Intercettatore sonar

'Il livello di emissione sonar e la cavitazione'

Il livello di emissione sonar ( ${\displaystyle SL}$; Source Level )^[1], nella scoperta dei bersagli con il metodo dell’eco, ha delle limitazioni d’ampiezza dipendenti dal fenomeno fisico della cavitazione in mare.

Le dimensioni di ${\displaystyle SL}$, espresse come pressione generata della sorgente acustica ad 1 metro di distanza sono:

${\displaystyle SL=x\quad dB/\mu Pa/1m}$

Per i computi del livello d'emissione ${\displaystyle SL}$ è necessario calcolare il valore dell'indice di direttività ${\displaystyle DI}$ ^[2].

Il ${\displaystyle DI}$ esprime le caratteristiche direzionali del trasduttore d'emissione e ne quantizza la concentrazione de lle onde acustiche.

Calcolo del guadagno di direttività DI della base acustica d’emissione

Il calcolo del ${\displaystyle DI}$ , necessario per gli esempi a seguire, è sviluppabile con una formula generale che ,anche se approssimata, consente un utile indirizzo di lavoro.

L'algoritmo di calcolo è dipendente dalla frequenza di lavoro e dalla superficie del trasduttore d'emissione.

${\displaystyle DI=10\cdot \log _{10}{[{\frac {(4\cdot \pi \cdot A-2\cdot \lambda \cdot {\sqrt {A}}+2\cdot \lambda ^{2})}{\lambda ^{2}}}]}}$ 

Dove:

${\displaystyle A=}$  superficie dell’area piana equivalente del trasduttore in mq

${\displaystyle \lambda =c/f}$ 

${\displaystyle c=1530m/Sec.}$ 

Esempio di calcolo del ${\displaystyle DI}$ per una base cilindrica dalle dimensioni:

${\displaystyle r=0.4m;\quad h=1m\quad }$  sup. eq. ${\displaystyle A=0.8mq}$ 

frequenza di emissione ${\displaystyle f=9000Hz}$ 

${\displaystyle \lambda =1530/9000Hz=0.17}$ 

${\displaystyle DI=10\cdot \log _{10}{[{\frac {(4\cdot \pi \cdot 0.8-2\cdot 0.17\cdot {\sqrt {0.8}}+2\cdot 0.17^{2})}{0.17^{2}}}]}=25dB}$ 

Calcolo di SL

Il calcolo dell’intensità del segnale acustico impulsivo generato dalla base di trasmissione è sviluppabile con l'algoritmo:

${\displaystyle SL=10\cdot \log _{10}{We}+DI+172dB}$ 

Dove:

${\displaystyle We=}$  potenza trasferita al trasduttore ( si computa dalla potenza elettrica generata ${\displaystyle Wg}$  sottraendo le perdite di trasduzione )

${\displaystyle DI=}$  (Directivity Index) guadagno di direttività del trasduttore di emissione espresso in deciBel ( dipende dalle dimensioni del trasduttore e dalla frequenza di lavoro)

${\displaystyle 172dB=}$  addendo di conversione elettroacustica

Esempio-

dati i valori:

${\displaystyle Wg=10000W}$ 

${\displaystyle \epsilon =70\%}$ (rendimento)

${\displaystyle We=7000W}$ 

${\displaystyle DI=20dB}$ 

Si ha:

${\displaystyle SL=\log _{10}{7000}+20+172=230dB/\mu Pa/1m}$ 

La cavitazione

La cavitazione è il fenomeno per il quale, a seguito d’emissione di energia acustica impulsiva in acqua, si ha la formazione di bolle del gas disciolto nell’elemento; una quantità rilevante di fattori, ai quali si rimanda a studi specialistici, influenzano il fenomeno.

Essa insorge quando, nel ciclo di oscillazione dell’impulso acustico emesso dal sonar, la pressione istantanea supera la somma della pressione statica, presente nell’ambiente non perturbato.

Il fenomeno, oltre a provocare rumore in mare, quando le bolle implodono, genera una sorta di barriera gassosa che impedisce all’energia acustica del generatore di trasmettersi in mare.

Il verificarsi della cavitazione dipende dal rapporto tra la pressione dell’impulso acustico emesso e la pressione dell’ambiente, questa è subordinata alla profondità alla quale si emettono gli impulsi acustici; una cosa è l’emissione impulsiva di una nave, il cui trasduttore è a circa 15 metri di quota, una cosa è l’emissione d’impulsi dal sonar di un sottomarino che opera a quote di centinaia di metri.

Quantizzazione del fenomeno della cavitazione (valutazione orientativa)

La valutazione della potenza limite applicabile dal trasduttore in acqua prima che si generi la cavitazione è data dall'espressione approssimata che non tiene conto dei molteplici fattori che incidono sul fenomeno:

${\displaystyle I(h)=(10^{4}/3)[(h/10)+1.8]^{2}}$ 

Dove:

${\displaystyle I(h)}$  è espresso in ${\displaystyle Wac/m^{2}}$ 

${\displaystyle h}$  è la quota di calcolo in metri.

Esempio:

Trasduttore d’emissione impulsiva sonar alla quota ${\displaystyle h=2m}$ 

${\displaystyle I(h)=(10^{4}/3)[(2/10)+1.8]^{2}=13333\quad Wac/mq}$ 

Valutazione del massimo valore di SL nel caso di emissione sonar da sottomarino (dati orientativi)

Caratteristiche della base d'emissione

Dimensioni trasduttore: ^[3]

 

* base cilindrica

Cilindro ${\displaystyle r=0.4m\quad h=1m}$ ; Sup.eq ${\displaystyle A=0.8mq}$ 

Frequenza di lavoro: ${\displaystyle f=9000Hz}$ 

Quota trasduttore : ${\displaystyle h=10m}$ 

Calcolo potenza limite per cavitazione

${\displaystyle I(h)=(10^{4}/3)[(10/10)+1.8]^{2}=26133\quad Wac/mq}$ 

Calcolo del DI

${\displaystyle \lambda =1530/9000Hz=0.17}$ 

${\displaystyle DI=10\cdot \log _{10}{[{\frac {(4\cdot \pi \cdot 0.8-2\cdot 0.17\cdot {\sqrt {0.8}}+2\cdot 0.17^{2})}{0.17^{2}}}]}=25dB}$ 

Calcolo ${\displaystyle SL}$ massimo

per ${\displaystyle DI=25dB}$ 

${\displaystyle SL=10\cdot \log _{10}{26133}+25+172=231dB/\mu Pa/1m}$ 

Con le approssimazioni fatte la cavitazione innescherebbe al livello di trasmissione:

${\displaystyle SL=231dB/\mu Pa/1m}$ 

Valutazione del massimo valore di SL nel caso di emissione sonar da nave di superficie (dati orientativi)

Caratteristiche della base d'emissione

Dimensioni trasduttore:^[4]

Cilindro ${\displaystyle r=2m\quad h=2m}$  Sup.eq ${\displaystyle A=8mq}$ 

Frequenza di lavoro: ${\displaystyle f=16000Hz}$ 

Quota trasduttore : ${\displaystyle h=5m}$ 

Calcolo potenza limite per cavitazione

${\displaystyle I(h)=(10^{4}/3)[(5/10)+1.8]^{2}=17633\quad Wac/mq}$ 

Calcolo del DI

${\displaystyle \lambda =1530/16000Hz=0.096}$ 

${\displaystyle DI=10\cdot \log _{10}{[{\frac {(4\cdot \pi \cdot 8-2\cdot 0.096\cdot {\sqrt {8}}+2\cdot 0.096^{2})}{0.096^{2}}}]}=40dB}$ 

Calcolo ${\displaystyle SL}$ massimo

per ${\displaystyle DI=40dB}$ 

${\displaystyle SL=10\cdot \log _{10}{17633}+40+172=244dB/\mu Pa/1m}$ 

Oltre questo livello di pressione si innesca il fenomeno della cavitazione.

Note

1. ^ alla luce del fenomeno della cavitazione: La variabile ${\displaystyle SL}$  è impiegata nei calcoli di portata dei sonar.
2. ^ Le modalità di calcolo del ${\displaystyle DI}$  sono analoghe ai computi delle direttività per i sistemi sonar riceventi
3. ^ I dati assunti per l'esempio di calcolo sono relativi alla base di trasmissione dei sottomarini Classe Sauro
4. ^ Le dimensioni del trasduttore preso a modello sono indicative, non sono disponibili dati reali perché riservati.

Bibliografia

Ref.1..Giuseppe Pazienza, Fondamenti della localizzazione marina, Studio grafico Restani,La Spezia, 1970

Ref.2..Aldo De Dominicis Rotondi, Principi di elettroacustica subacquea, Elettronica San Giorgio-Elsag S.p.A, Genova, 1990

Ref.3..Sherman Charles, Effect of nearfield on the cavitation limit of transducer, J.A.S.A vol. 35 n° 9, U.S.A.