1) Generalità
La più importante componente del rumore ambientale marino, che costituisce l'oggetto della seguente pagina, è attribuibile al fenomeno della cavitazione; esso esplica incisiva influenza anche sull'intensità del rumore irradiato all'esterno da semoventi marini sia di superficie che subacquei nonché sul rumore che, dall'interno di tali semoventi, si rileva a mezzo delle apparecchiature di scoperta attive e passive sugli stessi installate.
E' ben noto, altresì, che il fenomeno della cavitazione limita il valore della intensità acustica massima ammissibile sulla superficie attiva dei generatori di suono subacqueo destinati sia alla scoperta che alle comunicazioni bilaterali di tipo telegrafico e telefonico.
La cavitazione ha importanza anche sotto molti altri aspetti che prescindono dalle manifestazioni e dalle applicazioni di carattere acustico-subacqueo: è noto infatti che sulle superfici di organi meccanici, quali pale di eliche, di turbine idrauliche e pompe centrifughe ed in genere di corpi mobili entro liquidi, alle alte velocità si manifestano fenomeni di cavitazione e si verificano conseguentemente fenomeni di erosione capaci di determinarne entro breve tempo l'usura.
Sul fenomeno della cavitazione, sul meccanismo attraverso il quale esso si genera, sugli elementi che lo influenzano, sugli effetti e sulle applicazioni che da esso derivano esiste una vastissima letteratura ricca di importanti contributi sia teorici che sperimentali.
Nella presente pagina la trattazione sarà limitata, alla esposizione della genesi del fenomeno, a tal une manifestazioni dello stesso che hanno particolare importanza dal punto di vista acustico-subacqueo, quali il rumore prodotto e gli assorbimenti di energia acustica in liquidi cavitanti, nonché ai fattori che influenzano l'insorgenza della cavitazione e che hanno importanza per le applicazioni tecniche connesse con la scoperta sottomarina.

2) Fenomeno della cavitazione
Come è noto il fenomeno della cavitazione consiste nella espansione, successiva contrazione ed esplosione di nuclei di vapore contenuti in un liquido quando in questo si determini una pressione più bassa della tensione di vapore relativa al liquido di cui si tratta ed alla temperatura alla quale questo si trova.
Le cause più frequenti di cavitazione sono le variazioni di pressione che si determinano in un liquido in conseguenza o del moto di un corpo solido o della propagazione di un' onda acustica molto intensa.
Nel primo caso il fenomeno è attribuibile alla rotazione delle eliche dei semoventi marini così come è illustrato in figura 1, dove l'esplosione delle bolle prodotte dall'elica generano il rumore che caratterizza, in parte, il semovente;



Il parametro "v" che stabilisce la velocità limite al di là della quale si instaura la cavitazione delle eliche è determinato dall'espressione:

"v" = 2 ( Po - Pv ) / ( ρ Vs )
dove:
Po è la pressione ambiente
Pv è la tensione da vapore d'acqua
ρ è la densità dell'acqua
Vc è la velocità di rotazione del bordo delle eliche

Per valori di "v" < 0.2 si ha sempre l'innesco della cavitazione
Il fenomeno è impossibile per "v" > 6.

Nel secondo caso il fenomeno è dovuto all'eccitazione di un trasduttore elettroacustico che per eccesso di potenza genera, con le sue vibrazioni, la formazione di bolle di cavitazione nella zona d'acqua che lambisce il trasduttore stesso.
Il rumore prodotto dalla cavitazione del trasduttore è, evidentemente, d'intensità irrilevante rispetto al livello del segnale acustico trasmesso è non contribuisce significativamente al rumore globale del semovente.
Nella trasmissione di onde acustiche subacquee con trasduttori se si genera il fenomeno della cavitazione la potenza emessa si perde in parte per la formazione delle bolle.
Per tale ragione è utile ricordare che a regime impulsivo, per la frequenza di circa 10000 Hz, la superficie di un trasduttore riesce a inviare in acqua una potenza acustica di circa 2.5 Wac / cmq senza che si sviluppi il fenomeno della cavitazione.

3) Lo spettro del rumore di cavitazione delle eliche
Lo spettro del rumore di cavitazione è continuo con un andamento a campana; a partire dalle frequenze più basse esso sale con una pendenza di circa 6 dB/ottava. raggiunge il vertice, poi comincia a diminuire con una pendenza di -6 dB/ottava; al diminuire della profondità dei mezzi sottomarini o al crescere della velocità per ogni mezzo marino, cresce l'ampiezza del picco e la sua posizione si sposta verso le basse frequenze; all' aumentare della profondità per i sottomarini al diminuire della velocità per tutti i mezzi, il picco diminuisce e si sposta verso le alte frequenze.
La posizione del picco dipende anche dalle dimensioni delle eliche e dalla loro velocità di rotazione: ad alta velocità (e nei sottomarini a quote di immersione di modesto valore) il vertice della campana si colloca al di sotto del centinaio di Hz; in alcuni casi anche nell' intorno dei 50 Hz; a bassa velocità, e a profondità più elevate nei sottomarini, il vertice sale in su a valori prossimi a 1000Hz.
Alle alte velocità il rumore è determinato unicamente dalla cavitazione.
Nello spettro del rumore di cavitazione sono presenti righe tonali, le cui frequenze corrispondono alla frequenza fondamentale di rotazione delle pale, ed alle relative armoniche; la frequenza di rotazione dell' albero, PSR, modula le righe e lo spettro continuo; la frequenza delle pale modula solamente, con maggiore profondità, lo spettro continuo.
In alcune condizioni dinamiche, ed anche in funzione della configurazione meccanica e del materiale di costruzione delle pale, le eliche in rotazione generano un segnale tonale, detto "canto delle eliche".
Esso può essere considerato come un' oscillazione di rilassamento, cioè una specie di quelle oscillazioni che si determinano in un sistema quando esso è eccitato da impulsi di breve durata, la cui cadenza è però tale che r eccitazione venga fornita nella fase corretta; un fenomeno analogo si origina nei fili telegrafici, in presenza di correnti d'aria instabili.
La figura 2 fornisce una serie di spettri tipici generati da un' elica che "canta".



Spesso un' elica, che sembra identica ad un' altra. produce un canto che nell' altra non si manifesta; alcune volte canta una sola pala; altre volte due pale della stessa elica cantano a frequenze differenti.

4) Indicativamente il livello di pressione della cavitazione
Il livello di pressione acustica generato dal fenomeno della cavitazione delle eliche può essere evidenziato da dati relativi a navi cacciatorpediniere che navigano alla velocità massima, in questi casi il rumore di cavitazione delle eliche è preponderante rispetto agli altri rumori irradiati dallo scafo con la conseguenza che i valori di pressione acustica tabulati nelle varie campagne di misura possono essere indicativi della pressione acustica in oggetto.
Per un CT a 30 nodi il livello spettrale si estende da μPa = 180 dB / √Hz per f = 0.1 KHz
a μPa = 112 dB / √Hz per f = 100 KHz così come riportato in figura 3; con buona approssimazione tale livello spettrale è attribuibile prevalentemente alla cavitazione delle eliche.



Nel diagramma non sono visibili le righe di frequenza relative al canto delle eliche dato che i dati che lo formano sono la media di innumerevoli misure in mare.