Effetti della scia dei semoventi navali nella scoperta sonar

Template:Risorsa L'analisi degli effetti della scia dei semoventi navali nella scoperta sonar riguarda le problematiche che la scia dei battelli, nei loro spostamenti in mare, crea sulla scoperta attiva del sonar.

In figura 1 la scia, sempre visibile sul mare, per un mezzo di superficie:

figura 1 Scia provocata da una nave

La scia dei sottomarini è visibile soltanto dall'alto su ricognizione aerea.

Nella fase di ricerca sonar in attivo, durante l'emissione degli impulsi, la principale generatrice di falsi echi è la scia di una nave o di un sottomarino.

Effetti della scia

Il fenomeno della scia è subordinato da innumerevoli variabili difficilmente determinabili durante la navigazione ordinaria di un sottomarino in fase di scoperta sonar.

Uno degli aspetti più significativi degli echi da scia è dovuto alla sua caratteristica di decadenza nel tempo che lo rende distinguibile dagli echi dei bersagli veri.

La scia gioca un ruolo anche nella fase di scoperta sonar indirizzata alla localizzazione di bersagli attivi; il rumore emesso da questi può essere mascherato dall'effetto schermante della scia di altra unità navale.

Il comportamento della scia

La turbolenza della scia si diffonde rapidamente per una frazione della lunghezza della nave, e si allarga leggermente in seguito.

La divergenza della scia è stata misurata in diversi casi ed è risultata variare da $0.5$° a $5$°.

La schiuma, che rende visibile la scia da lontano, gradualmente scompare, ma solo molto tempo dopo che la nave è passata.

La scia visibile di una nave ad alta velocità si estende, a poppa, da $20$ a un massimo di $50$ lunghezze della nave.

Le proprietà acustiche della scia dipendono dalla presenza di bolle d'aria.

Fotografie aeree mostrano che un gran numero di bolle rimangono nella scia per diversi minuti,

è probabile che alcune restino sospese nell'acqua anche dopo che la schiuma visibile sia scomparsa.

L'effetto della scia sulla scoperta dei bersagli con il sonar attivo

Una ricerca sperimentale ( U.S.A. ) è stata condotta impiegando un sonar che emette impulsi alla scoperta di un bersaglio a forma di sfera; tra il sonar ed il bersaglio si è creata una scia con il passaggio di una nave di superficie.

I risultati della ricerca possono essere così sintetizzati:

L'eco spurio dovuto alla scia di una nave si allunga gradualmente e decresce d'intensità presumibilmente a causa della diffusione della scia e la graduale scomparsa delle bolle nel tempo.

Questa caratteristica dell'aspetto lo rende sufficientemente discriminabile rispetto all'eco di un bersaglio.

La scia crea una sorta di schermo acustico tra il bersaglio ed il sonar producendo sensibile attenuazione dell'eco della sfera.

La scia investita dall'impulso del sonar crea una sensibile riverberazione che dipende, sia dalla distanza tra sonar e scia, sia dalle dimensioni delle bolle che la formano.

Indagini simili alla precedente sono state sviluppate, con molte difficoltà, sulla scia di un sottomarino ottenendo risultati non sempre concordanti.

La forza della scia e il riverbero

Similmente alla definizione della forza di un bersaglio $TS$, espresso in $dB$, è stato attribuito alla scia, in base alle proprie caratteristiche riflettenti, il nome di forza della scia con il simbolo $TSw$ (dove $w$ per wake), espresso in $dB$.

Il valore del $TSw$ è legato a variabili difficilmente determinabili secondo la funzione:

$TSw=10\cdot lo{g}_{10}(N\cdot \delta \cdot va/12.56)$

dove:

$N$ = densità delle bolle

$\delta$ = la sezione media di diffusione della singola bolla

$va$ = quella parte del volume della scia che genera il riverbero

La formula, di difficile applicazione, è sostituita prevalentemente da grafici o tabelle frutto di rilievi sperimentali come quelli mostrati in figura 2, grafici relativi ai $TSw$ di tre tipi di navi rilevati a tre diverse frequenze:

figura 2 TSw per tre tipi di semoventi navali

Il $TSw$ si esaurisce nel tempo, con il dissolversi della scia, fino ad annullarsi; questo particolare fenomeno è illustrato in figura 3 nella quale si mostra la sola variazione della forza della scia in un arco di tempo di circa $15$ minuti dall'inizio del fenomeno; in questo caso il $TSw$ decresce di $32dB$.

Nel grafico di figura 3 la linea di tendenza per il decadimento nel tempo della scia di sommergibili (dati da rilievi sperimentali)

figura 3 Decadimento del TSw in funzione del tempo

Valutazione dell'intensità del riverbero

La valutazione del riverbero dovuto alla scia colpita dall'impulso del sonar è sintetizzato dall'espressione:

$RLw=SL-40\cdot lo{g}_{10}R+Sw+10\cdot lo{g}_{10}va$

dove:

$SL=$ livello di pressione acustica generato durante l'emissione dell'impulso da parte del sonar; caratteristica dell'apparato espressa in $dB/\mu Pa/1m$

$R=$ variabile indipendente che indica la lunghezza del percorso dei raggi acustici in mare; la distanza tra il sonar e la scia.

$Sw=$ coefficiente di diffusione della scia espresso in $dB$.

$va=$ quella parte del volume della scia che genera il riverbero.

Questa funzione è di complessa applicabilità pratica, di gran lunga più di quanto non siano le funzioni relative alla riverberazione di volume, superficie e fondo nelle fasi di emissioni sonar.

L'elaborazione della formula è spesso sostituita da grafici sperimentali.

I meccanismi che generano la scia

I meccanismi che generano le bolle della scia sono da individuarsi principalmente nella cavitazione delle eliche; fenomeno dovuto a movimenti di corpi in acqua che aggregano, in piccole bolle, i gas che si trovano disciolti naturalmente nei liquidi; in figura 4 un'elica in cavitazione:

figura 4 Elica in cavitazione

Il $TSw$ della scia è tanto più consistente quanto è elevata la velocità di rotazione delle eliche, dipende quindi della velocità del semovente così come è illustrato in figura 5 per un sottomarino che naviga a $90ft$ di quota. In un primo tempo la velocità è di $6kn$ , successivamente di $9kn$ ( rilevi sperimentali - U.S.A - a due diverse frequenze: $F_1=60kHz$ , $F_2=45kHz$ )

figura 5 $TSw=f(v)$

Il $TSw$ dipende inoltre dal profilo delle eliche e dalla temperatura dell'acqua.

Le eliche non sono l'unica fonte delle bolle di cavitazione; la nave nel suo complesso si muove attraverso l'acqua e la cavitazione può verificarsi in altre parti dello scafo tanto più le dimensioni di queste siano piccole.

Bibliografia

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• R.M. RICHTER, Measurements of Backscattering from the Sea Surface, J.A.S.A. 36-864-1964, U.S.A.
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• Artur K. Lidtke, Predicting radiated noise of marine propellers using acoustic analogies and hybrid Eulerian-Lagrangian cavitation models, UNIVERSITY OF SOUTHAMPTON FACULTY OF ENGINEERING AND THE ENVIRONMENT Fluid Structure Interaction Group, June 2017