Il sonar (Sound Navigation and Ranging) è il sistema che rileva, localizza e misura oggetti sott’acqua usando il suono. In mare il radar è quasi cieco: le onde elettromagnetiche vengono assorbite dall’acqua in pochi metri. Il suono, al contrario, si propaga per chilometri. Per questo, sott’acqua, l’acustica prende il posto delle onde radio: il sonar è l’analogo subacqueo del radar, ma fondato su onde di pressione anziché elettromagnetiche.
Esistono due modi di operare. Il sonar attivo emette un impulso acustico e ascolta l’eco di ritorno, come un grido in una valle. Il sonar passivo non emette nulla: si limita ad ascoltare i rumori prodotti dai bersagli, restando invisibile. La scelta tra i due risponde a esigenze opposte: misurare con precisione oppure non farsi scoprire.
Il suono in acqua
Il suono in acqua viaggia molto più veloce che in aria — circa 1500 m/s contro 340 — perché l’acqua è poco comprimibile. La velocità del suono dipende dal mezzo:
dove K è il modulo di comprimibilità dell’acqua e \rho la densità. In mare c non è costante: varia con temperatura, salinità e pressione (cioè profondità). Una formula empirica molto usata è:
con T temperatura in gradi, S salinità in parti per mille e z profondità in metri. Questa dipendenza non è un dettaglio: rende i raggi sonori curvi, perché le onde si piegano verso le zone a velocità minore. È il fenomeno che crea canali sonori e zone d’ombra, decisivo per capire dove un sonar vede e dove no.
Sonar attivo: eco e tempo di volo
Il sonar attivo emette un impulso (il ping) e cronometra il ritorno dell’eco. Conoscendo la velocità del suono, la distanza del bersaglio si ricava dal tempo di volo t:
Il fattore 1/2 tiene conto del percorso di andata e ritorno: l’eco copre due volte la distanza. È esattamente lo stesso principio del radar e dell’ecografia, applicato al suono in acqua.
La risoluzione in distanza, cioè la capacità di distinguere due bersagli vicini in profondità, dipende dalla durata \tau dell’impulso:
Impulsi brevi danno risoluzione fine ma poca energia; impulsi lunghi portano più energia ma confondono bersagli vicini. I sonar moderni risolvono il dilemma con impulsi modulati in frequenza (chirp) compressi in ricezione, ottenendo insieme energia e risoluzione.
L’equazione del sonar
La portata di un sonar non dipende da un solo fattore, ma dal bilancio tra il segnale utile e i disturbi. Tutto si esprime in decibel e si riassume nell’equazione del sonar. Per il sonar attivo:
| Termine | Significato |
|---|---|
| SL | livello della sorgente, energia emessa dal ping |
| TL | perdita di propagazione, conteggiata due volte (andata e ritorno) |
| TS | indice di bersaglio, quanto l’oggetto riflette |
| NL | livello di rumore ambientale e proprio |
| DI | guadagno di direttività dell’array ricevente |
| SNR | rapporto segnale-rumore disponibile per la rilevazione |
Per il sonar passivo il termine TS sparisce e la perdita si conta una volta sola, perché il suono fa un solo viaggio dal bersaglio all’ascoltatore:
La perdita di propagazione TL unisce due effetti: l’allargamento geometrico del fronte d’onda (sferico o cilindrico) e l’assorbimento del mezzo, che cresce con la frequenza:
Il coefficiente \alpha aumenta rapidamente con la frequenza. Ecco il compromesso di fondo del sonar: le basse frequenze vanno lontano ma vedono male i dettagli; le alte frequenze danno immagini nitide ma si spengono in poche centinaia di metri. Un sonar di sorveglianza a lungo raggio lavora a frequenze basse; un sonar di mappatura ravvicinata a frequenze alte.
Trasduttori e direttività
Il cuore del sonar è il trasduttore, che converte energia elettrica in onde di pressione e viceversa, di norma sfruttando materiali piezoelettrici che si deformano sotto tensione e generano tensione sotto deformazione. Lo stesso elemento può trasmettere e ricevere.
Un singolo trasduttore irradia in modo poco direttivo. Disponendo molti elementi in un array e controllando ritardi e fasi, si forma un fascio stretto orientabile elettronicamente (beamforming), senza parti mobili. La direttività di un array di apertura L a lunghezza d’onda \lambda ha larghezza angolare dell’ordine di:
Più l’array è grande rispetto alla lunghezza d’onda, più stretto è il fascio e migliore la risoluzione angolare. Il beamforming serve sia a trasmettere energia in una direzione precisa, sia, in ricezione, a guadagnare contro il rumore e stimare la direzione di arrivo del suono (il termine DI dell’equazione del sonar).
Batimetria ed ecoscandaglio
L’applicazione più comune in ambito navale è la misura della profondità del fondale, la batimetria. L’ecoscandaglio punta il fascio verticalmente verso il basso e misura il tempo di ritorno dell’eco dal fondo:
L’ecoscandaglio multibeam estende il principio: emette un ventaglio di fasci trasversali alla rotta e misura molte profondità a ogni ping, mappando una striscia di fondale a ogni passaggio della nave. È lo strumento con cui si producono le carte nautiche moderne. Il sonar a scansione laterale, invece, traina o monta lateralmente trasduttori che illuminano il fondo di sbieco, restituendo immagini quasi fotografiche di relitti, condotte e morfologia del fondale.
| Tipo | Geometria | Uso tipico |
|---|---|---|
| Ecoscandaglio singolo | fascio verticale | profondità sotto la chiglia |
| Multibeam | ventaglio trasversale | cartografia batimetrica |
| Side-scan | fasci laterali radenti | immagini del fondale, ricerca relitti |
Effetto Doppler e velocità
Se il bersaglio si muove rispetto al sonar, l’eco torna con una frequenza spostata: è l’effetto Doppler subacqueo. La variazione di frequenza è proporzionale alla velocità radiale relativa v_r:
Il fattore 2 vale per il sonar attivo, in cui lo spostamento avviene due volte (sul percorso di andata e su quello di ritorno). Misurando \Delta f si stima la velocità di avvicinamento o allontanamento del bersaglio. Lo stesso principio è alla base del log Doppler, che misura la velocità della nave rispetto al fondo o all’acqua confrontando le frequenze degli echi.
Sonar passivo e firma acustica
Il sonar passivo non emette: ascolta. Ogni nave o sottomarino produce una firma acustica fatta dal rumore delle eliche (cavitazione), dei macchinari e del flusso sullo scafo. L’analisi spettrale di questo rumore può rivelare presenza, direzione e, talvolta, identità del bersaglio, perché le righe spettrali dei macchinari sono caratteristiche.
Il vantaggio è la furtività: chi ascolta non si rivela. Lo svantaggio è che, senza emettere un impulso proprio, è molto più difficile misurare la distanza: il passivo dà bene la direzione, male la distanza, a meno di tecniche su array distribuiti. La progettazione navale militare gioca proprio su questo: ridurre la firma acustica per restare sotto la soglia di rilevazione dei sonar passivi avversari.
Limiti reali
Le prestazioni del sonar dipendono dall’ambiente marino, spesso più che dall’hardware:
- la velocità del suono variabile curva i raggi e crea zone d’ombra in cui i bersagli scompaiono;
- l’assorbimento cresce con la frequenza, imponendo il compromesso tra portata e risoluzione;
- il riverbero da fondo, superficie e volume d’acqua maschera gli echi deboli, soprattutto in acque basse;
- il rumore ambientale (onde, pioggia, traffico navale, fauna) e quello proprio della nave limitano la sensibilità;
- termoclini e fronti d’acqua deviano i fasci in modo difficile da prevedere;
- il sonar attivo rivela la propria presenza; il passivo fatica a stimare la distanza.
La portata reale dipende quindi dal bilancio dell’equazione del sonar in quel preciso profilo di velocità del suono, non da un valore nominale fisso.
Sintesi operativa
Il sonar è l’occhio acustico del mare: dove il radar è cieco, il suono porta informazione per chilometri. Il principio del sonar attivo è cronometrare l’eco di un impulso e ricavare la distanza dal tempo di volo, d = ct/2; quello del passivo è ascoltare la firma acustica del bersaglio senza tradirsi.
In entrambi i casi la prestazione si decide in un bilancio energetico — l’equazione del sonar — tra l’energia emessa o irradiata, le perdite di propagazione, la riflettività del bersaglio e il rumore, con il guadagno di direttività degli array a fare la differenza. Sopra tutto governa la fisica del mezzo: una velocità del suono che cambia con profondità, temperatura e salinità, curva i raggi e decide dove il sonar vede e dove resta cieco. È questa interazione tra strumento e oceano, più della sola elettronica, a definire cosa un sonar può davvero rilevare.