Appunti Emissione acustica ed elettromagnetica - Parte 1

EMISSIONE ACUSTICA ED ELETTROMAGNETICA DELLA NAVE

Firma acustica o tracce di tipo magnetica o ottico (emissioni di infrarossi): "traccia" che lascia la nave. C'è

anche segnatura radar. Sistemi sonar e sistemi radar sono sistemi elettronici.

Il rumore è inevitabile. Il rumore è un suono indesiderato che interferisce con il normale funzionamento di

un sistema. Il rumore sott'acqua è il suono nell'acqua.

Nella pratica quotidiana, nessun processo meccanico utile può avvenire senza generare alcune vibrazioni e

quindi almeno un po' di rumore. Pertanto, il rumore è un sottoprodotto inevitabile delle macchine. Ogni forza

costante che produce lavoro è associata a piccole instabilità, o vibrazioni, e queste vibrazioni vengono

trasmesse alle superfici della macchina, da cui si irradiano sotto forma di suono. Allo stesso modo, quando un

corpo si muove attraverso un fluido, si creano movimenti turbolenti.

Questi movimenti turbolenti si dissolvono in calore, ma irradiano anche una piccola quantità di suono.

Non esiste un processo meccanico che sia esente dalla produzione di vibrazione e rumore. La vibrazione spesso,

in maniera inevitabile, si trasforma in un'onda acustica. Un corpo che vibra finisce per radiare onde acustiche

(parte di energia che viene trasformata in rumore). È un'affermazione non dimostrabile, non si conoscono casi

contrari. Le lastre delle murate ad esempio irradiano rumore.

Da un lato ci sono fluttuazioni/sbilanciamenti/oscillazioni dalla forza (che non sono perfettamente costanti) e

dall'altro lato abbiamo anche un altro tipo di sorgente, sempre legato al lavoro meccanica, ovvero moto di un

corpo in un fluido che genera dei moti turbolenti. I moti turbolenti contengono energia cinetica che viene

passata dalla barca al liquido che si mette in moto turbolento; questa energia decade in calore ma una piccola

frazione di energia cinetica dei vortici viene trasformata in rumore [si chiama rumore di flusso].

La velocità del suono nell'acqua (1500 m/s) è più alta di quello dell'aria (340 m/s).

Quest'ultimo punto comunque è un rumore che preoccupa di meno.

I suoni emessi dalle navi e dai sottomarini possono rivelarne la presenza al nemico e, a sua volta, il rumore

acustico (compreso il rumore intrinseco) limita le prestazioni dei sistemi sonar utilizzati dalle navi e dai sottomarini.

Un sottomarino moderno a bassa velocità produce una potenza acustica dell'ordine di 10 mW, mentre una nave

Watt

3 milli

di superficie emette generalmente da 5 a 100 W. Solo una piccolissima parte della potenza meccanica necessaria

al funzionamento delle navi e dei sottomarini viene effettivamente convertita in suono subacqueo.

Aumentare la velocità in generale aumenta il rumore che si produce. Per minimizzare il motore abbiamo motori

elettrici. Soprattutto quando il motore elettrico è alimentato da batterie (o celle combustibili, queste un pochino

di rumore in più lo producono perché hanno un piccolo circuito idraulico). I sottomarini più rumorosi sono quelli

nucleari perché non si possono spegnere.

Tipi di rumore subacqueo

• Rumore irradiato: rumore irradiato nell'acqua che può essere utilizzato da un sonar passivo per rilevare la

presenza di un veicolo a una distanza considerevole. Questo rumore viene misurato dopo la propagazione

attraverso il mare.

Fonti principali: rumore dell'elica, rumore dei macchinari, rumore idrodinamico

• Rumore ambientale: tutti i rumori associati al mezzo in cui opera un sonar che sarebbero presenti nel

mezzo se la piattaforma sonar o il veicolo stesso non fossero presenti. Presente indipendentemente dalle

navi o da noi. Il rumore in acqua è dovuto al fatto che le onde acustiche viaggiano meglio che in aria e per il

fatto che ci sono fenomeni naturali che producono rumore. È causato ad esempio dalle onde.

• Rumore intrinseco: rumore attribuibile alla presenza e al funzionamento di una piattaforma navale più il

rumore associato alle apparecchiature sonar (rumore elettronico). Questo rumore viene misurato da

trasduttori situati sulla nave che produce il rumore.

Sebbene le cause fondamentali del rumore irradiato e del rumore intrinseco siano essenzialmente le stesse,

l'importanza relativa delle varie fonti di rumore è diversa.

Il rumore del ghiaccio che si rompe ad esempio è un rumore impulsivo di tipo ambientale molto forte. Ci sono

ovviamente anche animali rumorosi.

Dalla frequenza si potrebbe capire la sorgente del rumore.

Le onde elettromagnetiche non funzionano sott'acqua. Sotto parliamo di acustica mentre le onde

elettromagnetiche sopra!! Questo perché l'acqua è un conduttore elettrico. Abbiamo sistemi di comunicazione

basati su onde acustiche. Si è cercato di nascondere i segnali facendoli assomigliare a rumori biologici/animali.

Ci sono sistemi sonar che producono immagini.

Self noise (rumore intriseco): rumore prodotto dalla nave che da fastidio alla nave stessa o meglio il

funzionamento degli apparati acustici sulla nave stessa. 26/02/26

Efficienza di conversione acustica

L'efficienza di conversione acustica è definita come:

8 2

-l

Un'efficienza di conversione pari a 10 è comune per le sorgenti in acqua, mentre valori compresi tra 10 e 10

- -

si riscontrano spesso per i suoni irradiati nell'aria. Ciò è dovuto alla diversa compressibilità dell'acqua e dell'aria.

Il parametro che tiene conto dell'importanza relativa della compressibilità è il numero di Mach M, definito come il

rapporto tra una velocità meccanica pertinente U e la velocità delle onde sonore c:

Le efficienze di conversione acustica possono essere solitamente espresse come funzioni del numero di Mach

nella forma:

dove n è uguale o maggiore dell'unità.

La bassa efficienza di conversione acustica del suono sott'acqua è correlata ai valori relativamente bassi

del numero di Mach nell'acqua.

È utile suddividere il processo di produzione del rumore in tre parti:

• Generazione di un movimento vibratorio

• Trasmissione di questa vibrazione a una superficie radiante

• Radiazione del suono nel mezzo

Pertanto, l'efficienza di conversione può essere espressa come il prodotto di tre efficienze di conversione,

una per ciascuno dei tre processi: Il nostro scopo è tenere

questo rendimento basso.

È l'ultimo termine che è controllato dal numero di Mach e che differisce maggiormente tra aria e acqua.

Gli altri termini sono solitamente indipendenti dal mezzo fluido.

Il rendimento acustico a cosa è dovuto? Abbiamo tre fasi che danno vita ad un rumore. Si tratta di fasi in serie.

La prima è il rendimento della sorgente: macchina meccanica che produce vibrazione. Avrà un suo rendimento

con cui trasforma la potenza impiegata in potenza acustica. Il secondo termine è dovuto alla trasmissione delle

vibrazioni, dalla sorgente alla superficie bagnata della nave. Esprime quale frazione delle vibrazione prodotte

dal motore arriva ad eccitare le superfici bagnate della nave (murate). Poi abbiamo l'ultimo termine relativa

all'onda acustica. La murata potrebbe assorbire una parte di vibrazione e trasformarla in calore, non tutta la

trasmissione viene trasformata in onda acustica.

Scomponendo il rendimento complessivo in queste tre fasi si possono fare degli accorgimenti specifici per poter

ridurre il rumore. Posso modificare la sorgente per produrre meno vibrazioni ad esempio. Per la trasmissione ho

dei problemi in più. Quello che trasmette le vibrazioni sono le travi, quindi dovrei agire su di esse. La vibrazione

di una lastra della murata la possiamo smorzare ad esempio all'esterno dei materiali visco-elastici in grado di

assorbire e trasformare in calore l'energia vibrazionale.

SPETTRI DI FREQUENZA DEI SEGNALI

Quando si parla di rumore si parla di segnale aleatori (casuali). Il rumore prodotto da un'unità navale viene

espresso in termini del suo spettro di frequenza.

Trasformata di Fourier: Qualsiasi segnale è generato da una somma di sinusoidi (ciascuna con la propria

ampiezza e fase).

(Argomento fatto dopo)

ONDE ACUSTICHE NEI FLUIDI liquidi)

(sid gas che

Le onde acustiche sono generate dalla propagazione di una perturbazione meccanica.

Le compressioni e le dilatazioni locali vengono trasmesse da un punto ai punti circostanti, grazie alle proprietà

elastiche del mezzo (onde elastiche). Questa perturbazione si propaga allontanandosi dalla sua fonte.

La velocità di propagazione, c, di questa perturbazione è chiamata velocità ed è una funzione delle proprietà

meccaniche del mezzo stesso:

elasticity

Fluid

E : (Bulk

modues modula)

density

mass

g :

Le onde acustiche sono onde elastiche. Al fulcro di tutto c'è l'elasticità del mezzo.

Perturbazione meccanica. Mediamente la particella rimane nella sua posizione (fa avanti e indietro) e passano il

loro moto a quelle attorno per via dell'elasticità del mezzo. Posso anche determinare dei punti in cui ho una

zona piu densa, e sono i piani in cui la pressione è più alta. Tra due piani invece ho zone con densità piu bassa

di particelle e quindi pressione piu bassa. Questi piani a pressione costante si muovono verso destra con una

velocità, che è quella di propagazione c.

Attenzione a non fare confusione con la velocità della particella e la velocità con cui il fenomeno di propaga!!!

Si tratta di onde compressionali, in cui la direzione di moto delle particelle è la stessa direzione in cui si

propaga l'onda acustica. Esistono altri fenomeni di tipo ondulatorio in cui le particelle fanno un moto diverso.

Parametri importanti:

• Ampiezza del "movimento locale" di ciascuna particella nel mezzo attorno alla sua posizione di equilibrio

• Velocità delle particelle (da non confondere con la velocità di propagazione delle onde)

• Pressione (variazione attorno alla pressione idrostatica media)

I segnali acustici sono generalmente vibrazioni sinusoidali mantenute nel tempo, caratterizzate dalla loro

frequenza f (numero di vibrazioni al secondo) o dal loro periodo T ( T = 1/f )

Le frequenze utilizzate nell'acustica subacquea vanno da pochi hertz a 1 MHz.

La lunghezza d'onda, è la distanza percorsa dall'onda durante un periodo del segnale con velocità c:

λ,

Nell'acqua, è pari a 150 m a 10 Hz, 1,5 m a 1 kHz e 1,5 mm a 1 MHz.

λ

L'equazione d'onda

Equazione di Helmholtz: pressione

~

2 quindi ho

velocità propagazione

di E

,

dove p è la pressione ed è una funzione di x, y, z e t

In un mezzo in cui la velocità è costante e la propagazione è limitata alla singola direzione x:

2 è cost.

se

cost c

.

Onde piane Lad

Pressione

La funzione di pressione: e' soluzione per qualsiasi f0

contex

è una sinusoide complessa che è una soluzione dell'equazione d'onda per qualsiasi valore della frequenza f0.

p0 è il picco dell'onda di pressione.

Le superfici di fase costante di questa onda saranno piani onda piana

Ovviamente, la parte reale [cioè p0cos(.)] e la parte immaginaria [cioè p0sin(.)] dell'equazione sopra riportata

sono entrambe soluzioni dell'equazione d'onda. Poiché una combinazione lineare di soluzioni è comunque una

soluzione, si può concludere che qualsiasi segnale che abbia una trasformata di Fourier (cioè un segnale che può

essere scritto come somma di sinusoidi complesse) è una soluzione dell'equazione d'onda.

Cos(20

t) Po

p(X =

, 1/7

ve frequenza T =

a .

Po ·

·

Fissiamo lo spazio, per semplicità: x = 0 fot)

COS(2TT

P(t) Po

= not

↑

Do

-

inte

la posi Frequenza temporale

COS(2 fo)

per t=0 p(x) Po

=

P(X) - C All

⑧

⑧ =

Frequenza spaziale x

Tx =

X

d

X

La realtà è tridimensionale, quindi la pressione che vedo lungo x si mantiene costante lungo y e z.

La somma di qualsiasi sinusoide risolve l'equazione d'onda. Rimane il fatto che la pressione si muove per

piani. L'equazione d'onda non serve a capire com'è fatta la forma d'onda ma com'è fatto il fronte d'onda e

quindi la pressione come viene distribuita.

Pressione, velocità e ampiezza

Le espressioni della velocità di spostamento delle particelle corrispondente v(x, t) e dell' ampiezza a(x, t) sono

simili a quelle della pressione p(x, t), sostituendo p0 rispettivamente con v0 e a0 e regolando la fase iniziale.

Infatti, la velocità delle particelle del fluido, v, è correlata alla pressione acustica tramite l'equazione:

Per un'onda piana lungo x, ciò si semplifica in:

Le sinusoidi che rappresentano la pressione e la velocità sono in fase.

Invece, poiché la velocità delle particelle è la derivata temporale dell'ampiezza dello spostamento, le sinusoidi

correlate sono in quadratura.

L'ampiezza dipende anche dalla frequenza. La grandezza è un prodotto che appare molto

ρc

frequentemente, si chiama impedenza acustica.

Il prodotto è l'impedenza caratteristica del mezzo di propagazione.

ρc

L'unità SI relativa all'impedenza acustica è il rayleigh (rayl)

La potenza acustica è proporzionale alla pressione di picco elevato al quadrato.

Quando si considera la propagazione nelle 3 direzioni di uno spazio isotropo, la soluzione all'equazione d'onda

è un'onda sferica:

dove R è la distanza dalla sorgente.

I fronti d'onda sono ora sfere centrate sulla sorgente (R = 0).

L'ampiezza dell'onda diminuisce in 1/R dal suo valore p0 considerato a 1 m di distanza dalla sorgente.

L'ipotesi è che non cambi nulla rispetto gli angoli. Assumiamo che la pressione sia costante muovendo gli angoli

ma variando la distanza. Al posto di R prima avevamo x. L'unica differenza è che la variabile R è anche a dividere.

All'aumentare di r (allontanandosi dall'origine) la pressione di picco p0 si riduce. È un'onda che allontanandosi

perde pressione. Si chiama sferica perché la pressione non dipende dagli angoli!! Qualsiasi raggio io prenda

ottengo una sfera in cui la pressione rimane costante.

·

Rico

to pote non

R

Onde di compressione e onde di taglio

Nell'acustica subacquea, la maggior parte dei processi può essere descritta da onde di compressione (o

longitudinali o di pressione), ovvero onde in cui le particelle si muovono nella direzione di propagazione.

Le onde di taglio (o trasversali), in cui lo spostamento e la direzione di propagazione sono perpendicolari,

sono utilizzate per descrivere la propagazione in sedimenti consolidati e bersagli solidi. Sono onde che

esistono solo nei solidi. 04/03/26

Intensità

Per un'onda piana con pressione di picco p0, l'intensità acustica (ovvero la potenza per unità di superficie) può

essere definita come:

Per un'onda sferica invece: Intensità dell'onda sferica si riduce

con il quadrato della distanza

dove p0 è la pressione di picco a 1 m di distanza dalla fonte. Po

Se al posto del valore di picco p0 si utilizza il valore quadratico medio (RMS) della pressione, prms, come Prms 2

le equazioni precedenti diventano rispettivamente prms è un po piu bassa

Con le prime relazione, conoscendo la pressione di picco p0 possiamo usare l'intensità acustica. Ogni tanto si

usa la pressione rms ovvero la pressione efficace (radice della media al quadrato).

Se la forma d'onda è una sinusoide, il legame tra valore di picco e efficace si riduce a prms=p0/rad(2).

Potenza

La potenza acustica ricevuta dalla superficie S è l'intensità per la superficie. Per un'onda piana:

L'intensità è una informazione puntuale mentre

la potenza va calcolata sempre su un'area.

Per un'onda sferica, la potenza totale verso l'esterno alla distanza R è indipendente dalla distanza:

non c'è piu la dipendenza da R

Limpedenza acustica

Rimane complessivamente sempre la stessa potenza! Diminuisce l'intensità ma la potenza no.

Nella propagazione sferica non si perde potenza. Al momento ci stiamo occupando di

propagazione ideale in mezzi ideali.

Il decibel

La pressione acustica o la potenza sono solitamente quantificate su una scala logaritmica e indicate in decibel

(dB). Per definizione, il decibel si riferisce al rapporto tra 2 valori di potenza (o intensità), ovvero rappresenta un

guadagno: Rapporto di potenze! di

raddoppio

indica potenza

un

> positivi)

Calori negativi

(valori

attenuazione

Poiché la potenza (o intensità) è proporzionale al quadrato della pressione, lo stesso valore per il guadagno

in dB può essere ottenuto utilizzando il rapporto di pressione, come segue:

Rapporto di pressioni!

Il prodotto di diversi valori di guadagno si traduce nella somma dei loro valori in dB. Ad esempio:

Per indicare i livelli di pressione assoluti in dB, è necessario un livello di riferimento.

Nell'acustica subacquea, il livello di riferimento è solitamente il micropascal

Chiaramente, la definizione di pressione dovrebbe essere la stessa per p e pref, ed entrambe dovrebbero

essere definite come valori RMS o come valori di picco.

Attenzione: la pressione di riferimento nell'aria è fissata a 20 µPa.

Per i livelli di intensità assoluta in dB, il livello di riferimento è spesso impostato come segue:

18

I = 0,67⋅10 W/m . Questo valore è l'intensità prodotta da una pressione RMS di 1 µPa (a una distanza

- 2

REF

R = 1 m, per il caso sferico)

In aria si