2) La propagazione ideale del suono in mare e una caratteristica forma di distorsione

Nel contesto delle pagine di questo sito si è sempre assunto che le onde di propagazione del suono in mare seguissero l'andamento ideale delle superfici di sfere ( prop. sferica ) o di cilindri ( prop. cilindrica ) o di combinazioni delle due (prop. sferico-cilindrica ) così come mostra figura 1:

figura 1

Ipotizzando questi tipi di propagazione si sono strutturate le seguenti formule utilizzate per il calcolo dell'attenuazione dell'onda acustica nei calcoli di portata dei sonar:

figura 2

Sulla non distorsione geometrica del fronte d'onda acustico si doveva contare nel calcolo della distanza R di un bersaglio con metodo passivo ( si veda pagina p64 ) così come mostra figura 3a al momento d'arrivo sulla base del primo fronte d'onda:

figura 3a

In figura 3b la situazione geometrica, un attimo dopo l'arrivo del primo fronte d'onda sulla base, dalla quale calcolare la distanza R della sorgente acustica in base alla relazione: R = D² / 2 f
dove D = lunghezza della semibase e "f" = lunghezza della freccia.

figura 3b

Cosa diversa avrebbe potuto essere la misura di R, in funzione della freccia "f", qualora il fronte d'onda fosse stato distorto geometricamente, a seguito sovrapposizione di segnali riflessi dal fondo e/o dalla superficie, come mostra figura 3c dove la freccia "f" a causa dell'alterazione della geometria dell'onda assume un valore errato pari a: f + δ

figura 3c

Le condizioni di propagazione del suono in mare non sono soltanto alterate nel caso sopra esposto ma subiscono mutevoli e caratteristici fenomeni distorsivi, non esclusivamente di carattere geometrico, che saranno illustrati nei paragrafi seguenti.

3) Le distorsioni del fronte d'onda a causa dell'assorbimento nel mezzo

Le onde che si propagano in mare da una sorgente acustica subiscono, a causa dei fenomeni d'assorbimento dovuti dell'energia che viene dissipata nell'ambiente, alterazioni d'ampiezza e fase dipendenti dalla frequenza del suono emesso dalla sorgente.
Il fenomeno dell'assorbimento è stato studiato, tra gli altri, da Thorp che ha redatto una formula empirica, tuttora impiegata per il calcoli di portata sonar ed altro, formula che sotto riportiamo :

La formula esprime, in funzione della frequenza fo, l'attenuazione in deciBel (dB) subita dal suono per ogni km percorso in mare.
In figura 4 mostriamo come l'attenuazione per assorbimento, espressa in Neper (Np; 1 Np = 8.68 dB ), sia accompagnata da una variazione notevole di fase :

figura 4

Questa caratteristica distorsione riduce di fatto la portata di scoperta sonar alle frequenze più alte dove si potrebbe ricercare la maggior precisione di rilevamento del bersaglio.

4) Le distorsioni del fronte d'onda impulsivo in mare artico

Questo tipo di distorsione è messo in particolare evidenza quando l'emissione dell'onda consiste in un singolo impulso di durata T, ad ampio spettro, generato da un'esplosione in mare artico.
A causa della molteplicità dei percorsi (multipath) dei raggi acustici, ciascuno con un diverso tempo di percorrenza l'impulso di durata T, emesso dall'esplosione, si allunga notevolmente per un tempo Tm >> T.
In figura 5 è mostrata una registrazione del segnale acustico ricevuto a seguito di un'esplosione ( fenomeno della durata di pochi millesimi di secondo) generata nel mare artico ad una distanza di oltre 1000 Km; come si vede la durata del fenomeno ricevuto è di circa 10 secondi.

figura 5

Se l'emissione dell'impulso fosse indirizzata alla misura della distanza di un bersaglio un allungamento della durata del fenomeno potrebbe portare ad un'errata valutazione della distanza stessa; si osservi che con un allungamento dell'impulso di 10 Sec. come quello riportato in figura 5, la misura porterebbe un'incertezza di misura di circa 15000 m.

5) Le distorsioni del fronte d'onda impulsivo per riflessioni di superficie

Se un impulso acustico monofrequenziale è controllato tramite una emissione direttiva, così come indicato in figura 6, il percorso dell'onda acustica può seguire due cammini diversi per raggiungere il ricevitore;
Il primo raggio acustico, traccia rossa, raggiunge il ricevitore dopo unica riflessione dal fondo.
Il secondo raggio, traccia blu, raggiunge il ricevitore dopo due successive riflessioni, prima sul fondo, dopo sulla superficie.

figura 6

Un esame oscilloscopico è stato fatto per verificare la regolarità degli impulsi ricevuti; la sequenza dei rilievi riportata in figura 7 consta di 5 fotogrammi che mostrano come il primo impulso ricevuto, che giunge con la sola riflessione dal fondo, piano solido ed immobile. sia integro e senza distorsione, mentre l'impulso che arrivata per secondo, tramite due riflessioni, sia evidentemente sempre distorto nella forma a causa della riflessione di superficie che è sempre in movimento a motivo dello stato del mare.

figura 7

La distorsione generata dalla riflessione di superficie penalizza notevolmente la possibilità d'impiego di questo modo di trasmissione dei segnali acustici, penalizzazione da tenere in debito conto se la riflessione di superficie è il sistema scelto per applicazioni di acustica subacquea.

6) Le distorsioni dovute all'effetto Doppler

Se un generatore subacqueo d'impulsi emette segnali verso un ricevitore installato su di un semovente in transito si avrà una distorsione dell'impulso che ne altererà lo spettro:
verso le frequenze alte nel caso di avvicinamento del mezzo o verso le frequenze basse nel caso di allontanamento così come mostra la figura 8 dello spettro nel dominio della frequenza.

figura 8

La distorsione citata si manifesta naturalmente anche se l'emissione è continua; questo tipo di fenomeno incide in particolare sulla qualità delle trasmissioni telefoniche subacquee alterando sensibilmente il timbro di voce degli operatori.
Per evitare l'inconveniente i telefono subacquei sono dotati di appositi circuiti per la cancellazione dell'effetto Doppler.