1) Generalità
Con la presente pagina una breve esposizione di un tema molto importante per la localizzazione dei bersagli con il sonar: "le caratteristiche del rumore irradiato dai semoventi marini".
Il rumore irradiato dai mezzi navali è la variabile elaborata dal sonar per determinarne la scoperta e, nello stesso momento, le caratteristiche salienti:

-posizione angolare
-distanza
-velocità
-stazza
-tipo di battello
-il battello specifico
nel caso di conoscenza a priori dello spettro del rumore emesso da quest'ultimo.

La rumorosità dei battelli è stata ridotta ad arte, con il passare degli anni, grazie all'evoluzione tecnologica relativa alle costruzioni navali; i dati numerici riportati in queste note, reperiti a volte in documentazione non recente, potranno sembrare eccessivi rispetto alla situazione d'oggi.

2) Le sorgenti dei rumori nel battello
L'elenco delle sorgenti principali di rumore, alcune dipendenti dalla velocità di navigazione, che contribuiscono alla generazione dello spettro acustico del rumore emesso da un battello sono:

a) cavitazione delle parti sporgenti dallo scafo avviato
b) cavitazione delle eliche
c) rumore dei propulsori principali e sussidiari
d) organi di trasmissione movimenti meccanici

L'insieme di questi rumori danno luogo allo spettro acustico delle frequenze che a distanza sono captate dal sonar per la localizzazione del battello.
Generalmente ciascun battello, per evidenti ragioni costruttive, non può essere identico ad un altro dello stesso tipo, da qui le differenze degli spettri tra navi della stessa classe.
Lo spettro rappresenta quindi un elemento distintivo di un particolare semovente; conoscere lo spettro a priori significa identificare con precisione il bersaglio ed operare nel modo più consono alla situazione operativa.
Tutte le marine del mondo possiedono estesi archivi riservati relativi agli spettri dei loro semoventi e dei semoventi di altre marine amiche e non.
Un semplice esempio che mostra la differenza tra gli spettri di due navi della stessa classe costruiti l'una dopo l'altra presso lo stesso cantiere è mostrato in figura 1 (disegno non in scala).



Il primo spettro ipotetico è relativo al cacciatorpediniere CP245, il secondo dallo stesso tipo di nave denominata CP246, dal paragone tra i due spettri si evince che la loro più evidente differenza è dovuta alla presenza di righe diverse che emergono dal profilo dello spettro, r1 a 3567 Hz; r2 a3700 Hz; r3 a 3750 Hz sul CP245 e r1' a 3920 Hz; r2' a 4010 Hz; r3' a 4036 Hz su CP246 .
Distinguere all'istante, in un teatro operativo, di quale nave si riceve il rumore è cosa fattibile grazie all'archivio dati in dotazione al sonar ed ai suoi calcolatori che in pochi attimi, mediante algoritmi per l'analisi spettrale, paragonano quello in esame con gli spettri in archivio identifica il battello.
Una delle difficoltà che incontra la classificazione degli spettri è dovuta alla loro deformazione in funzione della distanza; come sappiamo nella propagazione del suono in mare l'attenuazione è più incisiva alle frequenze alte che basse quindi una deformazione naturale dello spettro originale à da considerare.
Sono quindi distintive, in prevalenza, la posizione frequenziale delle righe che emergono dall'inviluppo dello spettro che l'inviluppo stesso.

3) La distribuzione spaziale dei rumori
La distribuzione spaziale dei rumori delle navi in movimento non avviene uniformemente secondo tutte le direzioni attorno al battello ma seguendo un diagramma caratteristico, detto a farfalla, così come riportato in figura 2:



La serie di curve isobare tracciate in figura si riferiscono a diagrammi di radiazione del rumore di una nave che si sposta a diverse velocità, il diagramma più interno, relativo a velocità di circa 2 nodi, quando ancora la cavitazione è poco sensibile, è praticamente omnidirezionale.
Con il crescere della velocità della nave , fino al massimo 30 nodi circa, i diagrammi assumono la caratteristica forma a farfalla con il maggior livello di pressione acustica nella zona di poppa, circa +/- 15° rispetto all'asse longitudinale del battello; un considerevole livello di pressione acustica si genera anche nelle zone di prua a circa +/- 25° rispetto all'asse longitudinale della nave.
Sull'entità dei livelli di pressione necessari per i calcoli di portata del sonar, espressi in dB/μPa/√Hz, si tratta in dettaglio nel successivo paragrafo.

4) I livelli delle pressioni acustiche dei rumori delle navi
Per i calcoli di portata del sonar sono indispensabili i dati di pressione di rumore generati dai semoventi navali a diverse frequenze e diverse velocità di navigazione.
In questo paragrafo riportiamo una serie di curve che si riferiscono a cacciatorpedinieri degli anni 90.
La figura 3 riporta le curve citate che commentiamo:



Le 4 curve sono, ciascuna, la media di innumerevoli rilievi acustici eseguiti dalla Marina Mlitare USA in speciali poligoni di misura nel campo di frequenze esteso tra 100 Hz e 100000 Hz su cacciatorpediniere naviganti rispettivamente alle velocità di 10; 15; 20; 25 nodi.
I livelli di pressione acustica misurati a distanze ottimali in frazioni d'ottava sono espressi, mediante calcoli, in dB/μPa/√Hz alla distanza di 1 metro dalla nave che li genera (livelli spettrali).
Essendo le curve frutto di misure ripetute rappresentano lo spettro medio del rumore emesso dalla nave e non mettono in evidenza alcuna riga distintiva.
Le curve hanno pendenza costante pari a 6 dB/ottava.
La scala delle frequenze (ascisse) è logaritmica a 3 decadi
La scala dei livelli di SL (ordinate) è in dB, da 0 a 200 dB/μPa/√Hz
La valutazione del rumore della nave in una particolare banda di frequenza si esegue come nell'esempio che segue:

DATI:
Cacciat. a 25 nodi
Banda d'ascolto : da 8000 Hz a 12000 Hz
Distanza dalla sorgente: 1 m.
Larghezza di banda: BW = 4000 Hz
Frequenza media geom. fo = 9800 Hz

TROVATI:
-da figura 3: SL (a 9800 Hz per CT a 25 nodi) = 130 dB/μPa/√Hz
-pressione in banda BW = SL + 10 Log Bw = 130 dB/μPa/√Hz + 10 Log 4000 = 166 dB/μPa/BW

Nell'esempio la distanza dalla sorgente è stata assunta ad 1 metro, ciò per non dover tener conto dell'attenuazioni di cui parleremo ai paragrafi successivi.

5) L'attenuazione dello spettro a causa della divergenza dei raggi
I valori di SL riportati in figura 3 sono, come detto in precedenza, relativi a pressioni acustiche rilevabili ad 1 metro dalla nave che li genera.
Se si vuole conoscere il livello di SL a distanze superiori si possono ipotizzare due casi:

a)- per mare molto profondo - che il suono si propaghi secondo superfici sferiche, in questo caso i raggi acustici divergono dalla sorgente secondo i raggi del solido menzionato (divergenza sferica) causando un'attenuazione di SL pari a Att(dB) = 20 Log (R) , dove R è la distanza dalla sorgente espressa in metri; ovvero Att(dB)= 60 dB + 20 Log (R), se la distanza R è espressa in Km.
Ad esempio pr R = 10 Km si ha : Att (dB) = 60 dB + 20 Log ( 10 ) = 80 dB.


b)- per mare poco profondo - che il suono si propaghi, per il primo Km secondo una fera, successivamente secondo un cilindro (propagazione sferico-cilindrica) causando un'attenuazione Att(dB) = 60 dB + 10 Log R , dove R è espresso in Km.
Ad esempio pr R = 10 Km si ha : Att (dB) = 60 dB + 10 Log ( 10 ) = 70 dB.

Quanto sopra se la sola causa d'attenuazione fosse la divergenza dei raggi acustici; nel fenomeno della propagazione del suono in mare interviene però un altro fattore di estrema importanza, l'attenuazione per assorbimento che incide pesantemente sui livelli della pressione in funzione delle frequenze e delle distanze: questo sarà l'argomento del paragrafo 6)

6) L'attenuazione e la deformazione dello spettro a causa dell'assorbimento
Gli spettri dei rumori irradiati dai semoventi navali subiscono significative alterazioni lungo il loro percorso in mare, sia per il fenomeno della divergenza visto in precedenza, sia per l'attenuazione del livello acustico dovuto all'assorbimento dell'energia acustica in mare che è variabile in funzione della frequenza dei rumori stessi.
A causa dell'assorbimento si ha in sostanza una deformazione degli spettri indicati in figura 3 che dipende dalla distanza di percorrenza dei raggi acustici.
Una formula generale per il calcolo dell'attenuazione delle onde acustiche per assorbimento del mezzo è indicata come equazione di Thorp; l'equazione sotto riportata mostra l'entità dell'attenuazione (alfa), espressa in dB/Km, in funzione della frequenza :

α = ((0.1 x f²) / (1 + f²)) + ((40 x f²) / (4100 + f²)) + 2.75 x f² / 10000

Per dare un'idea del comportamento del fenomeno vediamo come si deforma lo spettro tracciato in blu in figura 3, secondo l'applicazione della formula di Thorp e l'attenuazione per divergenza sferica ipotizzando un percorso del suono di 20 Km.
Il livello del nuovo spettro sarà conseguenza dell'originale meno l'attenuazione complessiva dovuta alla distanza e all'assorbimento:
Att(dB) = 60 dB + 20 Log (R) + α R
questa somma altro non è che il termine indicato con TL in tutte l'equazioni impostate per il calcolo della portata del sonar (si veda p42).
La curva risultante del nuovo spettro della nave a 20 Km di distanza, di colore rosso, con la curva originale di colore blu, sono riportate in figura 4:



La curva rossa mostra che l'attenuazione nel tratto di frequenze compreso tra 0.1 KHz e 2 KHz è praticamente dovuta soltanto alla divergenza dei raggi acustici; con l'aumentare della frequenza, oltre i 2 KHz, la curva piega vistosamente riducendo il livello del rumore fino a 0 dB alla frequenza di 14 KHz circa.
In queste condizioni la scoperta sonar potrebbe essere fatta soltanto per frequenze intorno a 4 KHz (si veda p42).

7) Alcuni dati di rumore di navi mercantili
Diversi rilievi acustici sono stati fatti. di recente, su navi mercantili, elaborando una quantità di dati nettamente inferiore a quella disponibile per le navi militari.
In molti casi l'analisi dei rumori è stata eseguita soltanto per frequenze inferiori a 1Kz, zona nella quale, come visto in precedenza, non interviene l'attenuazione per assorbimento.
I dati sotto elencati sono stati rilevati con attrezzature molto semplici; rappresentano tuttavia valori indicativi utili per le valutazion delle portate dei sonar.

-Nave porta container: SL = 188 dB/μPa/√Hz prevalentemente centrato su 40 Hz.
-Nave petroliera: SL = 177 dB/μPa/√Hz prevalentemente centrato sui 40 Hz.
-Nave trasporto alla rinfusa: SL = 180 dB/μPa/√Hz prevalentemente sui 100 Hz.

8) Esercitazioni numeriche
Un notevole numero di esercitazioni numeriche con le variabili menzionate è fattibile mediante l'impiego del calcolatore SONARMATH mostrato in figura 5.
Il calcolatore è scaricabile come file.exe dal sito in p6.
Per la parte relativa ad esercitazioni d'esempio si può consultare la p13.