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Il calcolo dei parametri acustici del sonar è stato propedeutico alle fasi di progettazione dei sonar per i sottomarini classi Toti e Sauro[N 1]; per le basi elettroacustiche (sistemi di trasduttori) e per le componenti elettroniche (sistemi di elaborazione segnali e gruppi accessori).
Il calcolo dei parametri acustici veniva fatto, nel lontano 1960, utilizzando strumenti quali la "Pascalina" (calcolatore meccanico a rotazione manuale),
il regolo calcolatore a stecca, tecnigrafo (per l'esecuzione delle sommatorie di vettori necessarie per il calcolo della direttività delle basi idrofoniche) e l'indispensabile volume "Handbook of Mathematical Functions", con un pesante impegno di tempo, sono oggi rapidamente fattibili con il calcolatore software senza la necessità dello sviluppo di algoritmi non sempre facilmente manipolabili.
È da tempo che i metodi accennati sono stati sostituiti da sistemi di calcolo su PC, veloci ed affidabili, secondo quanto di seguito illustrato.
Il sistema di calcolo è sviluppato in un programma per PC che, una volta lanciato, presenta la pagina di selezione delle funzioni di calcolo mostrata in figura con la quale scegliere il tema voluto.
Le funzioni sono nell'ordine:
Livello spettrale del rumore del mare in funzione della frequenza e dello stato dell'ambiente
Livello spettrale del rumore emesso da un C.T. in funzione della frequenza e della velocità del mezzo
Livello dell'attenuazione per propagazione in funzione della frequenza e della distanza
Caratteristica di direttività e guadagno di un trasduttore circolare in funzione della frequenza e del diametro
Caratteristica di direttività e guadagno di una base lineare in funzione della frequenza e della lunghezza
Distanza di un bersaglio mediante riflessione dal fondo in funzione dell'angolo di depressione e della profondità
Guadagno di direttività di una sorgente rettangolare/quadrata in funzione della frequenza e delle dimensioni
Portata di scoperta di un sonar passivo in funzione di: (Banda-SL-NL-DI-RC-d-Propag.)
Portata di scoperta di un sonar attivo in funzione di: (Ftx-BWrx-SL-TS-NL-DI-ti-d-Propag.)
Il file di calcolo
Il programma di calcolo può essere scaricato liberamente, su uno dei due link:
Un insieme di esercizi per il calcolo di nove funzioni relative ai sistemi sonar, attivi e passivi è illustrato confrontando gli algoritmi classici con gli analoghi processi automatici
Rumore del mare
Algoritmi classici
Con riferimento alla voce rumore del mare si riporta l'algoritmo di calcolo:
Il rumore del mare, indicato con la sigla [N 2], è variabile in ampiezza in funzione della frequenza e dello stato del mare [2] secondo l'espressione approssimata:
Con il calcolatore il valore di è di acquisizione immediata; la schermata di lavoro per la valutazione del rumore del mare è mostrata in figura:
Calcolo del livello spettrale del rumore del mare nelle seguenti condizioni:
Frequenza operativa
Stato del mare
Il valore di si digita, in , nell'apposita casella.
Per inserire lo stato del mare si deve cliccare sul cursore della finestra "Stato del mare" e selezionare il valore; nel nostro caso
Cliccando su "Calcolo" nella finestra a fianco compare il livello calcolato di rumore spettrale
Si deve osservare che i valori di non possono essere scelti al di fuori dei dati della lista.
Per valutare con approssimazione un valore non in lista si deve cliccare "Grafici" ottenendo una nuova schermata con i grafici a colori dei stati del mare predefiniti, tra i quali poter valutare il valore di più vicino al dato di fuori tabella.
I valori dei grafici sono estrapolati dal regolo Sonar Performance Calculator della Raytheon[3].
Osservazione:
valori di sono orientativi e pertanto non richiedono calcoli di precisione.
: coefficiente dipendente dalla velocità della nave i nodi () secondo la tabella:
Kn
10
15
20
25
k
127.5
138
145.4
151.4
Calcolo automatico
Con il calcolatore il valore di è di acquisizione immediata:
Calcolo del livello spettrale del rumore irradiato da un cacciatorpediniere (CT) [4] nelle seguenti condizioni:
Frequenza operativa
Velocità CT:
Il valore di si digita, in , nell'apposita casella.
Per inserire la velocità del CT si deve cliccare sul cursore della finestra "Velocità del CT" e selezionare il valore; nel nostro caso
Cliccando su "Calcolo" nella finestra a fianco compare il livello calcolato di rumore spettrale
Si deve osservare che i valori di SS non possono essere scelti al di fuori dei dati della lista.
Per valutare con approssimazione un valore non in lista si deve cliccare "Grafici" ottenendo una nuova schermata con i grafici a colori del per valori di velocità predefiniti, tra i quali poter valutare il valore di più vicino al dato di fuori tabella.
I valori dei grafici sono estrapolati dal regolo "Sonar Performance Calculator" della Raytheon.
Oervazioni:
I valori di sono orientativi e non richiedono pertanto calcoli di precisione.
I livelli di rumore emessi dal CT son relativi ad unità operative negli anni 40-45.
Calcolo dell'attenuazione del suono, , per propagazione nelle seguenti condizioni:
Frequenza operativa
Distanza dalla sorgente
Tipo di propagazione: Sferica
Il valore di si digita nell'apposita casella,
così il valore della distanza
Per inserire il tipo di propagazione si deve cliccare sul cursore della finestra e selezionare "Sferica"
Cliccando su "Calcolo" nelle finestre a destra compaiono sia il valore di dovuto alla divergenza: , sia l'attenuazione dovuta all'assorbimento
L'attenuazione che dovrà essere considerata per le fasi di progettazione sarà la somma dei due valori ; questi valori sono per unico percorso.
Ricordare che in questo tipo di computazioni le frazioni di decibel non vengono considerate ai fini progettuali. Cliccando successivamente su "grafici" si possono osservare le curve generali di attenuazione teoriche:
per propagazione sferica ,in rosso
per propagazione sferico/cilindrica, in blu
per assorbimento,in nero
Direttività trasduttore circolare
Algoritmi classici
Non sono disponibili voci su questo tema.
Calcolo automatico
Direttività di un trasduttore circolare con le seguenti caratteristiche:
Frequenza operativa
Diametro
Il valore di si digita nell'apposita casella, così il valore del diametro
Cliccando su "Calcolo" viene presentata, in doppia scala lineare, la curva di direttività in funzione dell'angolo (in figura è tracciata soltanto una metà della curva) ; nelle finestre in basso a destra compaiono:
Larghezza del lobo a °
Larghezza del lobo a °
Guadagno di direttività
Direttività base acustica lineare
Algoritmi classici
Non sono disponibili voci su questo tema.
Calcolo automatico
Calcolo della direttività di una base lineare con le seguenti caratteristiche:
Frequenza operativa
Lunghezza
Il valore di si digita nell'apposita casella, così il valore della lunghezza
Cliccando su "Calcolo" viene presentata, in doppia scala lineare, la curva di direttività in funzione dell'angolo (in figura è tracciata soltanto una metà della curva.) ; nelle finestre in basso a destra compaiono:
Se i due mezzi si trovano a quote diverse; uno alla quota e l'altro alla quota il calcolo di si esegue con la formula:
Calcolo automatico
Calcolo della distanza di un bersaglio attivo nelle seguenti condizioni operative :
Profondità del fondo
Angolo di depressione misurato °
Il valore di si digita nell'apposita casella, così il valore dell'angolo di depressione °
Cliccando su "Calcolo" viene presentata, in doppia scala lineare, la curva generale della variazione della distanza in funzione dell'angolo di depressione per la profondità di impostati; nella finestra in centro compare la distanza in metri relativa alla situazione ipotizzata:
Guadagno base idrofonica rettangolare
Algoritmi classici
Non sono disponibili voci su questo tema.
Calcolo automatico
Calcolo del guadagno di una sorgente rettangolare (trasduttore) con le seguenti caratteristiche :
Frequenza di lavoro
Dimensioni x
Inserite le variabili cliccando su "Calcolo", nella finestra apposita, viene visualizzato il guadagno del trasduttore:
Calcolo della distanza di scoperta teorica di un sonar passivo, in condizioni di propagazione normale[5], le cui variabili acustiche sono di seguito indicate:
Parametro dipende dalla probabilità di scoperta Priv. e dalla probabilità di falso allarme Pfa.
Propagazione ipotizzata
Le variabili sopra indicate devono essere digitate nelle caselle di "IMPOSTAZIONE DATI".
Cliccando il pulsante "Calcolo" si risolve il problema voluto che indica in la distanza di scoperta del bersaglio [N 8].
Portata di scoperta di un sonar attivo
Algoritmi classici
Con riferimento alla voce Portata sonar attivo si riporta l'algoritmo di calcolo della portata per propagazione sferica per la componente attiva del sonar si ottiene dalla soluzione del sistema trascendente in dove tutte le variabili
Calcolo della portata di scoperta teorica di un sonar attivo, in condizioni di propagazione normale, le cui variabili acustiche sono di seguito indicate:
Le variabili devono essere digitate nelle caselle di "IMPOSTAZIONE DATI"; cliccando il pulsante "Calcolo" si risolve il problema voluto che indica in la distanza di scoperta del bersaglio [N 12]..