SONAR-INFO-p252
Il canale acustico e la convergenza
Propagazione del suono in mare
1)Generalità
Sulla propagazione del suono in mare e sul calcolo delle traiettorie dei raggi acustici abbiamo già trattato, in chiave tecnica alle pagine p24; p26; p28; p30; p161; ed in modo discorsivo su p2 Cap.10
Ciò nei casi più comuni su fondali relativamente bassi, ad esempio in mediterraneo, con rilievi batitermici eseguiti soltanto a profondità che non superavano i 400 feet ( circa 122 metri ); vedi figura 0:
figura 0: da questo diagramma si calcola la velocità del suono
in funzione della profondità.Nelle zone di mare dove la profondità può raggiungere diversi km, oceano Pacifico ad esempio, si generano fenomeni di canalizzazione e convergenza del suono che possono essere utilizzati, con apparecchiature speciali, per la scoperta dei bersagli a grandi distanze; di questi fenomeni ci occuperemo in questa pagina.
2)La caratteristica della velocità del suono in acque molto profonde
In acque molto profonde, fondali oltre i 3000 m, a seguito di sensibili variazioni della temperatura dell'acqua con la quota, la velocità di propagazione del suono, generalmente a 1530 m/Sec. in superficie, raggiunge, nelle profondità del mare, comprese tra 800 e 1100 m, il suo valore più basso dell'ordine di 1500 m/Sec.
La velocità del suono, raggiunto il valore minimo alla quota qt, riprende a salire per quote più profonde così come mostra la figura 1:
figura 1 Questo particolare comportamento della velocità del suono porta a caratteristiche curvature dei raggi acustici che vengono generati alla quota per la quale si verifichi il minimo così come illustrato nel seguente paragrafo.
3)Gli angoli caratteristici dei raggi acustici nel fenomeno della convergenza
Per sviluppare questo paragrafo iniziamo ad esaminare la geometria dei raggi acustici con un'ipotesi:
Se la temperatura del mare fosse costante a tutte le profondità anche la velocità del suono sarebbe quasi costante, salvo l'effetto della pressione idrostatica, ed i raggi acustici emessi da una sorgente Tr collocata a qualsiasi profondità s'irradierebbero nel piano verticale in modo uniforme per i +/- 90° del piano stesso come mostra figura 2:
figura 2 Dato che l'ipotesi fatta è diversa da quanto illustrato nel paragrafo 2) vediamo come si modificano le traiettorie dei raggi acustici che si propagano in una condizione di variabilità della velocità del suono come mostra figura 1; l'energia acustica emessa dal trasduttore TR tende ad espandersi sopra e sotto la quota di TR, ma risentendo della variazione di detta velocità non si espande in eguale modo per tutte le direzioni del piano verticale.
Per angoli d'ampiezza di circa +/- 12° i raggi emessi da Tr, compresi in tali settori, s'incurvano per rifrazione, in alto e in basso risentono del profilo della curva della velocità del suono e formano un'insieme di raggi che ondulando sopra e sotto la quota di Tr; si espandono in distanza per centinaia di chilometri formando un canale acustico denominato SOFAR ( SOund Fixing And Ranging ) come mostra figura 3:
figura 3; nella figura le ampiezze dei raggi estremi di +/-12°
non appaiono corrette dato che le scale
della geometria del piano verticale, ascisse ed ordinate, hanno scale enormemente diverse. Come vedremo in seguito in questo canale acustico non si concentra tutta la potenza acustica emessa da Tr, la parte dell'energia che transita nel canale però non subisce l'attenuazione per divergenza ma la sola attenuazione per assorbimento.
4)L'insieme dei raggi acustici
La figura 3 evidenzia soltanto i raggi acustici che concorrono alla formazione del canale; in figura 4 possiamo vedere l'insieme di tutti i raggi acustici, canale compreso, in scala diversa dalla precedente, che da Tr s'irradiano verso la superficie e verso il fondo con un inevitabile dispendio di energia non convogliata nel canale; si osservi che ad ogni riflessione dei raggi dal fondo o dalla superficie l'energia dei raggi stessi si attenua.
figura 4; 5)L'impiego tattico del canale acustico
Date le elevate profondità nelle quali si genera il canale acustico, questo tipo di propagazione non è utilizzabile da tutti i sottomarini.
Le navi di superficie, se opportunamente attrezzate, possono filare un cavo speciale, di sostegno e dati, che dal bordo dirige alla profondità voluta una struttura subacquea nominata "VDS" ( sonar a profondità variabile ) all'interno del canale acustico; vedi figura 5:
figura 5; Una vista dal vero di un VDS in fase di lancio è in figura 6; si tratta di un veicolo degli anni 70, i veicoli d'oggi, operanti sulle navi moderne hanno una struttura diversa.
figura 6; 6)Cenno sul fenomeno della convergenza
Sempre al seguito dell'andamento della velocità del suono mostrato in figura 1, se il trasduttore d'emissione Tr si trova quasi in superficie i raggi sonori subiscono una curvatura verso il fondo per poi risalire alla superficie dove convergono generando, a distanze sensibili, un punto caratteristico di concentrazione d'energia.
La fisica di questo fenomeno crea, dentro la concavità del percorso dei raggi acustici, un zona non illuminata dai raggi che impedisce qualsiasi trasmissione del suono così come mostra la figura 7:
figura 6; Questo fenomeno incentiva ulteriormente l'impiego del VDS per la scoperta dei bersagli.