Il principio fisico - le onde acustiche

LE ONDE ACUSTICHE

 Il sonar è una semplice applicazione delle onde acustiche.

INTRODUZIONE

In primo luogo, è importante sapere che i sonar possono essere attivi o passivi.

- Un sonar -

• Un sonar attivo emette un impulso sonoro e ascolta la sua eco sugli ostacoli che incontra. Le basi di emissione e di ricezione dei segnali sono chiamate antenne e sono formate da diversi idrofoni.
• Un sonar passivo ascolta i suoni senza emetterli. Questi suoni vengono rilevati, analizzati e seguiti da una serie di idrofoni.

Un idrofono è un microfono destinato ad essere utilizzato sott'acqua. È un trasduttore elettroacustico, cioè trasforma nei liquidi delle onde acustiche in segnali elettrici.

Generalmente è costituito da un ricevitore piezoelettrico che converte una variazione di pressione in variazione di tensione elettrica ai terminali del piezometro (dal greco antico piezein - «pressare»: misura la pressione dei liquidi).

SONAR ATTIVO

1. IL PRINCIPIO

Emettere un'onda acustica in un ambiente omogeneo e isotropo. L'onda si diffonderà finché non incontrerà un ostacolo su cui rimbalzerà e tornerà al trasmettitore.

Le onde acustiche possono essere viste come «raggi» che si propagano in linea retta. Pertanto, la distanza D che separa l'emettitore dall'ostacolo è determinabile se si conosce la velocità c (costante) dell'onda nel mezzo e se si misura il tempo T che l'onda impiega per fare l'andata e il ritorno.

Questa distanza si ottiene con la formula: D = c.T/2

- Il principio di un sonar -

2. LA FREQUENZA DI EMISSIONE

La frequenza di emissione del sonar è scelta in funzione del suo utilizzo. 

• Le alte frequenze (parecchie decine o centinaia di kHz) sono rapidamente assorbite dall'acqua di mare (parecchie centinaia di metri) ma, al contrario, permettono la rilevazione di piccoli oggetti e possono così realizzare delle vere e proprie immagini.

• Le frequenze da 14 a 22 kHz erano utilizzate per gli ASDIC della Seconda Guerra Mondiale. Da allora sono state utilizzate per i sonde idrografiche, i sonar di pesca, per la ricerca di mine, per il rilevamento di siluri.

• Più si scende in frequenza, maggiori sono le distanze di rilevamento, ma si perde in finezza e le antenne diventano molto grandi e molto pesanti. In pratica, i sonar attivi a bassissima frequenza non scendono al di sotto di 3 kHz. Le portate di rilevamento non superano alcune decine di chilometri (nelle zone di convergenza). 

Infatti, impiegato in acqua, il sonar emette onde acustiche di qualche kHz perche sono ben adattate, poiché si propagano in questo ambiente con poca attenuazione.

Un impulso a frequenza fissa permette di sfruttare l'effetto Doppler per determinarne la velocità. Un impulso a frequenza variabile non permette di utilizzare l'effetto Doppler, ma permette una migliore rilevazione (compressione di impulso).

Infine, se il segnale fosse emesso in continuo, sarebbe difficile sapere quale picco della sinusoide ricevuta corrisponderebbe a questo o quel picco del segnale emesso. La lunghezza d'onda è di 50 cm per un'onda di 3 kHz, quindi molto più piccola delle distanze misurate. La soluzione tecnologica consiste nell'emettere «impulsi», cioè nell'emettere il segnale solo a intermittenza. Grazie a questo, si sa associare tale pulse ricevuto con tale pulse emesso, al fine di trovare il ritardo.

- Segnale emesso (signal émis)e segnale ricevuto (signal reçu) -

3. L'EFFETTO DOPPLER

Uno dei fenomeni scientifici che entrano in gioco quando si utilizza il sonar (sonar attivo) è l'effetto Doppler. Esso caratterizza il cambiamento apparente della frequenza di un segnale acustico o elettromagnetico ricevuto da un osservatore mobile rispetto ad una sorgente trasmittente fissa oppure da un osservatore fisso rispetto ad una sorgente trasmittente mobile. In altre parole, l'effetto Doppler permette tra l'altro di determinare la velocità del bersaglio.

Questo effetto fu presentato da Christian Doppler nel 1842 nell'articolo Sulla luce colorata delle stelle doppie e di alcuni altri astri del cielo.

- L'effetto Doppler -

I LIMITI

Un difficoltà è che l'acqua di mare non è un ambiente omogeneo.

• La temperatura dell'acqua, la sua salinità e la sua densità possono variare in un determinato luogo, influenzando la velocità dell'onda. Quindi la distanza è misurata in modo non preciso.

• Esiste un confine fisico segnato verso i 100 metri di profondità tra le acque calde di superficie e le acque fredde delle profondità (termoclina), capace di riflettere le onde di un sonar.

BIBLIOGRAFIA

(Deluzarche 2010) : Sonar : Qu’est-ce que c’est ?, https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-sonar-17449/ <ultimo accesso 04/12/21>

(Wikipédia 2021) : Sonar, https://fr.wikipedia.org/wiki/Sonar#Traductions_de <ultimo accesso 04/12/21>

(Ross 2006) : Sonar, https://www.thecanadianencyclopedia.ca/fr/article/sonar <ultimo accesso 04/12/21>