IDROFONO

IDROFONO (da ὕδωρ "acqua" e ϕωνή "suono")

Si chiamano idrofoni tanto gli apparecchi destinati a trasmettere (o a ricevere) segnali acustici subacquei tra navi o da una nave a terra e viceversa, quanto gli apparecchi rilevatori di suoni provenienti da varie sorgenti (navi, eliche, scoppî, ecc.) e di cui ci si serve per individuare la posizione della sorgente del suono.

I. Idrofoni segnalatori (v. segnalamento marittimo).

II. Idrofoni ricercatori. - Apparecchi dei quali sono muniti i sommergibili e il naviglio di superficie e che permettono di ricevere alla cuffia telefonica d'ascoltazione rumori o segnalazioni acustiche provenienti da altro naviglio, e di determinarne con approssimazione il rilevamento. Il progressivo perfezionamento dei microfoni ha condotto a mano a mano a differenti tipi di apparecchi idrofonici. Possiamo tuttavia dividerli in tre grandi categorie: Idrofoni meccanici, Idrofoni da scafo (che si suddividono in idrofoni a schermo e idrofoni a compensazione ad aria o elettromagnetica) e Idrofoni di rimorchio.

Idrofoni meccanici. - Al primo tipo di apparecchi appartiene il cosiddetto tubo C, introdotto in pratica per la prima volta dagli Americani. Esso consiste in due tubi metallici, isolati acusticamente, che terminano con due sferette di gomma le cui pareti hanno uno spessore di 18 mm. (fig.1). Le vibrazioni sonore dell'acqua si trasmettono attraverso le pareti di gomma all'aria interna dei tubi e poi a due tubicini di gomma terminanti con due capezzoli d'ebanite che s'introducono nel canale auditivo dell'ascoltatore.

Per aumentare la sensibilità di detti apparecchi gli Americani pensarono d'aumentare il numero delle sferette di gomma ricevitrici, e così si sono avuti i tubi C di tipo modificato, con quattro ricevitrici: ciascuna coppia comunica con uno dei tubi verticali. La distanza fra i ricevitori estremi è di metri 1,20. Le sfere aggiunte nel tipo modificato distano di circa 30 cm. dalle estreme.

Se una sorgente si trova di lato rispetto al piano di simmetria delle sfere il suono arriverà con differente fase alle due sfere e però l'ascoltatore girerà il tubo sinché sentirà con la stessa intensità alle due orecchie. In questo caso la sorgente sonora è centrata e su un disco graduato del quale è munito il sostegno del tubo stesso è possibile leggere il rilevamento della sorgente sonora rispetto alla prora della nave. L'approssimazione di detto rilevamento può, con ottimo ascoltatore e limpidezza acustica della zona, raggiungere 1°; le portate di questo tipo d'idrofono variano a seconda che si tratti di segnalazioni o rumori. Per segnalazioni si sono avute portate massime di 25-30 miglia, per rumori d'eliche di naviglio di superficie si va intorno ai 5000 metri, per rumori d'eliche di sommergibile immerso circa 2500 metri.

Idrofoni da scafo. - Secondo che utilizzino il metodo dello schermo o quello della compensazione, si suddividono in:

a) Idrofoni a schermo: in questo tipo d'apparecchi i microfoni possonti essere a polverino di carbone oppure elettromagnetici o elettrodinamici. Con i primi si ha il vantaggio d'una maggiore sensibilità (tuttavia non costante) che evita l'uso degli amplificatori a valvole ioniche. Con i secondi invece è necessario l'uso dell'amplificazione elettrica. Il tipo più semplice della prima categoria è costituito da due piatti metallici (fig. 2), isolati dallo scafo con guarnizione di piombo e gomma; hanno la superficie esterna messa a pari con quella dello scafo, e internamente contengono l'uno o l'altro tipo di microfono. Le vibrazioni della lamina del piatto sono trasmesse al microfono. La posizione dei centri dei piatti è di circa m. 1,30 al disotto del galleggiamento normale, uno per ogni lato dello scafo, e verso prora, in modo che non si trovino troppo vicini né all'apparato motore, né alla prora ove, per il moto della nave, si forma una miscela d'aria e d'acqua che causa notevole affievolimento nella ricezione. Il metodo d'impiego di questi apparecchi consiste nel considerare lo scafo come schermo fra i due piatti riceventi, e, se una sorgente sonora si trova da un lato di uno dei piatti, sarà da quel lato che l'ascoltatore sentirà più intensamente il suono; cambiando prora verso quel lato si raggiungerà un momento nel quale si udrà ugualmente bene a dritta e a sinistra. La prora della nave è allora diretta sulla sorgente. In realtà, per l'inevitabile disuguaglianza fra le sensibilità dei microfoni, è impossibile con questo metodo ottenere risultati precisi e gli errori angolari che si commettono possono arrivare sino a 40-50°. Anche con l'uso di ricevitori elettromagnetici resta la difficoltà di realizzare l'uguaglianza rigorosa fra le curve di risonanza dei piatti riceventi e di più l'identica struttura metallografica delle lamine.

b) Idrofoni a compensazione ad aria o elettromagnetica. - Possono essere a tre o più ricevitori. Nel primo caso si ha l'idrofono a triangolo detto anche a Y. Consiste in tre ricevitori disposti secondo i vertici (A, B, C) di un triangolo equilatero di m. 1,20 di lato (fig. 3). Il principio del loro funzionamento è basato sulla differenza di fase con la quale il suono arriva a due ricevitori che si trovino dal lato del triangolo ove è la sorgente sonora, per effetto dell'inclinazione dei raggi sonori rispetto alla congiungente dei due ricevitori. Questi possono essere a lamina di gomma o a lamina metallica. Nel primo caso sono contenuti entro solidi di rivoluzione di gomma, a forma di carena d'aeronave, a basamento metallico, che contengono a loro volta le bottiglie di gomma racchiudenti ognuna un microfono (fig. 4); tali sostegni sporgono di 25-30 cm. al di sopra del piano di coperta. I ricevitori sono collegati con una cassetta compensatrice, cassetta che contiene un tubo di compensazione ad aria della differenza di fase con la quale il suono o rumore arriva a due di essi e che, manovrato, permette di giungere all'esatta percezione di uguaglianza sonora fra le due orecchie (questo sempre quando i microfoni dei ricevitori siano ugualmente sensibili); si dice allora che la sorgente è centrata e su un apposito disco graduato se ne può leggere il rilevamento. La selettività sonora di queste sistemazioni è migliore per l'idrofono sotto chiglia che per quello sistemato sulla coperta; l'inconveniente però che queste sistemazioni offrono è d'impedire al sommergibile di posarsi sul fondo. Circa le portate, da molti dati di esperienze esse risultano non superiori a quelle degl'idrofoni a schermo; l'errore di rilevamento, in ottime circostanze, è intorno ai 15°.

Quando invece i ricevitori contengono microfoni elettromagnetici, la lamina ricevente è di metallo e la compensazione non ha più luogo con la cassetta di compensazione ad aria, bensì con l'inserzione - nel circuito telefonico del ricevitore cui il suono giunge per primo - di catene ritardatrici costituite da autoinduzioni e capacità, ogni membro delle quali provoca uno stabilito ritardo.

Tale inserzione ha luogo sino a quando il suono o rumore sembra passare da dritta a sinistra. Nella figura 5, A e B sono due ricevitori; il ricevitore B viene raggiunto prima del ricevitore A per un tempo dt necessario al suono per percorrere Ac; perciò s'inseriscono col contatto mobile k₂ tanti membri che compensino la differenza che, per quella inclinazione del suono, esiste fra A e B. L'ascoltatore, all'istante della compensazione avvenuta, proverà la sensazione di avere la sorgente sonora di fronte. Siccome sussiste tuttavia il dubbio se la sorgente si trovi dinnanzi oppure indietro, si usano tre ricevitori disposti a triangolo che offrono sei basi; percorrendo ciclicamente il triangolo si riesce a individuare in tal modo su quale base il suono o rumore, che al principio sembra essere sempre da un lato, passi all'altro. È quella allora la base sulla quale si opera la compensazione elettrica. Sul principio della compensazione elettromagnetica è fondato il metodo d'ascoltazione e di ricerca con due basi (distanze fra i ricevitori) poste da un lato della nave oppure su di una traversa girevole sporgente dallo scafo. S'introducono nel circuito telefonico di uno dei ricevitori autoinduzioni e capacità in numero variabile in modo da produrre una rotazione artificiale della caratteristica (diagrammi delle intensità sonore nelle differenti direzioni) e per una data direzione si potrà individuare con una certa approssimazione l'angolo di rilevamento. Poi si passa su una base maggiore che offre una caratteristica più acuta e che permette di affinare la lettura fatta con la prima base. Le due basi, la piccola e la grande, sono uguali a mezza lunghezza e a due lunghezze d'onda per la frequenza scelta di 500 periodi. Negli ultimi tipi d'idrofoni a compensazione elettromagnetica si è applicato, oltre al metodo binaurale di ascoltazione che si fonda sulla proprietà del nostro orecchio d'apprezzare la lateralità di una sorgente sonora per effetto della distanza che essi hanno (in media 21 cm.), anche il metodo massimale. Questo è in sostanza fondato sulla rotazione ottenuta, come si è visto sopra, con l'uso di catene di autoinduzioni e di capacità. L'ascoltatore allora sente ugualmente bene a dritta e a sinistra, solo però che quando l'asse della caratteristica è in direzione della sorgente sonora sentirà il massimo che non sugli altri punti della scala graduata da 0° a 180° per ciascuno dei lati della nave. Con questo metodo si sono avuti buoni risultati, ma esso offre l'inconveniente di richiedere un numero maggiore di ricevitori (sino a 6) che non il binaurale, e perciò rimane più esposto al danno causato dai rumori del bordo stesso. Tuttavia è il sistema che si va a mano a mano affermando nelle diverse marine da guerra.

Idrofoni da rimorchio. - Allo scopo di diminuire l'influenza dei rumori proprî della nave ascoltante, si sono creati gl'idrofoni da rimorchio. Essi consistono in solidi di legno o di gomma di forma allungata, che portano uno, due, tre o quattro microfoni a polverino di carbone o elettromagnetici. Essi si calano in mare e si svolge quindi, a seconda della distanza alla quale si vogliono rimorchiare, una lunghezza di cavo (in media 30-35 metri). Di questo tipo sono notevoli: l'anguilla semplice, solido di gomma contenente ricevitore a lamina pure di gomma con un microfono; l'anguilla a due microfoni con assi fra loro normali (per poter sentire anche quando la nave rimorchiante si ferma); il tipo detto O.V., che è identico al tipo a triangolo da scafo, ma con i tre ricevitori fissati a tre robuste nervature collegate a un solido di legno. Esso ha anche una cassetta compensatrice ad aria per la compensazione accennata.

Le portate di questi apparecchi sono alquanto migliori che non quelle degli apparecchi a scafo; soltanto i risultati non sono costanti e di più tali apparecchi sono alquanto complicati per la manovra di messa a mare.

III. Idrofoni ultrasonori, meglio detti cercatori azimutali (periteri). - Sono fondati sul noto principio degli ultrasuoni, ossia sulla proprietà che hanno alcune sostanze (spiccatamente il quarzo) di trasformare le oscillazioni elettriche in vibrazioni meccaniche (ultrasuoni) e viceversa. Il peritero è quindi uno speciale proiettore ad asse orizzontale, contenente una cellula (mosaico) di quarzo, racchiusa fra due spesse armature d'acciaio. Esso costituisce una capacità inserita in un circuito indotto, ed emette un treno di onde ultrasonore formanti un fascio a forma di conoide, conassico col proiettore. Queste, se riflesse dal fondo o da un ostacolo avente grandi dimensioni rispetto alla lunghezza d'onda, ritornano al proiettore e vengono da esso di nuovo trasformate in oscillazioni elettriche. Dalla misura dell'intervallo di tempo fra emissione e ricezione, conoscendo la velocità degli ultrasuoni in acqua (circa 1500 metri al secondo), si risale alla distanza dell'ostacolo riflettente dal proiettore.

I cercatori azimutali hanno due scopi: 1. rilevare per mezzo di echi la presenza di un ostacolo sottomarino; 2. permettere la comunicazione telegrafica diretta fra due stazioni ultrasonore.

Le più utili installazioni ai fini militari sono quelle per sommergibili e gl'impianti-tipo sono costruiti dalla ditta Scam su brevetti Langevin-Chilowsky.

Il proiettore è sistemato ad asse orizzontale ed è fissato a un tubo portaproiettore che fuoriesce dallo scafo allorquando occorre adoperare l'apparecchio. Il proiettore ha due gradi di libertà di movimento, e cioè uno di traslazione nel senso verticale e uno di rotazione in piano orizzontale; ambedue realizzabili sia elettricamente sia a mano. La rotazione intorno a un asse verticale consente di potere orientare il proiettore in una direzione qualunque per scoprire un ostacolo oppure di potere entrare in contatto telegrafico con un'altra stazione ultrasonora.

Per la parte elettromeccanica un impianto di peritero è dotato: 1. di una stazione di comando a distanza dalla quale l'operatore effettua la manovra completa secondo i gradi di libertà descritti dal proiettore; 2. di una stazione di comando destinata alla regolazione del cercatore (proiettore).

Per la parte elettrica e ultrasonora l'impianto comprende: 1. un trasmettitore costituito da una stazione a triodi della potenza di 1.5 kW con tensione anodica di 3000 volt fornita da un primo convertitore; un secondo convertitore fornisce la corrente di accensione a 26 volt, 350 watt, in parallelo con una batteria tampone di 20 volt, 50 ampère-ora; 2. un ricevitore che comprende a sua volta: un sintonizzatore, un amplificatore, un'eterodina, batterie di accumulatori per l'amplificatore dell'eterodina, nonché dispositivi di carica delle batterie; 3. un commutatore di manipolazione o di ascolto (relais) che stabilisce il collegamento fra proiettore e trasmettitore e poi subito fra proiettore e ricevitore.

Il rilevamento polare dell'ostacolo si legge sull'anello graduato di brandeggio del tubo portaproiettore oppure su apposita mostra graduata azionata da un ripetitore a distanza dei rilevamenti.

Per misurare la distanza si usa un cronografo che fornisce l'intervallo di tempo fra l'emissione del segnale e il ritorno dell'eco; detto cronografo è graduato in metri.

Le portate dipendono dalla potenza ultrasonora emessa dal proiettore, perciò dalla tensione applicata alle armature di esso, limitata unicamente dalla qualità del mastice adoperato per l'incollamento del mosaico di quarzo.

Bibl.: F. Aigner, Unterwasserschalltechnik, Berlino 1922; E. Lübcke, Über die neuesten Wasserschall-Apparate, Lipsia 1926; id., Aufnahme und Analyse von Schiffsgeräuschen, in Zeitschrift fur technische Physik 1929, p. 378; id., Die schallgeschwindigkeit in Seewasser, ibid., p. 386; Direz. Armam. Navali, La Spezia, Idrofoni microfonici a triangolo; G. Gelhoff, Lehrbuch der technischen Physik, Lipsia 1929; R. Palladino, Sul problema idrofonico, in Rivista marittima, gennaio 1929; A. Patroni, Idrofoni, ibidem, novembre-dicembre 1932.