Il sonar nella navigazione del sommergibile Sauro. 1 “Conferenza” Il sonar nella navigazione del sommergibile Sauro. Relatore: C. Del Turco già Dirigente USEA / Alenia Elsag Sistemi Navali -Progettista Sonar smg. Sauro- www.sonar-info.info

Il sonar può evitare questa situazione 2 Sonar: acronimo inglese che significa: Navigazione e localizzazione con il suono Il sonar può evitare questa situazione NB: Il SONAR non è un videogioco od un televisore che appena accesi consentono di fruire della visione desiderata: Il SONAR è una macchina che si deve confrontare con le mutevoli caratteristiche del mare per consentire, quando possibile, la scoperta dei bersagli. Compito essenziale del sonar è la misura della direzione e della distanza del bersaglio

L’indispensabilità del sonar per la navigazione dei sommergibili. 3 L’indispensabilità del sonar per la navigazione dei sommergibili. I suoni riprodotti durante la conferenza sono contributi originali registrati sui sonar della marina U.S.A durante la II^ guerra mondiale

Sommergibile a quota profonda Quando il sonar è indispensabile sia per la navigazione subacquea sia per l’emersione 4 a b

Le modalità di funzionamento del sonar tramite i sensori acustici 5 Le modalità di funzionamento del sonar tramite i sensori acustici –gli idrofoni- Il sonar come aiuto alla navigazione

Gli idrofoni del Sauro sono collocati nelle zone celesti 6 Gli idrofoni del Sauro sono collocati nelle zone celesti Alcuni tipi Alcuni tipi Linea di galleggiamento

Per la ricezione e l’ascolto dei rumori emessi dai semoventi 7 Esempi delle modalità di funzionamento del sonar per la localizzazione subacquea In modo passivo Per la ricezione e l’ascolto dei rumori emessi dai semoventi Campo delle frequenze d’ascolto: da 200 a 10000 Hz State ascoltando il rumore di una nave in movimento Localizzazione = stabilire la posizione angolare e la distanza del bersaglio

8 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 o di superficie Campo delle frequenze di lavoro: da 8000 a 30000 Hz State ascoltando l’emissione del sonar e l’eco del bersaglio Localizzazione = stabilire la posizione angolare e la distanza del bersaglio

L’evoluzione del sonar; dai primordi della tecnica al sonar del Sauro 9 L’evoluzione del sonar; dai primordi della tecnica al sonar del Sauro

Il sonar ai primordi della tecnica 10 Il sonar ai primordi della tecnica Si ascoltavano le onde acustiche, in modo diretto, mediante la vibrazione di sfere cave, immerse, connesse con tubi flessibili alle orecchie dell’operatore Ricezione direttiva ambigua

La consolle comando e controllo 11 “Il primo sonar italiano dopo la II^ guerra mondiale” IP64 per smg cl. Toti - USEA 1964 – La Spezia La consolle comando e controllo Sistema ricevente e trasmittente con ascolto audio e presentazione video delle tracce dei bersagli.

USEA / SELENIA – 1970 Per smg. Cls Sauro I^ serie 12 “sonar” produzione USEA / SELENIA – 1970 Per smg. Cls Sauro I^ serie 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. Consolle comando e controllo Trasmettitore Consolle comando e controllo Trasmettitore Ricevitore Ricevitore Ripetitore dati Base acustica BF Base acustica AF Ripetitore dati Base acustica AF Base acustica BF

Per smg Cls Sauro II^ e III^ serie 13 “sonar” produzione USEA / ELSAG – 1974 Per smg Cls Sauro II^ e III^ serie Consolle comando e controllo Sistema ricevente e trasmittente con ascolto audio e presentazione video delle tracce dei bersagli. Circuiti integrati digitali e analogici, computer ESA 24, gruppi elettromeccanici, tubi a raggi catodici. 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 Ricevitore Ripetitore dati Base acustica BF Base acustica AF

14 Sonar per smgg. Sauro: La prima realizzazione in Italia con rivelazione video in correlazione Se il bersaglio è relativamente vicino l’operatore può stabilirne la posizione 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 I rilievi sono basati sulle funzioni di correlazione che consentono di scoprire un bersaglio anche quando il suo segnale è inferiore al rumore del mare La correlazione è un metodo tecnico matematico per la scoperta del rumore dei bersagli coperto dai disturbi del mare

15 Le caratteristiche del mare e le sue implicazioni sul funzionamento del sonar.

16 Le forme normali di propagazione del suono in mare (1): Secondo i raggi di una sfera o di un cilindro temperatura Cifra d’attenuazione = 20 Cifra d’attenuazione = 10 Cifra d’attenuazione = 20 Cifra d’attenuazione = 10 profondità propagazione = legge di spostamento del suono

17 Le forme anomale di propagazione del suono in mare (2): le zone d’ombra temperatura Cifra d’attenuazione = 20 Cifra d’attenuazione = 10 profondità Ft = m x 3.28 ; Yd = m x 1.09; F° = C° ( 9/5 ) +32 Rifrazione legge di Snell 5

“sonar” la propagazione anomala del suono in mare (3) 18 “sonar” la propagazione anomala del suono in mare (3) Zona d’ombra dovuta alla variazione della temperatura con la quota. I bersagli nella zona d’ombra sono, generalmente, non rilevabili ; esempio di calcolo Vs = f ( t° )

–la sommatoria delle potenze dei rumori- 19 Analisi dei rumori nel mare visti come impedimenti al funzionamento del sonar –la sommatoria delle potenze dei rumori-

State ascoltando il rumore del mare allo stato mediano tra 2 e 3 20 “sonar” il rumore dell’ambiente marino, il vento ed il conseguente moto ondoso. State ascoltando il rumore del mare allo stato mediano tra 2 e 3

“sonar” il rumore dell’ambiente marino, l’effetto della pioggia. 21 “sonar” il rumore dell’ambiente marino, l’effetto della pioggia. State ascoltando il rumore della pioggia molto intensa ricevuto dal sonar

“sonar” il rumore dell’ambiente marino, dovuto alle forme di vita. 22 “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

Il rumore nell’ambiente marino, le balene. 23 Il rumore nell’ambiente marino, le balene. State ascoltando i rumori generati dalle balene

24 Il rumore nell’ambiente marino, la sommatoria di tutti i rumori provocati dal traffico marittimo Questi rumori, prevalentemente distribuiti su bande di frequenze tra 10 e 200 Hz, sono la combinazione casuale delle vibrazioni in acqua delle unità navali a grandi distanze

I rumori dei semoventi navali; rilievi studio e classificazione 25 I rumori dei semoventi navali; rilievi studio e classificazione -L’anagrafe dei mezzi-

“sonar” misura e ascolto del rumore emesso dai bersagli 26 “sonar” misura e ascolto del rumore emesso dai bersagli 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

“sonar” il rumore emesso dai bersagli 27 “sonar” il rumore emesso dai bersagli “la carta d’identità dei semoventi” Il diagramma mostra la variazione dell’intensità del rumore della nave rispetto al suo asse Il diagramma mostra lo spettro del rumore emesso dalla nave

livelli dei rumori di un bersaglio ricevuti dal sonar 28 Livelli di rumore emessi da un CT a diverse velocità ampiezza 300000 livelli dei rumori di un bersaglio 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 (attenuazione di 12000 volte) frequenza 0.1 KHz 1 KHz 10 KHz

29 “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 Le curve mostrano come il rumore del mare, tracciato come un fascio di rette parallele, sia comparabile con il segnale di una nave , traccia curva, che naviga a 10 Km di distanza rispetto al punto d’ascolto ampiezza SS = 6 SS = 2 SS = 1 SS = 0 La curva rossa è indicativa del livello del segnale emesso dal bersaglio; come si vede questo livello è inferiore al livello del rumore del mare frequenza 17e 0.1 KHz 1 KHz 10 KHz 20 KHz

Come si visualizzano con il sonar del Sauro gli scenari subacquei 30 Come si visualizzano con il sonar del Sauro gli scenari subacquei

“sonar” scenari subacquei 31 “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 Il sonar di A dopo l’emissione dell’impulso riceve i gli echi dei tre battelli

Schermo di presentazione panoramica 32 “sonar” visione dei bersagli subacquei Scenario subacqueo Schermo di presentazione panoramica Visione bersagli in fase di ascolto passivo Visione bersagli dopo emissione impulso

Dettagli strutturali del sonar IP70 del Sauro 33 Dettagli strutturali del sonar IP70 del Sauro

“Sonar Sauro” Tricofano 34 “Sonar Sauro” Tricofano Preamplif. BF e AF Fasci preformati BF Fasci preformati AF Compensatore

“Sonar Sauro” percorso segnali in ricezione 35 “Sonar Sauro” percorso segnali in ricezione Segnali AF Segnali BF Preamplificatori idrofonici telaio Prospettiva base ricevente Fasci BF Fasci AF Compensatore

” Sonar Sauro” Cofano Trasmettitore segnali impulsivi 36 ” Sonar Sauro” Cofano Trasmettitore segnali impulsivi trasmettitore

37 Sulle caratteristiche e la sistemazione meccanica dei sensori elettroacustici del sommergibile Sauro -le basi acustiche-

Base conforme 23 idrofoni per lato 38 “Sonar Sauro” disposizioni basi acustiche ric. / trasm. sul sommergibile Base conforme 23 idrofoni per lato (16 m di perimetro)

“sonar” i trasduttori e gli idrofoni 39 “sonar” i trasduttori e gli idrofoni Trasduttore con cilindri ceramici per emissione Idrofono composto da un insieme di sensori cilindrici

“sonar” idrofoni e basi di ricezione e trasmissione del Sauro 40 “sonar” idrofoni e basi di ricezione e trasmissione del Sauro 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 Singolo trasduttore base circolare

Basi acustiche smg Sauro sopra scafo. 41 Basi acustiche smg Sauro sopra scafo. Cuffie idrodinamiche di copertura per ridurre i fenomeni di cavitazione

“sonar” basi acustiche: montaggio cuffia idrod. su Sauro. 42 “sonar” basi acustiche: montaggio cuffia idrod. su Sauro. Planimetria in scala

Le caratteristiche di direttività della basi acustiche del Sauro 43 Le caratteristiche di direttività della basi acustiche del Sauro Gli strumenti di calcolo delle direttività negli anni 60

44 La base acustica del smg. Sauro e la sua caratteristica di direttività per l’abbattimento del rumore del mare analogia calcolo Particolare degli idrofoni montati sotto il falso scafo

-rotazione artificiale- 45 L’orientamento delle caratteristiche di direttività del sonar IP70 Sauro -rotazione artificiale-

Sistema per rotazione del lobo 46 L’orientamento della caratteristica di direttività di una base d’idrofoni -lobo ruotante manuale- 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 Sistema per rotazione del lobo Lobi secondari Lobo principale

“sonar” caratteristica di direttività di una base d’idrofoni –ricerca 47 “sonar” caratteristica di direttività di una base d’idrofoni –ricerca automatica su 360°- Esplorazione È l’equivalente di un elevato numero di sistemi di ricerca manuale che operano simultaneamente. Questo sistema, ottimo per la scoperta veloce dei bersagli, non ha però la precisione ed il guadagno del fascio a rotazione manuale.

48 Analisi dei livelli dei segnali e dei rumori in mare per la valutazione delle portate di scoperta del sonar

49 Le curve mostrano come il rumore del mare, tracciato come un fascio di rette parallele, sia comparabile con il segnale di una nave , traccia curva, che naviga a 10 Km di distanza rispetto al punto d’ascolto ampiezza SS = 6 SS = 2 V = 15 nodi Dati per la frequenza di 10000 Hz in dB/mPa/Hz -8 (28 Km/h) ( 1mPa = 10 gr / cmq ) S = 116 dB/mPa (630 mPa) Esame dei livelli del rumore dell’ambiente marino ( ss = 1) comparati con il livello dei segnali emessi da un CT che naviga a 15 nodi alla distanza: R = 22 Km R = 22 Km SS = 1 N = 39 dB/mPa (89 mPa) S = 6 dB/mPa (2 mPa) S/N = 2/89 ( - 33 dB ) 10 KHz 20 KHz TL = 60 + 20 Log (R) + a R ( prop. Sferica ) a = (0.1 fo ^ 2) / (1 + fo ^ 2) + (40 fo ^ 2) / (4100 + fo ^ 2) + (2.75 fo ^ 2) / 10000 (Thorps) 2 0.1 KHz 1 KHz 2 17e

50 La misura della distanza del bersaglio con il sonar; la storia dei problemi funzionali sul Sauro

“Sonar Sauro” la misura della distanza del bersaglio 51 “Sonar Sauro” la misura della distanza del bersaglio Il confronto U.S.A SS568/ Sauro Le 2 pinne posteriori Le 2 pinne centrali Le 2 pinne anteriori

“sonar” una delle 6 pinne del smg Sauro 52 “sonar” una delle 6 pinne del smg Sauro Pinna per misuratore passivo della distanza

“Fine della conferenza” 53 “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.info State ascoltando l’inno della Marina Militare Italiana

Base conforme Sauro – pianta - Posizione 23 idrofoni di sinistra 54 Base conforme Sauro – pianta - Falso scafo Vista verticale Posizione 23 idrofoni di sinistra

55 U.S.A. SS568 Sup. = 1.8 mq L = 88 m Sauro Vedi P64 0.48 mq L = 64 m

Profilo verticale base conforme Sauro 56 Profilo verticale base conforme Sauro

57 trasformazione

Compensatore sonar del Sauro 58 Compensatore sonar del Sauro Sistema ad elevata precisione: 0.1° Per il puntamento manuale dei bersagli

59 “sonar” caratteristica di direttività di una base idrofonica –lobo di ricerca bersaglio- 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 Telesc.

Gli strumenti per il calcolo negli anni 60