1) Generalità
A seguito dell'esposizione di p146 relativa al calcolo della base ricevente del sonar -A), B), C) s.t. passiamo ora ad esaminare il punto D) delle specifiche tecniche che riportiamo ancora nel paragrafo 2); ricordando che i livelli dei segnali acustici saranno espressi in dB/μPa/√Hz , le tensioni in dB/V/√Hz, i dati elaborati dai calcolatori come rapporti tra segnali e disturbi S/N(dB).

2) Dati di specifica tecnica
Di seguito sono riportate le voci delle diverse caratteristiche volute dall'utilizzatore:

A)- Tipo base ricevente : conforme allo scafo del battello ( zona a proravia compresa in un
settore di +/- 160° )- limitandone al massimo le dimensioni e il peso -.

B)-Portata di scoperta minima al traverso: R = 55 Km alle condizioni:
Propagazione sferica
Bersaglio CT a 15 nodi
Stato del mare SS = 2
Condizioni probabilistiche: Priv = 90 % Pfa = 5 %
Unico grado di libertà: "DI" guadagno di metà base conforme al traverso

C)- Banda delle frequenze di ricezione : 200 Hz - 3500 Hz

D)- Rumore dei preamplificatori Ne < mare forza zero (SS=0)

E)- Scoperta a fasci preformati : in un settore di +/- 160° rispetto all'asse del battello

F)- Processo dei segnali: in correlazione

G)- Costante di tempo d'integrazione: RC = 1 Sec.

H)- Dinamica per CT a 15 nodi da 100 m a 55 Km

I)- Errore strumentale massimo di rilevamento al traverso : Δα = 1°

L)- Risoluzione angolare al traverso: Δφ = 5°

M)- Presentazione video a cascata in BRQ (storia 30 Sec) con indice di collimazione man. e aut.

3) La specifica dei preamplificatori idrofonici- D) s.t.-
I preamplificatori idrofonici devono assicurare il rispetto delle specifiche tecniche D) inerenti al rumore proprio di questi che deve essere inferiore al livello del rumore del mare a forza zero ( SS = 0 ).
Per ottenere le caratteristiche volute è necessario prendere in considerazione il comportamento di una delle 28 stecche della base conforme così come di seguito riportato.

4)Caratteristiche delle stecche idrofoniche
Le stecche idrofoniche, già illustrate sommariamente in figura 2 di p146, sono più chiaramente visibili nella seguente figura 1 che andiamo a commentare:



In figura si vedono i 10 cilindretti piezoelettrici, di colore più chiaro, che costituiscono la parte sensibile della stecca; detti elementi, opportunamente collegati tra loro, portano la capacità totale della stecca nell'ordine di 150000 pF.
La risposta della stecca è lineare nel campo di frequenze interessato dal progetto, 200 - 3500 Hz.
In questo intervallo di frequenze, a causa della direttività verticale della stecca, la sensibilità
è di circa -200 dB/V/μPa per rumore coerente ( generato dal bersaglio ).
e di -203 dB/V/μPa per il rumore scorrelato ( generato dal mare ).
Sulla base di questi valori è possibile stabilire quale livello di tensione Vnm, nella banda 200-3500, sia provocato dal rumore del mare a forza zero ( SS = 0 ).
Con l'aiuto del SONARMATH ( si veda p6/p16 ) si ricava rapidamente il livello spettrale di pressione acustica dovuto al mare a forza zero alla frequenza media Fm = 1850 Hz; risulta: 39.8 dB/μPa/√Hz;
con questo livello di pressione spettrale si ha:
Vnm/√Hz = 39.8 dB/μPa/√Hz -203 dB/V/μPa = -163.2 dB/V/√Hz (circa 7 nV/√Hz ).
Dal valore spettrale si ottiene la tensione di rumore in tutta la banda BW:
Vnm/BW = -163.2 dB/V/√Hz + 10 Log ( 3500 - 200 ) = -128 dB/V/BW ( circa 398 nV/BW ).

5) Il rumore proprio dei preamplificatori -D) s.t.
Il rumore elettronico spettrale "Vne/√Hz" dei preamplificatori, inteso idealmente misurato all'ingresso degli stessi, deve essere inferiore del rumore spettrale del mare a forza zero calcolato al paragrafo precedente: Vne/√Hz. < Vnm/√Hz = 7 nV/√Hz
In linea generale il rumore elettronico di un preamplificatore è generato, prevalentemente, dal rumore prodotto dal primo stadio di amplificazione; di massima quindi è sufficiente scegliere, per tale stadio, un componente adatto alle imposizioni di specifica.
Nel nostro caso tale componente potrebbe essere il transistore Mat02 che ha un livello di rumore spettrale d'ingresso dell'ordine di circa 1 nV/√Hz medi nella banda 200-3500 come si evince dalla figura 2:

figura 2

Con un livello così basso del rumore proprio si può contare di realizzare un preamplificatore avente un rumore equivalente d'ingresso di circa 3 nV/√Hz, sempre inferiore al rumore del mare a forza zero calcolato come : 7 nV/√Hz.

6) La dinamica dei preamplificatori -H)s.t.
I circuiti di preamplificazione devono essere dimensionati affinché le variazioni di livello dei segnali applicati, dipendenti dalla mobilità del bersaglio prevista dalle s.t. tra 100 m e 55 Km e dalle possibili variazioni del livello del mare da ss = 0 a ss = 6, non portino i dispositivi in regime di non linearità.
Per esaminare questo problema dobbiamo fare ancora riferimento al paragrafo 4) dove si esplicita la sensibilità della stecca idrofonica nei termini:
Sensibilità al rumore del bersaglio "Sb" = -200 dB/V/μPa
Il calcolo dei livelli dei segnali emessi da C.T. a 15 nodi e i livelli del rumore del mare, incidenti sulle stecche, si articola come segue:

========= LIVELLI DEI SEGNALI PROVENIENTI DAL C.T. ALLA DISTANZA DI 55 Km
1)Valutazione del livello indice della sorgente dal paragrafo 4) di p146 :
SL = 132.1 dB/μPa/√Hz

2) Valutazione dell'attenuazione "a" per assorbimento secondo la seguente formula dove fo = Fm = 1850 Hz:
a = (0.1 fo²) / (1 + fo²) + (40 fo²) / ( 4100 + fo² ) + (2.75 fo²) / 10000
a = 0.11 dB/Km

3)Calcolo dell'attenuazione nel percorso dei 55 Km secondo la:

TL = 60 dB + 20 Log R + a R
TL = 60 dB + 20 Log 55 + 0.11 * 55 = 100.8 dB

4) Valutazione del livello di pressione acustica sulla stecca:
P.incidente = SL - TL = 132.1 dB/μPa/√H - 100.8 dB = 31 dB/μPa/√Hz

5) Valutazione tensione di segnale all'uscita della stecca:
Vns/√H = P.incidente + Sb = 31 dB/μPa/√Hz -200 dB/V/μPa = -169 dB/V/√Hz

6) Valutazione tensione di segnale in banda BW = 200-3500 (bersaglio a 55 Km)
Vns/BW = -169 dB/V/√Hz + 10 Log 3300 Hz = -134 dB/V/BW = 200 nV/BW

======= LIVELLI DEI SEGNALI PROVENIENTI DAL C.T. ALLA DISTANZA DI 100 m
1)Valutazione del livello indice della sorgente:
dal paragrafo 4) di p146 - SL = 132.1 dB/μPa/√Hz

2) Valutazione dell'attenuazione "a" per assorbimento secondo la seguente formula dove fo = Fm = 1850 Hz:
a = (0.1 fo²) / (1 + fo²) + (40 fo²) / ( 4100 + fo² ) + (2.75 fo²) / 10000
a = 0.11 dB/Km

3)Calcolo dell'attenuazione nel percorso di 100 m secondo la:
TL = 60 dB + 20 Log R + a R
TL = 60 dB + 20 Log .1 + 0.11 *.1 = 40 dB

4) Valutazione del livello di pressione acustica sulla stecca:
P.incidente = SL - TL = 132.1 dB/μPa/√H - 40 dB = 92 dB/μPa/√Hz

5) Valutazione tensione di segnale all'uscita della stecca:
Vns/√H = P.incidente + Sb = 92 dB/μPa/√Hz -200 dB/V/μPa = -108 dB/V/√Hz

6) Valutazione tensione di segnale in banda BW = 200-3500 (bersaglio a 100 m):
Vns/BW = -108 dB/V/√Hz + 10 Log 3300 Hz = -73 dB/V/BW = 223 μV/BW

======= LIVELLI DEL RUMORE DEL MARE
La dinamica del rumore del mare varia da:
Vnm/BW = 7 nV/√Hz + 10 Log 3300 Hz = 394 nv/Bw per SS = 0      a
Vnm/BW = 140 nV/√Hz + 10 Log 3300 Hz = 7.9μ/Bw per SS = 6 .

Si può quindi concludere che la dinamica dei segnali all'ingresso dei preamplificatori e molto più elevata di quanto non sia quella del rumore del mare quindi essendo:
Bersaglio a 55 Km : 200 nV/BW efficaci
Bersaglio a 100 m 223 μV/BW efficaci
la dinamica è pari a 61 dB.

Nel dimensionamento dei preamplificatori, così come in tutte le altre componenti della catena di elaborazione del sonar, si deve tener presente che nei segnali di rumore il rapporto picco/efficace è da considerasi statisticamente oltre 3 ad 1 invece che 1.4 a 1 come per i segnali sinusoidali.
Nel nostro caso la dinamica dei segnali più elevati, bersaglio a 100 m, può salire da 61 a 70 dB.

7) La struttura dei preamplificatori -D) e C) s.t.
Per evitare che i rumori fuori della banda utile provochino la saturazione dei preamplificatori, e per ottemperare, dal lato delle frequenze più basse, a quanto indicato in p58, la struttura del preamplificatore è del tipo mostrato in figura 3.
In essa due cellule di taglio a 6 dB/ottava, la C1-R1 e la C2-R2, contengono di massima la banda nei limiti voluti.
Nella cellula C2-R2 l'elemento capacitivo è identificato dalla capacità stessa della stecca.



Con questa struttura la risposta in frequenza del preamplificatore è simile a quella tracciata in figura 4; in essa sono evidenziati con punti le frequenze di taglio inferiore e superiore:



L'imposizione precisa della banda di lavoro viene assegnata, successivamente alla preamplificazione, dagli appositi circuiti di cui al paragrafo 9).

8) Il guadagno dei preamplificatori -H) s.t.
Il guadagno di un preamplificatore idrofonico deve essere tale che una volta applicato il massimo segnale, CT a 100 m, l'uscita sia ancora lineare.
Nel nostro caso supponiamo che l'amplificatore di figura 3 possa rendere in uscita un segnale max indistorto di 10 Vp, se all'ingresso di esso applichiamo il segnale massimo di 223 μV/BW il cui valore di picco può arrivare a circa 600 μVp il guadagno massimo realizzabile sul circuito di figura 3 è:
G = 20 Log ( 10 Vp/ 600 μVp) = 84 dB.
Generalmente per realizzare dispositivi stabili, lineari e con una dispersione di guadagno entro +/- 0.5 dB e di fase entro +/- 1° nella produzione di serie, è opportuno limitarne il guadagno a circa 60 dB.
Con questo valore del guadagno il massimo segnale d'uscita per CT a 100 m sarà :
600 μVp x 1000 = 600 mVp.

9) I circuiti per la limitazione della banda di ricezione -C) s.t.
La limitazione precisa dei limiti di banda viene svolta da appositi amplificatori dotati di filtri a fronti di taglio molto ripidi, con questi si contempla la specifica tecnica e si evita che parte del rumore fuori banda dei preamplificatori possa raggiungere la conversione Analogico-Digitale.
Il guadagno di questi circuiti è subordinato dalla sensibilità dei convertitori A/D che li seguono; la loro curva di risposta in frequenza deve avere il profilo riportato in figura 5 dove a traccia rossa è riportato l'andamento del blando filtraggio del preamplificatore.



Le pendenze di taglio dei filtri di banda sono:
sotto i 200 Hz ≈58 dB/ottava
sopra i 3500 Hz ≈ 65 dB/ottava
Il guadagno globale di tutto il circuito all'interno della banda passante può essere assunto, in via provvisoria, a 20 dB.

10) Osservazioni a chiusura della pagina
Con i dati emersi dai calcoli sopra sviluppati si conclude l'esame della catena di amplificazione del sonar che sarà evidenziata, in apposito diagramma dei livelli, sulla terza parte del progetto del sonar che esporremo su pagina p150.