Conferenza Il sonar nella navigazione dei sommergibili Relatore

“Conferenza” Il sonar nella navigazione dei sommergibili. Relatore: C. Del Turco già Dirigente USEA / Alenia Elsag Sistemi Navali www. sonar-info

-ANTEPRIMA- Le minacce e gli ostacoli alla navigazione subacquea S ostacolo o minaccia = bersaglio

Viste le problematiche dovute agli ostacoli in mare prende corpo la conferenza: Il sonar nella navigazione dei sommergibili Il sonar non è un dispositivo elettronico che una volta acceso garantisca la certezza assoluta della scoperta dei bersagli: è un apparato che deve risolvere, nel migliore dei modi, i molteplici problemi, dipendenti dal comportamento del suono in mare, che detta scoperta ostacolano. Sonar: acronimo dall’inglese che significa: Navigazione e localizzazione con il suono 2

Esempi delle modalità di funzionamento del sonar per la localizzazione subacquea In modo passivo Campo delle frequenze d’ascolto: Per la ricezione e l’ascolto dei rumori emessi dai semoventi (bersagli attivi) State ascoltando il rumore di una nave in movimento. da 200 a 10000 Hz Con l’elaborazione dei rumori ricevuti il sonar misura la direzione e la distanza del bersaglio rumori = SEGNALI 3 In base al timbro di questi rumori l’operatore esperto può stabilire le caratteristiche salienti del bersaglio

Esempi delle modalità di funzionamento del sonar per la localizzazione subacquea In modo passivo Per la scoperta della minaccia Con l’elaborazione del rumore ricevuto il sonar misura la direzione e la distanza del siluro in avvicinamento 4

Esempi delle modalità di funzionamento del sonar per la localizzazione subacquea In modo attivo Per la ricezione e l’ascolto degli echi riflessi dagli ostacoli subacquei (bersagli passivi) Campo delle frequenze di lavoro: da 8000 a 30000 Hz Con l’elaborazione degli echi ricevuti il sonar misura la direzione e la distanza del bersaglio 5 State ascoltando l’emissione del sonar e l’eco del bersaglio echi = SEGNALI

“sonar” Le tre costituenti fondamentali della macchina Idrofono = microfono subacqueo Le parti bagnate: insiemi d’ idrofoni Per convertire le vibrazioni acustiche presenti in mare in Secondo il progetto dello scafo: calcoli e simulazioni segnali elettrici L’elettronica Secondo il progetto di sistema: calcoli e verifiche di laboratorio Gli algoritmi Secondo il progetto di sistema: calcoli e verifiche di laboratorio 6 Per l’ascolto, la visualizzazione dei bersagli e la conduzione della macchina Procedure di calcolo per la scoperta dei bersagli mascherati dai disturbi

“sonar” all’inizio della II guerra mondiale Nessuna ridondanza funzionale Si ascoltavano le onde acustiche mediante ricevitore direzionale di vibrazioni sonore (idrofono rotante) collegato ad amplificatore con valvole termoioniche per ascolto in cuffia da parte dell’operatore Teatro operativo Non era disponibile alcun ausilio visivo 7 Base rotante a bordo del sommergibile

“sonar” U. S. A. durante la II guerra mondiale Nessuna ridondanza funzionale Sonar attivo con ascolto audio e presentazione video delle tracce degli echi dei bersagli. Tecnologia: Circuiti elettromeccanici, valvole termoioniche e tubi a raggi catodici. Con questo sonar ecco la comparsa dell’ausilio visivo 8

“sonar” IP 64 produzione USEA 1964 – La Spezia La consolle comando e controllo Nessuna ridondanza funzionale Si veda struttura d’insieme Sistema ricevente e trasmittente con ascolto audio e presentazione video panoramica delle tracce dei bersagli. TECNOLOGIA: Circuiti a semiconduttori, gruppi elettromeccanici, valvole termoioniche e tubi a raggi catodici. Sonar con dimensioni ridotte studiato per piccoli sommergibili: Cls. Toti 9 –

“sonar” produzione USEA / SELENIA – 1970 Per smg. Cls Sauro Nessuna ridondanza funzionale Video panoramico Sistema ricevente e trasmittente con ascolto audio e presentazione video delle tracce dei bersagli. Circuiti integrati digitali e analogici, gruppi elettromeccanici, tubi a raggi catodici. Trasmettitore Consolle comando e controllo Trasmettitore Ricevitore Ripetitore dati 10 Ripetitore dati Base acustica BF Base acustica AF Base acustica BF Parti bagnate

“sonar” produzione USEA / ELSAG – 1974 Per smg Cls Sauro Ridondanza funzionale parziale Video a cascata Consolle comando e controllo Sistema ricevente e trasmittente con ascolto Sistema ricevente e trasmittente con audio e presentazione video delle tracce dei ascolto audio e presentazione video delle bersagli. Circuiti integrati digitali e analogici, tracce dei bersagli. Circuiti integrati digitali computer ESA 24, gruppi elettromeccanici, e analogici, gruppi elettromeccanici, tubi a raggi catodici. Trasmettitore Ricevitore Marc. 90 Ripetitore dati 11 Base acustica AF Base acustica BF Parti bagnate

“sonar” ATLAS anni 2000 Gruppo consolle per smg U 212 Video a cascata 12

“sonar” FALCON -sistema d’ emergenza. Sviluppato presso Marinarsen La Spezia – 2002 - 13

“sonar” composizione di massima dell’apparato IP 64 (alla consolle) Nessuna ridondanza funzionale Sonar USEA per sommergibile Toti: Il primo sommergibile costruito in Italia, dopo la fine della II guerra, nei cantieri di Monfalcone 14

“sonar” scenari subacquei Il sonar di A riceve i rumori di B e D che sono in movimento, non riceve rumori da C essendo questo fermo Se le condizioni del mare lo consentono: Il sonar di A dopo Se le condizioni del mare lo consentono: l’emissione dell’impulso riceve i gli echi dei tre battelli 15

“sonar” visione dei bersagli subacquei Scenario subacqueo Visione ostacoli dopo emissione impulso 16 Visione ostacoli in fase di ascolto passivo

“sonar” precisione di rilevamento L’incertezza di rilevamento angolare x, dovuta alla distanza e alle caratteristiche del sonar, si riduce mano a mano che (a) si avvicina a (b) e la sicurezza di navigazione di (a) è comunque assicurata. 17 rilevamento = posizione angolare del bersaglio

“sonar” precisione di rilevamento Bersaglio a 40 Km Errore di misura 1. 5° Arco d’incertezza 1 Km 18

“sonar” base acustica di ricezione -Il cuore del sonar. In via di principio l’ascolto delle sorgenti acustiche presenti nell’arco dei 360° può essere fatto con un insieme di sensori “idrofoni” disposti secondo la superficie di un cilindro; all’interno di questo del materiale isolante acustico evita il passaggio delle onde attraverso la struttura affinché ciascun idrofono le riceva dalla direzione in cui è posizionato. Le basi acustiche, in virtù della loro struttura, consentono la realizzazione di fasci di ricezione privilegiati base acustica = insieme d’idrofoni 19

“sonar” base acustica e amplificatori I deboli segnali elettrici che provengono dagli n trasduttori della base ricevente devono essere opportunamente amplificati e filtrati, da una delle n strutture indicate in figura, prima del loro utilizzo. Estrema cura nel progetto 20

“sonar” base acustica di trasmissione impulsi 21

“sonar” disposizioni basi acustiche di ricezione sul sommergibile Le basi acustiche, sia per la ricezione che per la trasmissione sono, generalmente, collocate a proravia del battello così come indicato in figura; le basi sono protette in diversi modi come vedremo in seguito. 22

“sonar” -sensori acusticitipologie d’ idrofoni sensore a dischetto sensore a cilindro Idrofono composto da un insieme di sensori cilindrici 23 Trasduttore con cilindri ceramici per emissione

“sonar” idrofoni e basi di ricezione e trasmissione Base ricevente / trasmittente a proravia Diametro: circa 1 m: Cifra d guadagno = 26 pari ad un incremento del segnale d 20 volte Base ricevente sotto il falso scafo Altezza: circa 1 m. Perimetro: circa 16 m. Singolo idrofono base ricevente ? per. bf > per. af ! freq. bf < freq. af ! port. bf > port. af ! prec. bf < prec. af 24 Singolo trasduttore base circolare

“sonar” basi acustiche smg Toti – sopra scafo - Vista delle basi esterne smg Toti 25

“sonar” basi acustiche: montaggio cuffia idrod. 26

“sonar” basi acustiche smg Toti – sotto falso scafo - Vista base ricevente dallo spaccato del falso scafo 27

“sonar” base acustica smg Toti – sotto falso scafo - Particolare degli idrofoni montati sotto il falso scafo 28

“sonar” una delle pinne del smg Toti (1964) Pinna per misuratore passivo della distanza 29

“sonar” una delle pinne del smg U 212 (2004) Pinna per misuratore passivo della distanza 30

“sonar” caratteristica di direttività di una base d’idrofoni –lobo di ricerca manuale 1 Sono ottimamente ricevibili soltanto le onde acustiche provenienti dalla direzione attorno al massimo della zona ombreggiata, la direzione può variare a comando dell’operatore al sonar ? Dir Come si crea la direttività della base Dir ^ L^ Dir ^ f ^ ? Lsecondar. 31 Lsec L^ Lsec f^

“sonar” caratteristica di direttività di una base d’idrofoni –lobo di ricerca manuale 2 La direzione del lobo di ricerca manuale è posizionabile sui 360° dell’orizzonte 32

“sonar” caratteristica di direttività di una base d’idrofoni –ricerca automatica. Più i lobi di direttività sono stretti più elevata è la precisione di rilevamento Più i lobi di direttività sono stretti maggiore deve essere il loro numero 33 È l’equivalente di un elevato numero di sistemi di ricerca manuale che operano simultaneamente Esempi di calcolo

Le forme normali di propagazione del suono in mare: per divergenza sferica o sfer. /cilindrica Cifra d’attenuazione = 10 Cifra d’attenuazione = 20 propagazione = legge di spostamento del suono 34

“sonar” la propagazione anomala del suono in mare 1 Raggi acustici rettilinei nel caso di temperatura costante con la quota (velocità del suono costante) 35 Raggi acustici curvilinei nel caso di temperatura che varia con la quota (velocità del suono variabile)

“sonar” la propagazione anomala del suono in mare 2 La misura della velocità del suono Il calcolo delle traiettorie 36 Zona d’ombra dovuta alla variazione della temperatura con la quota. (sensibili variazioni della velocità del suono) I bersagli nella zona d’ombra sono, generalmente, non rilevabili

“sonar” misura e ascolto del rumore emesso dai bersagli attivi Tecniche per il rilievo dei rumori emessi dai semoventi per ottenere i diagrammi mostrati alla pagina seguente State ascoltando il rumore di alcuni battelli in fase di controllo 37

“sonar” il rumore emesso dai bersagli attivi Il diagramma mostra la variazione dell’intensità del rumore della nave rispetto al suo asse 38 Il diagramma mostra lo spettro del rumore emesso dalla nave

ampiezza Livelli di rumore emessi da un CT a diverse velocità 300000 livelli dei rumori di un bersaglio attivo ricevuti dal sonar Corrispondenti livelli di rumore ricevuti alla distanza di 10 Km 25 L’attenuazione dei rumori emessi è molto forte, dipende dalla distanza e dalla frequenza: nel grafico, ad esempio, un suono emesso a livello indicativo di 300000 viene ricevuto a livello 25 39 0. 1 KHz 1 frequenza KHz 10 KHz

“sonar” il rumore dell’ambiente marino, il vento ed il conseguente moto ondoso. State ascoltando il rumore del mare allo stato mediano tra 1 e 2 40

“sonar” il rumore dell’ambiente marino, l’effetto della pioggia. State ascoltando il rumore della pioggia molto intensa ricevuto dal sonar 41

“sonar” il rumore dell’ambiente marino, dovuto alle forme di vita. Immagine di un crangon; dimensioni da 2 a 5 cm State ascoltando il rumore di alcuni organismi marini 42

Le curve mostrano come il rumore del mare, tracciato come un fascio di rette parallele, sia comparabile con ampiezza il segnale di una nave , traccia curva, che naviga a 10 Km di distanza rispetto al punto d’ascolto SS = 6 SS = 2 “sonar” livelli del rumore dell’ambiente marino comparati con il livello del segnale emesso da un CT a distanza di 30 Km che naviga a 40 Km / h 43 Alcune osservazioni SS = 1 SS = 0 frequenza 0. 1 KHz 10 KHz 20 KHz 17 e

Calcoli di previsione della portata di scoperta del sonar in condizioni di propagazione normale Soluzione di un sistema trascendente a 2 incognite e 8 parametri L’operazione si avvale di un software di calcolo e dei dati in precedenza accennati: Tipo di propagazione 3 parametri ambiente Stato del mare 5 parametri del sonar Tipo e velocità del bersaglio 44 Bersaglio fuori dalla zona d’ombra % Scop e Fa. portata = probabile distanza di scoperta

“sonar” dopo l’impulso la riverberazione La riverberazione è la risposta del volume d’acqua , della superficie e del fondo all’impulso acustico emesso dal sonar State ascoltando il fenomeno dopo l’emissione dell’ impulso Segnale di riverberazione visualizzato dal vero Livello teorico del segnale di riverberazione 45 L’ampiezza dipende dalla forza del bersaglio

“sonar” la riverberazione dopo un’esplosione Qualsiasi perturbazione acustica prodotta in mare da luogo alla riverberazione State ascoltando il fenomeno a seguito dell’esplosione A chiusura della conferenza i tre metodi del sonar per la misura della distanza del bersaglio Segnale di riverberazione visualizzato dal vero 46

“sonar” dopo l’impulso la misura della distanza Misura della distanza sulla base del tempo tra emissione impulso e ricezione eco; in questo modo operativo l’emissione rivela però la posizione del sommergibile 47 19 a

“sonar” la misura della distanza del bersaglio 1 Misura della distanza sulla base delle caratteristiche temporali dell’onda emessa dal bersaglio. Metodo di misura che non rivela la posizione del sommergibile. 48

“sonar” la misura della distanza del bersaglio 2 Misura della distanza sulla base delle caratteristiche temporali dell’onda emessa dal bersaglio. Metodo di misura che non rivela la posizione del sommergibile. 49

“sonar” la misura della distanza del bersaglio 3 Misura della distanza sulla base degli angoli di provenienza del rumore del bersaglio. Metodo di misura che non rivela la posizione del sommergibile. 50

“Fine della conferenza” Grazie dell’attenzione Disegni, fotografie e suoni: Marina Militare Italiana HNSA-Historic Betasom. it ATLAS Testo Sonar –princ-tec-appl. Museo Toti Doc. USEA/ELSAG Testo Urick Sonar-info State ascoltando l’inno della Marina Militare Italiana

IP 64 Consolle comando e controllo – prospetto -

Presentazione tipo A Al video dinamico Al FALCON 225°

Sintesi delle tipologie di presentazione dei bersagli nel sonar Presentazione panoramica di echi e rumori di bersagli “visibilità per intensificazione” Presentazione tipo A “rettificazione del cerchio” per soli rumori di bersagli “visibilità in ampiezza” Presentazione a cascata di soli rumori di bersagli “visibilità per scorrimento e intensificazione”

Il sonar sui siluri Autoguida su indicazione sonar Guida con filo e su indicazione sonar

La cortina trainata Dati caratteristici: lung. circa 100 m freq da 100 a 500 Hz Da non confondere con il VDS delle navi di superficie vista parziale in acqua di una cortina trainata

La misura della forza di un bersaglio

Il rilievo della velocità del suono alle diverse quote Il bativelocigrafo Misura la velocità del suono in funzione della profondità

Osservazioni fondamentali sui segnali captati dal sonar Se il bersaglio è relativamente vicino l’operatore può rivelarne la presenza mediante l’ascolto del rumore irradiato Se il bersaglio è molto lontano il rumore del bersaglio è mascherato dal rumore del mare e l’operatore non riesce più a discriminarlo; la scoperta è affidata a rilievi strumentali -Il cervello del sonar. I rilievi strumentali sono basati su particolari algoritmi di calcolo che consentono di scoprire un bersaglio anche quando il suo segnale è inferiore al rumore del mare s =1 ; n = 5

Le tre versioni del sonar di emergenza FALCON U 212 base conforme Sauro base circolare U 212 base d’illuminazione