita col nome di sonar a scafo.

Maggiore è l'estensione della base idrofonica migliore sarà la capacità del sonar nella scoperta di semoventi navali lontani.

Prima dell'impiego delle particolari basi idrofoniche trainate la soluzione tecnica più fattibile per ottenere basi estese era la messa in opera di strutture idrofoniche di tipo conforme.

La dizione basi idrofoniche conformi indica basi idrofoniche che seguono la forma del settore prodiero del sottomarino. Nelle navi è possibile installare le basi idrofoniche nel bulbo prodiero oppure al centro della nave sotto la chiglia.

Caratteristiche

Generali in chiaro

Direttività

La direttività delle basi idrofoniche caratterizza le capacità del sonar nella discriminazione angolare tra la posizione di più bersagli che emettono rumore in mare.

La direttività della base conforme, ottenuta sommando i contributi di tensione generati dai singoli idrofoni, opportunamente ritardati, è governata da leggi matematiche che consentono di calcolare l'andamento della loro somma in funzione di diverse variabili; il calcolo porta al tracciamento delle caratteristiche di direttività.

Guadagno

Il guadagno di ricezione ^{[N 4]}della base conforme al traverso è massimo, diminuisce molto rapidamente con il variare della direzione.

Meccaniche

Vista in pianta

Base conforme vista in pianta (Le parti che formano la figura non sono in scala tra loro)

In figura la composizione in pianta ^{[N 5]} del sistema acustico ricevente^[2] , disposto secondo il profilo dello scafo del sottomarino; trattasi, in questo modello, di un gruppo di $46$ stecche idrofoniche. ^{[N 6]}

La base è dimensionata per consentire l'ascolto nella banda $200\ Hz-7000\ Hz$

Il guadagno di direttività della base, nel piano orizzontale, varia in dipendenza della direzione di puntamento.

Stecche idrofoniche

Stecca idrofonica

Le stecche idrofoniche che costituiscono la base sono formate da cilindretti piezoelettrici, hanno una lunghezza utile di $0.8\ m$ .

La stecca è dotata di un modesto guadagno di direttività nel piano verticale: $\approx 3\ dB$ .

Disposizione a scafo

Base idrofonica conforme vista in prospettiva

Porzione di base idrofonica vista senza finestre acustiche

La disposizione delle stecche idrofoniche, nel contesto dello scafo del sottomarino, è visibile secondo la prospettiva.

Le stecche idrofoniche sono fissate al falso scafo del sottomarino secondo i criteri di progetto, sono coperte da finestre acustiche trasparenti al suono, sagomate per creare una struttura idrodinamica ad evitare fenomeni di cavitazione durante lo spostamento del battello.

Acustiche

Guadagno di direttività

Andamento del guadagno di direttività

G=f(\alpha

) in funzione della direzione.

Il guadagno di direttività ^[3] $G=f(\alpha )$ ^{[N 7]} nel piano orizzontale della base conforme è massimo al traverso, medio a proravia, scarso a poppavia.

Le variazioni del guadagno dipendono dalle diverse estensioni della base, prospiciente alla sorgente acustica, che nel settore al traverso offre $\approx 7\ m$ di lunghezza, che si riducono nel settore di prua a $\ \approx 3.5\ m\$ ^{[N 8]} e $\ \approx 1.4\ m\$ nel settore di poppa nel quale sono utilizzati idrofoni quasi disposti in fila.

Il grafico dell'andamento del guadagno di direttività della base conforme è tracciabile come funzione $G=f(\alpha )$ dove $\alpha$ è l'angolo rispetto all'asse del sottomarino.

Curve di direttività

Planimetria quotata della base conforme presa a modello.

Le curve di direttività delle basi idrofoniche caratterizzano le capacità del sonar nella discriminazione angolare tra la posizione di più bersagli che emettono rumore in mare.

Le curve di direttività della base conforme presa a modello ^{[N 1]} sono state calcolate, con apposito software, inserendo nella routine di elaborazione le coordinate delle posizioni sul piano dei singoli secondo la planimetria quotata.

Una serie di curve di direttività calcolate nella banda di frequenze compresa tra $200\ Hz\quad$ e $\quad 3000\ Hz$ riportano, a tratto continuo, i risultati dei computi teorici e con punti i valori numerici riscontrati in fase di simulazioni ^{[N 9]} fisiche di laboratorio, nell'ordine:

gruppo d'idrofoni simmetrici rispetto all'asse del battello, dal numero $13$ al numero $34$ si computa la direttività per $\alpha =0$ ° ^{[N 10]}

gruppo d'idrofoni non simmetrici rispetto all'asse del battello, dal numero $20$ al numero $42$ si computa la direttività per $\alpha =30$ ° .

gruppo d'idrofoni non simmetrici, dal numero $25$ al numero $46$ si computa la direttività per $\alpha =80$ °

gruppo d'idrofoni non simmetrici, dal numero $26$ al numero $46$ si computa la direttività per $\alpha =120$ °

Curve di direttività base conforme
Direttività per direzione sull'asse del battello: $\alpha =0$ °
Direttività per direzione: $\alpha =30$ °
Direttività per direzione: $\alpha =80$ °
Direttività per direzione: $\alpha =120$ °

Le curve mostrano come la larghezza del lobo di direttività, misurata a $0.7$ del massimo, $(-3\ dB)$ risentano della lunghezza della base; il lobo per la direzione al traverso $\alpha =80$ °, dove la proiezione dell'estensione è maggiore, è di $\approx 6$ °.

Ad estensione maggiore corrisponde migliore potere di discriminazione angolare tra bersagli, per la direzione $\alpha =0$ ° dove la proiezione dell'estensione è minore si ha una larghezza del lobo di $\approx 10$ °.

Calcolo approssimato

Prima dei calcoli complessi che necessitano delle coordinate degli idrofoni della base conforme si può avere un'indicazione del risultato atteso utilizzando l'algoritmo di Stenzel^[4], assimilando, nel settore di prua ad esempio, che la base conforme possa essere rappresentata dalla sua proiezione sul segmento che unisce gli idrofoni $13$ e $34$ ^{[N 11]}.

Questo tipo di computazioni d'approssimazione si avvale di una semplice routine di calcolo.

Secondo Stenzel l'andamento della curva di direttività di una base rettilinea per segnali in banda $f1-f2$ è dato dall'algoritmo:

$R(\alpha )={\sqrt[{}]{(1/n)+(2/n^{2})\cdot \sum _{m=1}^{j}\left\{(n-m)\cdot [\sin \ (m\cdot p\cdot x)/(m\cdot p\cdot x)]\cdot \cos \ [(p+2)\cdot m\cdot x]\right\}}}$

in cui:

$n=$ numero degli idrofoni

$j=n-1$

$d=L/(n-1)$

$L=$ lunghezza della base in metri

$c=$ velocità del suono in m / s

$x=(\pi \cdot d\cdot f1/c)\cdot \sin \ (\alpha )$

$f1=$ frequenza inferiore della banda

$f2=$ frequenza superiore della banda

$p=(f2-f1)/f1$

Con i dati d'esempio della base conforme del Sauro, da mettere a calcolo, si ha:

$f1=200\ Hz$

Direttività in coordinate cartesiane: A tratto continuo la direttività secondo Stenzel, a puntini rossi l'andamento della curva calcolata in precedenza per

\alpha =0

°

$f2=3000\ Hz$

$p=(3000\ Hz-200\ Hz)/200\ Hz$

$n=22$

$L=3.49$

$c=1530$

$d=3.49/(22-1)$

Il risultato del calcolo, tradotto in grafico, si traccia in coordinate cartesiane:

l'andamento della direttività della base secondo Stenzel a tratto continuo, una serie di punti rossi ricavati per il confronto dai valori calcolati mediante le coordinate degli idrofoni per la direzione $\alpha =0$ .

La quasi sovrapponibilità del tratto continuo con i punti mostra la buona attendibilità del metodo approssimativo di calcolo.

Definizione di sonar a scafo

Si definisce come sonar a scafo quel tipo in cui il trasduttore o l'idrofono è fissato allo scafo della nave o del sottomarino. A volte può essere chiamato anche sonar di chiglia nel caso sia montato in quella posizione. Spesso viene installato anche nel bulbo prodiero di molte navi militari. Invece nei sottomarini è usuale montarlo nella sezione anteriore della prua, e perfino nelle parti laterali del battello.

Per la realizzazione di un sonar a scafo si possono utilizzare anche basi idrofoniche conformi che hanno un aspetto e una forma adatta a questo impiego. In tal caso le basi idrofoniche seguono e si adattano alla forma dello scafo, e ciò è fondamentale per i sottomarini che non devono avere troppe parti sporgenti.

Note

Annotazioni

^ ^a ^b I dati esposti nella pagina si riferiscono alla base conforme del sottomarino Sauro
^

idrofono a stecca
^ La lunghezza totale della base per alcuni sottomarini supera i 20 m.
^ Il guadagno di una base idrofonica indica di quanto viene attenuato, in ricezione, il rumore del mare rispetto al rumore emesso dal bersaglio.
^ Il diametro dei sensori non è in scala con le dimensioni del sottomarino, se lo fosse apparirebbero dei punti.
^ Nella figura il numero delle stecche idrofoniche è indicativo
^ Il guadagno di direttività è la misura quantitativa dell'attenuazione del rumore del mare rispetto al rumore emesso dal bersaglio
^ La misura si riferisce alla proiezione dell'arco di parabola sulla perpendicolare all'asse del battello
^ Con opportuni sistemi elettronici si riproduce il campo acustico in mare nel quale deve lavorare la base.
^ $\alpha$ è la direzione del bersaglio rispetto all'asse longitudinale del sottomarino
^ Stenzel prevede idrofoni equidistanti, il fatto invece che la loro proiezione su di un segmento di retta non lo consenta introduce un piccolo errore di calcolo