Fondamenti di elettroacustica subacquea

Numero totale ore di lezione: 80

CFU: 8

Obiettivi del corso:

L’insegnamento è finalizzato a fornire le conoscenze di base sui sistemi sonar attivi e passivi e sulle metodologie per la loro progettazione e per la valutazione delle loro prestazioni. Inizialmente si trattano i principi della propagazione di un’onda acustica in ambiente subacqueo, partendo dall’equazione d’onda per arrivare ai modelli a raggi e alle tecniche di ray-tracing in presenza di un profilo BV arbitrario. Si descrivono quindi le principali tecnologie impiegate per la trasformazione di energia acustica in energia elettrica e viceversa, ed i metodi utilizzati per ottenere proprietà di irradiazione o di sensibilità direzionali da un array di trasduttori elementari. L’argomento successivo è la modellistica delle sorgenti di segnale e delle principali cause di disturbo presenti nell’ambiente sottomarino, che limitano le prestazioni dei sistemi sonar. Nella parte finale dell’insegnamento vengono delineate l’architettura e le funzioni principali (scoperta, localizzazione, classificazione) dei sistemi sonar attivi e passivi, con cenni alla valutazione delle loro prestazioni in termini di portate di scoperta e precisioni di localizzazione. Alcuni esempi pratici di dimensionamento di sonar attivi e passivi completano l’insegnamento.

Programma di massima:
  • PROPAGAZIONE DELLE ONDE ACUSTICHE IN AMBIENTE SUBACQUEO: equazioni d’onda; fronti d’onda e raggi acustici; onde piane e sferiche; velocitàdi propagazione; impedenza acustica del mezzo; intensità acustica; intensità acustica; sorgenti acustiche; campo vicino e lontano; onde sferiche e piane; velocità di propagazione; grandezze fisiche ed unità di misura.
  • RIFLESSIONE, TRASMISSIONE, DIFFRAZIONE CON PROPAGAZIONE A RAGGI: condizioni di validità della propagazione a raggi; propagazione attraverso mezzi differenti; riflessione e rifrazione.
  • PROPAGAZIONE IN AMBIENTE MARINO: batitermogramma e bativelocigramma; curvatura dei raggi e tecniche di ray-tracing; attenuazione per divergenza sferica o sferico-cilindrica; attenuazione per assorbimento.
  • TRASDUTTORI ELETTROACUSTICI: tecnologie per la realizzazione dei trasduttori EA; trasformazione di un segnale di pressione in un segnale elettrico e viceversa; circuito equivalente e risposta di un trasduttore passivo e attivo; fenomeno della cavitazione nei trasduttori attivi.
  • DIRETTIVITÀ DEI TRASDUTTORI: proprietà direzionali di un trasduttore EA in campo lontano; array di trasduttori e loro direttività; array gain (AG) e directivity index (DI); calcolo del AG/DI in alcuni casi notevoli.
  • SORGENTI DI RUMORE IN MARE: sorgenti di rumore ambientale, naturale e artificiale; modellistica del rumore ambientale.
  • SORGENTI DI SEGNALE IN MARE: concetto di livello indice; irradiazione di una nave di superficie; irradiazione di un’unità immersa; segnature spettrali acustiche; concetto di target strength (TS) di un corpo immerso.
  • TECNICHE DI SILENZIAMENTO DI UNITÀ NAVALI: tipologie delle sorgenti di rumore irradiato; tecniche di insonorizzazione attiva e passiva; controllo della forma e dei materiali.
  • STRUTTURA E FUNZIONI DEI SISTEMI SONAR ATTIVI E PASSIVI: architettura di principio di un sistema sonar attivo; architettura di principio di un sistema sonar passivo; funzioni di scoperta, localizzazione e classificazione; cenni agli algoritmi per la scoperta attiva e passiva; cenni agli algoritmi di localizzazione attiva e passiva; cenni agli algoritmi di classificazione attiva e passiva.
  • PRESTAZIONI DEI SISTEMI SONAR: equazione del sonar attivo; equazione del sonar passivo; valutazione della portata in scoperta; valutazione della precisione in localizzazione.
Testi di riferimento:
  • Robert J. Urick, Principles of Underwater Sound, 3rd edition, McGraw-Hill, 1983.
  • G. Pazienza, Fondamenti della Localizzazione Sottomarina, Poligrafico Accademia Navale, 1990.
  • A. D. Waite, Sonar for Practising Engineers, 3rd edition, Wiley, 2002.
  • Materiale fornito dai docenti.