CAPITOLO 3
IL NUOVO POLIGONO ACUSTICO
Dopo aver presentato i principi di funzionamento ed esempi teorici circa la tecnica di estrapolazione del campo per poter garantire le proprietà di super-direttività di array di idrofoni, si passerà ad un ambiente di misurazioni più realistico. Per poter riuscire nell’intento, si è reso necessario fare uso di uno strumento di misurazioni che potesse ottenere le cosiddette segnature acustiche di Unità Navali di vario tipo e sotto particolari condizioni. Ogni Unità Navale, infatti, per via della propria stazza, elica e macchinari presenti a bordo, possiede una propria impronta acustica caratteristica.
Allo scopo di raggiungere misurazioni valide per i nostri fini, si è fatto uso di dati raccolti dal poligono acustico presente a La Spezia, presso il Centro di Supporto e Sperimentazione Navale. Le informazioni acustiche vengono raccolte attraverso una opportuna cortina verticale di idrofoni posizionati a diverse distanze, in modo che solo alcuni di essi possano essere impiegati ad una certa gamma di frequenze: al variare della frequenza infatti tra tutti i sensori dell’array, sarà sempre possibile trovarne alcuni posti alla distanza di
.
Sebbene il poligono sia nato con l’intento di lavorare sotto condizioni operative note, la cortina verticale si è rivelata utile, dopo opportune modifiche, per effettuare delle simulazioni su dati raccolti in scenari realistici.
Il capitolo viene pertanto strutturato come segue: verrà innanzitutto descritto in modo sommario il funzionamento operativo del poligono acustico e la descrizione delle analisi effettuate presso il centro elaborazioni del CSSN; si passerà dunque alla descrizione dettagliata della cortina idrofonica e quali sono le modifiche da effettuare per estrapolare da essa gli array di sensori posti stavolta a distanza minore di comunemente impiegata per le misurazioni.
Le informazioni sul Nuovo Poligono Acustico sono state ricavate attraverso i relativi manuali tecnici e dispense del corso per gli operatori di sistema [15] [16] [17].
3.1 Il Nuovo Poligono Acustico
ll Centro di Supporto e Sperimentazione Navale (CSSN) è nato nel 2007 dalla fusione di tre Enti di studio e sperimentazione: Mariperman, di cui il CSSN ha ereditato la sede, Marimissili e Mariteleradar Livorno. La duplice missione del CSSN è quella di essere gestore dei processi di
Ingegneria del Supporto Logistico per lo Strumento Navale e centro per la sperimentazione e lo sviluppo dei programmi scientifici e tecnologici della Forza Armata.
Nella sua veste di Ente scientifico e tecnologico, il CSSN rappresenta, grazie alle professionalità e alle apparecchiature a disposizione, un polo di eccellenza, sia in ambito nazionale che civile, con capacità e competenze in alcuni casi uniche nel panorama nazionale. Nei propri balipedi e poligoni hanno luogo test, verifiche e valutazioni in campo balistico, missilistico e siluristico, finalizzati al collaudo, sviluppo e qualifica di sistemi d'arma, e misure di elettroacustica ed elettromagnetismo per la determinazione della segnatura acustica e magnetica delle Unità Navali. Nei propri laboratori sono eseguite prove, analisi e misure nel campo della chimica applicata e degli esplosivi, della tecnologia dei materiali, dell’ambiente, dell’architettura navale, della segnatura radar/infrarosso e della compatibilità elettromagnetica, finalizzate al collaudo, alla qualifica e all'omologazione di materiali ed apparecchiature.
Tra i diversi laboratori e strumenti di analisi e di misurazione, si annovera Il Nuovo Poligono Acustico (NPA), il quale ha la funzione di elaborare e memorizzare dati acustici generati da mezzi navali (subacquei o di superficie) che transitano lungo un percorso di misura. Tali segnature sono il risultato della registrazione di segnali acustici (rumore) captati da idrofoni localizzati lungo un ancoraggio, mentre l’Unità in esame (Unità Navale in Prova – UNP) percorre la linea di corsa del poligono.
Il Nuovo Poligono Acustico è costituito da quattro sotto-sistemi: Sottosistema a mare
Sistema per la ricezione del rumore irradiato dalle Unità Navali, realizzato da una boa radarabile, denominata Boa A o Boa Radio, che comprende la componente sensoriale, il modulo dell’elettronica di condizionamento ed il sistema di trasmissione dati;
Sottosistema a bordo dell’Unità Navale di Appoggio (UNA)
Sistema di acquisizione segnali, posto sull’unità laboratorio, avente lo scopo di ricevere e registrare i segnali trasmessi via radio dal sistema a mare; è realizzato da tre PC in rete ed un Digital Range Meter (DRM) completo di PC di Tracciamento per il monitoraggio della cinematica della UNP;
Sottosistema a bordo dell’Unità Navale di Prova (UNP)
Si tratta di un sistema di navigazione installato sull’Unità in Prova, avente lo scopo di fornire alla stessa il controllo della rotta rispetto agli ancoraggi; è costituito da un PC e da un Digital Range Meter;
Sottosistema di analisi o CED (Centro Elaborazione Dati)
Il sistema di analisi, posto nei laboratori del CSSN, ha lo scopo di analizzare i segnali registrati in mare; è costituita da un PC server e due PC client in rete;
Fig. 3.1 – Configurazione sottosistema a mare del Nuovo Poligono Acustico
Le misure e la corsa dell’Unità in prova sono controllate in tempo reale da un sistema posto su una Nave Appoggio (detta UNA) situata a circa 2 Km dal campo misure. Tale distanza assicura l’assenza di interferenze acustiche con le registrazioni in atto.
Il controllo della corsa dell’Unità in prova avviene altresì ad opera di un preposto sistema di controllo navigazione (sistema di tracciamento a bordo UNA).
I 3 sistemi implicati (UNA, UNP e Sistema a mare) devono operare in sincronia. Per tale motivo essi ricevono il clock e i dati UTC (Universale Time Coordinate) da 3 ricevitori GPS. Il CED è invece il sistema preposto a raccogliere i dati grezzi acquisiti e pre-elaborati messi a disposizione dal sistema UNA. Una volta raccolti, i dati sono elaborati al fine di generare segnature acustiche confrontabili. Dette segnature vengono archiviate in un apposito database residente nell’unità “server”.
È necessario suddividere i mezzi navali in prova in gruppi omogenei: da tali gruppi dipende la configurazione del poligono:
gruppo 1 - mezzi di superficie;
gruppo 3 - mezzi subacquei immersi;
Descriviamo ora nel dettaglio come operano i diversi sottosistemi.
Il sottosistema a mare ha lo scopo di raccogliere i segnali irradiati dalla UNP e di trasmetterli via radio (link punto-punto) alla UNA. Esso è costituito da due ancoraggi, denominati ancoraggio A e ancoraggio B, che sono posizionati ad una distanza di circa 400 metri uno dall’altro.
Sull'ancoraggio A sono posizionati i seguenti elementi principali:
boa contenente l'elettronica di condizionamento, memorizzazione e trasmissione dati dei segnali acustici;
cortina idrofonica verticale di 27 idrofoni con relativi preamplificatori, la cui funzione è quella di misurare il rumore irradiato dall’UNP;
due idrofoni omnidirezionali a larga banda, H1 e H2, posti agli estremi della cortina e
impiegati per la navigazione ed il tracciamento;
sensore per la misura della profondità e due sensori per il rilievo dell’inclinazione integrati nella Cortina Verticale;
un idrofono omnidirezionale aggiuntivo H0, per rilievi a quota snorkel;
due transponder/releaser per il sistema di tracciamento e lo sgancio;
L’ancoraggio B ha il compito di sostenere i sensori che, assieme con quelli dedicati all’ancoraggio A, costituiscono il “wet end” del sistema per la navigazione ed il tracciamento. Gli elementi principali sono i seguenti:
boa radarabile di segnalazione;
transponder per il sistema di tracciamento;
Il Sistema a bordo UNA è costituito da 3 PC collegati in rete e da un Digital Range Meter (DRM), completo di PC di Tracciamento. La UNA esegue le seguenti funzioni:
messa a mare e recupero degli ancoraggi, tramite un apposito verricello;
calcolo della distanza tra i transponder degli Ancoraggi A e B mediante una procedura di calibrazione del Sistema di Tracciamento;
monitoraggio della cinematica dell’UNP durante la corsa (tracciamento) e calcolo della distanza dai sensori idrofonici in funzione del tempo;
acquisizione dei rilievi bativelocimetrici, con apparati di fornitura MMI; tracciamento dei grafici dei raggi sonori e delle perdite di propagazione;
monitoraggio della condizione operativa dell’elettronica preposta al condizionamento del segnale (modificando di conseguenza i guadagni dei preamplificatori);
ricezione dei segnali idrofonici;
scelta del fascio per determinare il miglior ascolto della corsa;
memorizzazione dei segnali idrofonici, della condizione di funzionamento dell’elettronica e della deformazione della cortina;
rilievo della deformazione della cortina (tramite i sensori di inclinazione e di profondità); attivazione dei comandi di sgancio dei releaser;
Le funzioni di comando e ricezione dati (mediante bridge radio) dalla Boa di acquisizione sono svolte da un PC di Controllo: tramite uno switch, il PC Controllo invia i dati al PC Analisi, che svolge la funzione di analisi on-line e off-line dei segnali acquisiti, ed al PC Rigenerazione, che converte i segnali digitali in analogici per l'utilizzo da parte del DRM. L’assistenza alla navigazione ed il tracciamento sono effettuati tramite i DRM installati a bordo di nave UNA e di nave UNP, con associati i relativi PC.
A bordo della UNP è invece installato un sistema di navigazione, costituito da un PC e da un Digital Range Meter (DRM), e dai moduli acustici per il colloquio con i transponder degli ancoraggi A e B. Il sottosistema a bordo UNP è di ausilio alla navigazione all'interno del poligono, tra gli ancoraggi A e B. Il sistema può funzionare direttamente con il proprio trasduttore filato a mare da nave UNP
(configurazione 1), o tramite interfaccia con il telefono subacqueo di bordo (configurazione 2). Nella prima configurazione il sistema ha la funzione di emettere gli impulsi di interrogazione e, tramite la ricezione dei segnali provenienti dai transponder, calcolare la posizione di UNP; nella seconda configurazione il sistema emette comunque gli impulsi di interrogazione, ma riceve la posizione di UNP tramite collegamento radio UHF dal sistema di tracciamento installato sulla UNA.
Le funzioni del sottosistema UNP possono essere riassunte in questo modo:
fornire le coordinate stimate del punto nave UNP, affinché l’Unità stessa possa manovrare per passare all’interno del poligono;
visualizzare la rotta della UNP per il controllo della stessa e l'allineamento della sua posizione rispetto la base di misura, in modo da consentire l'avvicinamento al Poligono con velocità costante e rotta ortogonale alla linea ideale di allineamento degli ancoraggi;
consentire il tracciamento grafico della rotta di UNP, da parte di UNA;
memorizzare tutti i dati di navigazione necessari per l’analisi a terra delle corse.
Una volta raccolti i dati acustici da mare, essi vengono registrati dalla UNA su opportuni supporti di memoria e quindi portati al centro di analisi a terra (CED), dove son presenti tre Work Stations (un PC Client e due PC Server).
Le funzioni principali del CED sono riassunte in seguito:
analisi dei segnali relativi agli idrofoni omni-direzionali H0, H1, H2 e uno dei 27 idrofoni
della cortina, ai fasci e agli accelerometri;
stampa dei risultati dell’analisi, che verranno archiviati in forma tabulare e in forma grafica; archiviazione dei risultati in un apposito Database che potrà essere interrogato da più utenti
contemporaneamente.
3.2 La cortina idrofonica verticale
La componente principale del poligono, attraverso la quale è possibile prelevare le impronte acustiche delle UNP che transitano all’interno del tracciato prestabilito, è il sottosistema a mare, in particolare la cortina idrofonica presente nell’ancoraggio A.
La cortina è costituita dai seguenti elementi:
terminazione elettromeccanica di testa, elemento di connessione elettromeccanica alla boa A tramite il cavo EM ed il cavo CS (Fig. 3.3); essa consente la chiusura stagna della sezione
sensori, assicura la verticalità alla cortina e permette di fornire le dovute alimentazioni a preamplificatori, idrofoni e trasduttori;
terminazione meccanica, che consente il collegamento meccanico della testa della cortina al cavo di forza della sezione superiore dell’ancoraggio;
sezione sensori, costituita da 27 idrofoni/preamplificatori direzionali BF, 2 idrofoni/preamplificatori omnidirezionali AF, un trasduttore di pressione (pressostato) e 2 trasduttori di assetto (inclinometri magnetici);
conduttori, il cui compito è quello di trasportare i potenziali elettrici di alimentazione ed i segnali dai sensori; essi sono situati in apposite scanalature ricavate in appositi dischi spaziatori e lungo i porta-idrofoni, con sufficiente imbando onde evitare che siano posti in tensione durante l’impiego della cortina date le fluttuazioni a cui essa viene sottoposta durante l’esercizio;
terminazione di coda, che consente il collegamento della cortina con la zavorra: in particolare la terminazione deve essere collegata allo sganciatore associato al relativo trasponder;
È presente inoltre una stazione idrofonica (H0), che consente l’ascolto idrofonico nella
banda 5 Hz ÷ 40 kHz, ma il suo impiego è previsto solo in alcune configurazioni di misura del poligono.
La sezione sensori costituisce il cuore della cortina idrofonica verticale (Fig. 3.4) in quanto contiene tutta la parte sensoristica (idrofoni preamplificati BF e AF, sensore di profondità e sensori di inclinazione e orientamento) e relativi conduttori, nonché tre cavi di forza in Dyneema, una fibra sintetica particolarmente adatta alla produzione di cavi da trazione, che garantiscono la resistenza alla rottura per trazione.
La sezione sensori ha una lunghezza di circa 46,5 metri ed è costituita da una guaina esterna tubolare in poliuretano di diametro esterno 60 mm circa e spessore 3 mm, resa stagna ai due capi dalle terminazioni meccanica di coda ed elettromeccanica di testa.
Tra le due terminazioni e ad esse collegati, corrono i tre cavi di forza in Dyneema che garantiscono la resistenza alla trazione prevista (≥ 40 kN). I tre cavi sono posizionati a 120° l’uno dall’altro e sono tenuti in posizione da un congruo numero di spaziatori in teflon nonché dai portaidrofoni e portasensori. Apposite scanalature su spaziatori, portaidrofoni e portasensori consentono il transito dei numerosi conduttori di segnale e di alimentazione sensori. Spaziatori, portaidrofoni, portasensori e conduttori sono ancorati ai cavi di forza per mezzo di opportune legature che garantiscono il mantenimento delle posizioni relative previste.
Nella sezione sensori sono alloggiati i seguenti sensori:
27 idrofoni preamplificati con banda di frequenza 5 Hz - 12 kHz; 2 idrofoni preamplificati con banda di frequenza 5 Hz - 40 kHz; 1 sensore di pressione per la misura della profondità;
2 bussole/inclinometri per il rilievo dell’assetto della Cortina.
Un certo numero di spaziatori in teflon bianco, posti a qualche decina di centimetri l’uno dall’altro, hanno il compito di assicurare il mantenimento della geometria della cortina e la corretta
disposizione dei cablaggi interni.
La sezione sensori è agganciata alle due estremità a due terminazioni in acciaio inox, una di testa ed una di coda, sagomate in modo da consentirne l’inserimento nel tubo in poliuretano e la tenuta tramite fascette stringitubo.
La guaina della sezione sensori è riempita con olio di paraffina [18] a bassa viscosità, che ha la funzione di adattare l’impedenza acustica all’interno della guaina all’impedenza del mare garantendo così la corretta trasmissione del suono ai sensori acustici. Si tratta di olio bianco di uso alimentare che garantisce l’assenza di effetti corrosivi sugli altri componenti della sezione sensori. È fondamentale che nell’olio non siano presenti bolle d’aria che avrebbero invece una funzione schermante. Pertanto è necessario, dopo qualsiasi intervento che comporti uno svuotamento anche
parziale dell’olio, procedere ad un accurato rabbocco avendo cura di spurgare completamente l’aria eventualmente presente prima di procedere alla chiusura della guaina.
Fig. 3.4 – Sezione sensori
Tra gli elementi che costituiscono la sezione sensori, la principale è costituita da N° 27 assiemi idrofonici preamplificati formati ciascuno da un idrofono BF, relativo portaidrofono e da un preamplificatore BF in contenitore stagno.
Questi assiemi costituiscono gli elementi sensoriali principali, in quanto utilizzati nella fase di elaborazione segnali per la formazione dei fasci di direttività. Essendo il loro utilizzo legato alla banda di frequenza di lavoro per la quale viene formato ciascun fascio di direttività, essi non sono equispaziati ma sono posti a distanze diverse,
Gli assiemi posti alle estremità trovano impiego nelle bande più basse, mentre a frequenze più alte vengono impiegati gli assiemi raggruppati nella parte centrale.
Tabella 3.1 – Posizione dei sensori sulla cortina
La distanza dei sensori è riportata in mm rispetto all’idrofono 14, posizionato al centro del parco sensori. Inoltre è riportata anche l’ottava in frequenze in cui sono impiegati i sensori.
La posizione degli elementi è tale da permettere di impiegare la cortina come array con spaziatura tra gli elementi pari a
,
al variare della ottava. Nella tabella seguente sono riportate le frequenze delle ottave impiegate dalla cortina e alcuni parametri utili.Tabella 3.2 – Parametri al variare delle ottave di frequenza
27 1 18000 Inclinometro abiss. 19000 HF2 20000 24 1 - 2 - 3 6000 25 2 9000 26 1 - 2 12000 21 4 2250 22 2 - 3 -4 3000 23 3 4500 18 4 - 5 -6 750 19 5 1125 20 3 - 4 -5 1500 15 6 187 16 5 - 6 375 17 6 562 11 6 562 12 5 - 6 375 13 6 187 9 5 1125 Sensore di profond. 900 10 4 - 5 -6 750 1 1 18000 2 1 - 2 12000 3 2 9000
n° Idrofono Ottava Distanza dal centro (mm)
HF1 20000 Inclinometro abiss. 19000 0 all 14 4 1 - 2 - 3 6000 5 3 4500 6 2 - 3 - 4 3000 7 4 2250 8 3 - 4 - 5 1500 12 6 3 1.5 0.75 0.375 12.5 12.5 9 9 9 9 9 16.5 12.5 12.5 12.5 260 525 1050 9.2 2 175 - 350 4λ = 24 9.2 9.2 3 350 - 700 4λ =12 9.2 2100 6 2800 - 5600 4λ =1.5 9.2 4 700 - 1400 4λ = 6 5 1400 - 2800 4λ = 3 4200
Elementi per ottava 7
1 10 - 175 3λ = 36 8
n° Ottava F0(Hz) Banda (Hz) λ (m) Lunghezza (m) Guadagno (dB) 125
Per come risulta configurata, la cortina permette di realizzare array con spaziatura critica. Ad esempio, se volessimo impiegare come banda di frequenze quella relativa all’intervallo (175, 350) Hz (ottava n°2), di centro banda f0 = 125 Hz, la relativa lunghezza d’onda λ equivale a 6 metri (data
la relazione , con c la velocità del suono tipica in mare, come indicato nel capitolo 1). Di conseguenza, se volessimo realizzare un array di sensori posti a distanza gli uni dagli altri, partendo dall’idrofono 14 a centro cortina, andranno considerati i sensori posti a 3 metri tra loro. Come si vede dalla tabella 3.1, tali sensori sono i numeri 2, 3, 4,6, 22, 24, 25 e 26.
Per come si presenta, risulta evidente che non sarebbe possibile implementare il beamforming a estrapolazione del campo, data la spaziatura tra gli elementi.
Tuttavia è possibile effettuare opportune modifiche che permettano di rendere tale strumento utile ai nostri scopi.
Supponiamo di voler realizzare un array con un certo numero di elementi a spaziatura ; date le bande di frequenza per cui è tarata la cortina, le dimensioni della lunghezza d’onda sono fissate. Supponiamo di voler impiegare ancora una volta la seconda ottava, di frequenza centrale 125 Hz e lunghezza d’onda pari a 6 metri. Se volessimo avere un spaziatura tra gli elementi pari a , allora dovremmo prendere, a partire dall’idrofono 14, tutti gli elementi che sono posti a 1.5 metri dal centro cortina. I candidati a tale scopo sono pertanto gli elementi numero 4, 5, 6, 8, 20, 22, 23 e 24, che, insieme all’idrofono numero 14, permettono di realizzare un array di massimo 9 elementi, spegnendo tutti quelli non elencati per lo scopo. Tuttavia, facendo i dovuti calcoli, applicare una spaziatura di , non permette di impiegare l’ottava numero 6, in quanto non si hanno elementi in cortina posti alla distanza desiderata. Con un procedimento analogo, è possibile ottenere un array con spaziatura pari a , sacrificando tuttavia l’impiego operativo delle ottave numero 5 e 6, quindi il limite superiore in frequenza sarebbe pertanto di 1400 Hz. Sebbene non sia possibile impiegare tutte le ottave per le nostre misurazioni, vogliamo ricordare al lettore che le bande di rumore acustico sono concentrate soprattutto alle basse frequenze, in particolare quelle relative ai macchinari installati a bordo delle Unità Navali e il rumore di cavitazione delle eliche (Fig. 1.15). Una legittima domanda che può nascere spontanea è quella relativa alla banda dei filtri
preamplificatori installati insieme all’idrofono: il filtraggio che essi operano potrebbe essere relativo esclusivamente alle ottave per cui sono impiegati i sensori, ad esempio, il sensore numero 3 è impiegato esclusivamente per l’ottava numero 2, se lo impiegassimo per array a spaziatura , quindi è probabile che il relativo preamplificatore abbia un intervallo di banda (175, 300) Hz. Lo stesso
idrofono tuttavia verrebbe invece impiegato per l’ottava numero 1 se lo impiegassimo con spaziatura a , la cui banda tuttavia è (10, 175) Hz; fortunatamente i filtri di preamplificazione risultano hanno il solo scopo di effettuare anti-aliasing, e pertanto possiedono una banda circa 8500Hz, il che rende possibile l’implementazione suggerita.
Tabella 3.3 – Posizione dei sensori sulla cortina con spaziatura a
27 NN 18000 Inclinometro abiss. 19000 HF2 20000 24 1-2 6000 25 1 9000 26 1 12000 21 3 2250 22 1-2-3 3000 23 2 4500 18 3-4-5 750 19 4 1125 20 2-3-4 1500 15 5 187 16 4-5 375 17 5 562 12 4-5 375 13 5 187 14 1 to 5 0 Sensore di profond. 900 10 3-4-5 750 11 5 562 7 3 2250 8 2-3-4 1500 9 4 1125 4 1-2 6000 5 2 4500 6 1-2-3 3000 1 NN 18000 2 1 12000 3 1 9000
n° Idrofono Ottava Distanza dal centro (mm)
HF1 20000
Tabella 3.5 – Posizione dei sensori sulla cortina con spaziatura a
Infine vale la pena spendere qualche parola circa la tipologia dei dati registrati dalla cortina e prelevati per i nostri scopi.
Si tratta di segnali grezzi, priva di alcuna elaborazione eccetto la ricomposizione di quanto registrato nelle varie ottave di frequenza in un unico file, che può essere letto attraverso i dovuti software di analisi presenti nei computer al CED. Leggendo tale file dal laboratorio, viene elaborato automaticamente dal sistema un file audio di formato .WAV relativo a quanto registrato da ogni sensore nella cortina. Tale formato, basato sullo standard RIFF, supporta varie modalità di immagazzinamento dei dati, ma nella pratica il più diffuso è il metodo PCM, che consiste di memorizzare i dati audio senza nessun tipo di compressione dati [19].
Date queste caratteristiche, allora il segnale registrato è privo di perdite per compressione, e sarà proprio per questa peculiarità, unita alla possibilità di essere facilmente manipolabile tramite
27 NN 18000 Inclinometro abiss. 19000 HF2 20000 24 1 6000 25 NN 9000 26 NN 12000 21 2 2250 22 1-2 3000 23 1 4500 18 2-3-4 750 19 3 1125 20 1-2-3 1500 15 4 187 16 3-4 375 17 4 562 12 3-4 375 13 4 187 14 1 to 4 0 Sensore di profond. 900 10 2-3 750 11 4 562 7 2 2250 8 1-2-3 1500 9 3 1125 4 1 6000 5 1 4500 6 1-2 3000 1 NN 18000 2 NN 12000 3 NN 9000
n° Idrofono Ottava Distanza dal centro (mm)
HF1 20000
software quali Matlab e Adobe Audition, che lo ha reso il candidato ideale per potere applicare le simulazioni che ci permetteranno di validare le teorie presentate nel precedente capitolo.
