università degli studi di catania - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA
FACOLTÀ DI SCIENZE MATEMATICHE FISICHE E NATURALI
CORSO DI LAUREA IN FISICA
GIUSEPPINA LAROSA
DETERMINAZIONE DEL RUMORE ACUSTICO
SOTTOMARINO A GRANDE PROFONDITÀ E STIMA
DELLA PRESENZA DI CETACEI
TESI DI LAUREA
Relatori:
Chiar.mo Prof. E. Migneco
Dott. G. Riccobene
Prof. G. Pavan
ANNO ACCADEMICO
2006-07
“ Esperienza
non è che il nome
che l'uomo da ai suoi errori”
‘Oscar Wilde’
Indice
Introduzione………………………………………………….1
Capitolo 1 – Il suono e la sua propagazione in mare
1.1 Onde sonore e loro caratteristiche………………………………….....6
1.2 Misura del suono……………………………………………………...9
1.3 L’equazione di propagazione del suono……………………….….…11
1.3.1 Trasmissione del suono in acqua: teoria delle onde e
approssimazione dei raggi acustici…………………………..14
1.3.2 Profili della velocità del suono…………..…………………....19
1.4 Attenuazione e assorbimento del suono in acqua……….…………..21
1.5 Propagazione del suono in superficie ed in profondità…….………..30
1.6 Rifrazione e diffusione del suono sulla superficie e sul fondo
del mare……………………………………………………….…….33
Capitolo 2 – Rumore ambientale sottomarino
2.1 Il rumore acustico sottomarino……………………………………37
2.2 Rumore antropico…………………………………………………40
2.3 Sorgenti naturali non biologiche………………………………….44
2.4 Rumore biologico…………………………………………………45
2.5 Sensibilità uditiva dei cetacei……………………………………..50
I
Capitolo 3 – La stazione acustica sottomarina: OνDE
3.1 NEMO-Fase1: Test Site……………………………………………52
3.2 La stazione acustica OνDE………………………………………...55
3.3 Meccanica della stazione…………………………………………...59
3.4 Idrofoni e Preamplificatori…………………………………………62
3.5 Le schede ADC………………………………………………….…67
3.6 Modem elettro-ottici………………………………………………..70
3.7 Elettronica di acquisizione di terra………………………………....71
3.8 Alimentazione della stazione acustica……………………………...72
3.9 Elettronica di controllo dei parametri ambientali…………………..75
Capitolo 4 – Acquisizione e analisi dei dati
4.1 Acquisizione dei dati: il software…………………………………78
4.2 Registrazione e Catalogazione dei dati……………………………80
4.3 Analisi dei dati…………………………………………………….81
4.4 Analisi spettrale…………………………………………………...83
4.5 Determinazione del livello di pressione acustica………………….91
4.6 Determinazione del rumore di fondo elettronico………………….93
Capitolo 5 – Determinazione della densità di potenza
acustica del rumore del mare
5.1 Descrizione dei dati……………………………………………….100
5.2 Determinazione della densità spettrale di rumore del mare………102
5.3 Descrizione dei dati: contributo delle sorgenti biologiche e
antropiche…………………………………………………………115
5.4 Determinazione dell’ampiezza del rumore………………………..118
II
Capitolo 6 – Determinazione delle caratteristiche
fisiche di un capodoglio tramite
analisi acustica
6.1 Il Capodoglio (Physeter macrocephalus)………………………..123
6.2 Bioacustica dei capodogli…………………………………… .…127
6.3 Determinazione della taglia del capodoglio con metodi
bioacustici………………………………………………………..131
6.4 Determinazione delle caratteristiche di un capodoglio identificato
acusticamente con la stazione OνDE……………………….……133
6.4.1 Calcolo delle dimensioni del capodoglio………………….139
6.4.2 Determinazione dello spettro del segnale emesso dal
capodoglio…………………………………………………143
6.4.3
Determinazione della posizione e della profondità di
navigazione del capodoglio………………………………146
Bibliografia………………………………………………152
Ringraziamenti…………………………………………..162
III
INTRODUZIONE
INTRODUZIONE
L'ecosistema marino è il più vasto ambiente della Terra e comprende tutti i fondali
oceanici corrispondenti a circa il 70% della superficie del nostro pianeta.
Lo scienziato, oceanografo ed esploratore instancabile degli abissi marini, Jacques
Cousteau battezzò questo meraviglioso ambiente come "il mondo del silenzio". Un
silenzio colorato dai suoni di animali che comunicano fra loro, che nuotano e
mangiano, dagli schiocchi dei gamberetti, dai suoni prodotti dal moto ondoso, dalla
pioggia e dalla neve, dai blocchi di ghiaccio, dall’attività sismica, dall’agitazione
molecolare, dei tuoni e dei fulmini [UAN07] [McC04].
Tutti suoni che contribuiscono a un fondo ambientale, che negli ultimi cento anni è
aumentato di 10-20 dB, dovuto non solo ai cambiamenti climatici e ai fattori ciclici
naturali che hanno portato ad un aumento del vento e del moto ondoso, ma
soprattutto ai rumori di origine antropica, cioè traffico navale, tecnologie di
rilevamento militari, attività industriali, sonar, air guns sismici, trivellazioni, ecc..
[WDCS04]. Tutto ciò contribuisce a trasformare l’ambiente sottomarino in un
ambiente rumoroso.
Il rumore ambientale sottomarino negli ultimi decenni è divenuto un’importate area
di studio nell’acustica sottomarina e oceanografica. Tali studi sono rivolti al
monitoraggio del rumore acustico ed agli effetti che questo provoca sugli animali
marini. Aristotele fu il primo a notare che il suono poteva essere ascoltato in acqua.
Gli studi moderni sull’acustica marina, si ritiene che abbiano avuto inizio nel
diciannovesimo secolo [McC04]. I primi studi sul rumore sottomarino furono rivolti
all’individuazione della velocità del suono in acqua al fine di effettuare misure di
profondità. Solo durante la prima guerra mondiale furono condotte, da scienziati
tedeschi, le prime ricerche e studi teorici sulla propagazione del suono in acqua.
Negli anni che seguirono furono abbandonati gli studi di tale genere e rivolti in
particolare alla realizzazione di strumenti per la propagazione e ricezione del suono.
1
INTRODUZIONE
Durante la seconda guerra mondiale l’istituto NDRC Americano (National Defense
Research Committee) indirizzò i propri studi di acustica all’analisi del rumore
sottomarino. Molta attenzione fu rivolta al fenomeno della propagazione del suono,
che richiedeva tecniche raffinate di raccolta ed analisi dei dati per l’individuazione di
navi e sottomarini a grande distanza [URI82] [KLU]. Tali ricerche evidenziarono che
il rumore generato in superficie dalle onde marine (produzione di bolle) e dalle navi,
ed i suoni emessi dalla fauna marina contribuivano in maniera significativa al rumore
di fondo ambientale [UAN07]. Gli anni dopo la guerra videro una grande espansione
degli studi sulla propagazione, in conseguenza alla necessità di disporre di sonar
capaci di individuare oggetti vicini e lontani utilizzando basse ed alte frequenze
[URI82].
Questo lavoro, ancora oggi, rappresenta una preziosa sorgente di informazioni sulla
propagazione del suono alle alte frequenze (15-30 kHz) e per distanze abbastanza
piccole (circa 6 chilometri), di maggiore interesse per lo studio dei sonar.
Come menzionato sopra, il suono prodotto dagli animali marini, dai processi naturali,
dalle attività umane riempiono il mondo oceanico. Giacché l’acqua è un mezzo
efficace per la trasmissione del suono, sia gli animali marini che l’uomo ne fanno uso
come strumento per individuare oggetti, navigare e comunicare sott’acqua.
Poiché in acqua il suono ha un range di propagazione maggiore rispetto alla luce (che
invece percorre solamente poche centinaia di metri prima di essere assorbita o
diffusa), negli oceani gli animali marini ne fanno uso per poter raccogliere
informazioni, comunicare a grande distanza ed in tutte le direzioni ed alcune specie
per la sopravvivenza: localizzare cibo e proteggersi. In aggiunta alla varietà di suoni
prodotti naturalmente (infrangersi delle onde, fulmini, terremoti) ed i suoni generati
dagli animali marini, come detto, vi è la presenza di molte sorgenti antropiche
nell’oceano. Alcuni suoni sottomarini di origine antropica sono intenzionalmente
usati per scopi civili, come i sonar che sfruttano le onde sonore per mappare il fondo
marino, classificare i potenziali rischi per la navigazione, localizzare a largo le
riserve di olio ed identificare oggetti sommersi. Anche la comunità scientifica usa il
suono sottomarino per determinare le proprietà dell’oceano e dei suoi fondali e
studiare il comportamento degli animali che vivono in esso. Inoltre, l’acustica
2
INTRODUZIONE
fornisce informazioni e permette analisi accurate sui processi geologici naturali come
terremoti e attività vulcaniche: l’uso del suono è importante per studiare questi
processi tettonici che possono provocare tsunami (ad esempio) e che possono avere
profondi effetti sulle coste e nelle isole [DOS06].
Ma tutte queste fonti di rumore e soprattutto quelle antropiche, vanno monitorate
perché possono causare effetti disastrosi sulla fauna che popola gli oceani
(spiaggiamenti, perdita di udito, ecc.). Inoltre la conoscenza delle sorgenti di rumore
acustico sottomarino e il suo monitoraggio acquista un notevole interesse per la
comunità dei fisici delle alte energie per la rivelazione di neutrini cosmici di alta
energia (Eν>1018 eV).
È stato dimostrato, con test in laboratorio, che queste particelle sono capaci di
depositare circa il 10% della loro energia in acqua, riscaldandola e producendo
un’onda acustica che si propaga in acqua per distanze dell’ordine del chilometro
(nell’intervallo di frequenza tra circa 1 e 50 kHz). Visto che il suono si propaga in
acqua per distanze maggiori di un km, sarebbe possibile realizzare a costi contenuti
un’antenna formata da poche migliaia di sensori acustici disposti in un volume
d’acqua di 10 km3 o più. L’efficienza di queste antenne dipende fortemente
dall’intensità del rumore di fondo sottomarino. Poiché in letteratura vi è carenza di
dati sul rumore di fondo acustico sottomarino a grande profondità, la Collaborazione
NEMO (Neutrino Mediterranean Observatory) dell’Istituto Nazionale di Fisica
Nucleare (INFN) ha realizzato e messo in funzione una stazione sperimentale per la
misura del rumore acustico a grandi profondità nel Mar Mediterraneo, chiamata
OνDE (Ocean noise Detection Experiment) che permette di effettuare il
monitoraggio real-time a breve e lungo termine del rumore acustico sottomarino. La
stazione è equipaggiata con quattro idrofoni a larga banda (30 Hz ÷ 40 kHz), i cui
segnali vengono campionati a 96 kHz e 24 bit sott’acqua ed inviati su fibra ottica al
laboratorio di terra 24/24h. Oltre alla stazione OνDE è stata installata anche una
stazione geofisica ed ambientale SN-1 (Submarine Network-1), dell’Istituto
Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) in grado di registrare autonomamente
dati sismologici, geofisici e oceanografico-ambientali.
3
INTRODUZIONE
La stazione OνDE ha registrato dati per due anni dal 22 Gennaio 2005 al 14
Novembre 2006 quando è stata disconnessa per lasciare posto al progetto NEMO
fase-1, invece SN-1 è ancora attiva. Lo scopo principale della stazione OνDE è stato
quello di monitorare il rumore acustico dell’ambiente sottomarino al fine di studiare
la realizzabilità di un’antenna acustica per neutrini di alta energia. L’esperimento
inoltre ha un carattere altamente interdisciplinare e, oltre a monitorare le variazioni a
breve e lungo termine del rumore acustico sottomarino ha rappresentato anche
un’unica opportunità per studiare le emissioni acustiche dei mammiferi marini che
vivono nel Golfo di Catania o che vi transitano durante i loro movimenti stagionali,
nell’interno del bacino del Mediterraneo. Collaborando insieme con istituti di ricerca
specializzati come il Cibra (Centro Interdisciplinare di Biologia e Ricerca
Ambientale) dell’Università di Pavia, si è resa possibile l’individuazione di un
numero di contatti acustici con questi animali molto maggiore rispetto a quello
evidenziato in una indagine svolta nel 2003 nel Mar Ionio e nello stretto di Messina
che aveva rilevato uno scarso numero di questi animali [LEW07].
Quindi, i dati raccolti dalla stazione, costituiscono un archivio di grandissimo
interesse sia per la comunità dei fisici delle alte energie che per i biologi marini e
rappresenta sostanzialmente, il maggior archivio di dati acustici mai registrati prima
d’ora nelle acque profonde del Mediterraneo.
Questo lavoro di tesi è incentrato sull’analisi del rumore acustico sottomarino a
grande profondità, monitorato nei due anni di attività della stazione OνDE; tali dati
sono stati correlati con la presenza di cetacei nel golfo di Catania. In questo lavoro è
anche eseguita l’analisi sui segnali acustici emessi da un esemplare di capodoglio,
tale studio ha permesso la determinazione delle sue dimensioni degli animali, della
direzione angolare e della profondità a cui transita. In particolare questa tesi è
strutturata nel seguente modo:
nel capitolo 1 descriveremo le onde sonore e loro caratteristiche, come esse si
propagano in acqua, e la loro attenuazione ed assorbimento;
nel capitolo 2 descriviamo le diverse sorgenti di rumore sottomarino siano esse
di origine antropica, naturale e biologica facendo una distinzione fra rumori
impulsivi e continui, e classificando i range di frequenza in cui sono localizzati;
4
INTRODUZIONE
nel capitolo 3 si descriverà la struttura dell’apparato sperimentale OνDE, e
quindi del Test Site e dell’elettronica di alimentazione e acquisizione dati della
stazione di misura;
nel capitolo 4 si parlerà dell’acquisizione dei dati, della loro catalogazione, e
soprattutto delle tecniche utilizzate per l’analisi dei dati e la loro calibrazione;
nel capitolo 5 descriviamo l’analisi del rumore acustico del mare delle sue
variazioni nel corso dei due anni e la correlazione con la presenza dei cetacei;
nel capitolo 6 infine tramite l’analisi delle emissioni acustiche di un capodoglio
si descrivono le tecniche di analisi ed i risultati ottenuti che hanno permesso di
determinare la sua dimensione, la sua direzione e la sua profondità di
navigazione.
5
CAPITOLO 1
IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE
CAPITOLO 1
1.1 Onde sonore e loro caratteristiche
Il suono è una forma di energia meccanica che consiste di successive fasi di
compressione e rarefazione di molecole in un mezzo elastico (liquido o gas o solido),
esso è una vibrazione che viaggia causando variazioni di pressione nel mezzo
attraversato.
Le onde sonore sono classificate come onde longitudinali in quanto l’energia si
propaga parallelamente alla direzione di propagazione dell’onda [HEC03]. Esse sono
caratterizzate dall’ampiezza, dalla frequenza, dalla lunghezza d’onda, dalla fase,
dalla velocità e dall’intensità. L'ampiezza è il valore massimo dello spostamento di
un mezzo in un’oscillazione periodica. Una piccola variazione in ampiezza
corrisponde a suoni deboli, mentre una grande variazione in ampiezza corrisponde a
suoni di elevata intensità. Inoltre, ricordiamo che l’ampiezza di un’onda sferica
decresce come 1/R al crescere della distanza, e l’energia che viene trasportata
decresce come 1/R2 mentre il fronte d’onda si espande. La frequenza è l’intervallo di
oscillazione o vibrazione dell’onda. Essa si misura in cicli/sec o hertz (Hz). Ad
esempio l’orecchio umano percepisce un’alta frequenza come un suono molto acuto
(più alta è la frequenza maggiore è “l’altezza” del suono), mentre una variazione di
grande ampiezza è percepito come un suono molto forte. La lunghezza d’onda è la
distanza fra due successive compressioni o rarefazioni del mezzo o la distanza tra
due massimi o nodi dell’onda che viaggia in un periodo; essa è comunemente
indicata con la lettera greca λ ed è uguale a: λ = c / f , dove c è la velocità dell’onda
6
CAPITOLO 1
nel mezzo attraversato e f la sua frequenza. La fase di un’onda acustica può essere
descritta come il suo allineamento alle altre onde che si propagano nel mezzo rispetto
al tempo. Nonostante l’intensità di un suono non dipenda dalla fase, quest’ultima è
importante per descrivere come un suono complesso può essere costruito da semplici
onde sinusoidali. Per esempio, due onde con uguale fase producono un’onda la cui
ampiezza è la somma di due onde interferenti e si ottiene interferenza costruttiva,
invece due onde in opposizione di fase si annullano l’un l’altra e si parlerà di
interferenza distruttiva.
La velocità di un’onda è la velocità con cui le vibrazioni attraversano il mezzo
elastico in cui l’onda si propaga. Essa dipende dalle proprietà elastiche del mezzo:
c=
k
ρ
 −1
ms =

Nm − 2 
 ,
kgm −3 
(1.1)
dove k è il modulo di compressibilità1 del mezzo [Nm-2] e ρ è la densità del mezzo
[kg/m3], questa relazione indica che la velocità del suono non dipende dalla
frequenza [Hecht03]. La velocità del suono in acqua è approssimativamente 1500
ms-1 mentre la velocità del suono in aria è approssimativamente 340 ms-1. Inoltre la
velocità del suono può essere calcolata conoscendo la frequenza f di un’onda e la sua
lunghezza d’onda λ: c=λ·f
[ms-1=m/s]. In realtà come si vedrà nei prossimi
paragrafi, la velocità del suono in acqua varia in funzione della densità locale della
colonna d’acqua, che è una funzione complessa della temperatura (t), della
profondità e della salinità.
L’intensità dell’onda è definita come la potenza acustica media incidente sulla
superficie perpendicolare alla direzione di propagazione dell’onda ( I = Pmedia / A ).
1
Il modulo di compressibilità k può essere formalmente definito come
k = −V
∂p
dove p è la
∂V
pressione, V il volume e ∂p / ∂V denota la derivata parziale della pressione rispetto al volume. E’
definito come l’aumento di pressione necessario per causare una relativa variazione di volume.
7
CAPITOLO 1
Essa è, per un’onda sferica, inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra
la superficie e la sorgente. Nel SI l’unità dell’intensità energetica di un’onda è il watt
al metro quadrato (W/m2). La potenza acustica è definita come la variazione nel
tempo dell’energia trasportata dall’onda. Quindi l’intensità risulta essere anche una
misura della energia meccanica (cinetica) e dell’energia potenziale trasportata
dall’onda che si propaga per unità di area. In dettaglio, l’energia cinetica di un’onda
dipende dal moto delle particelle, e la sua energia potenziale dipende dalla pressione
esercitata sul mezzo elastico come risultato di questo moto. Possiamo scrivere che
l’intensità è proporzionale al quadrato della pressione acustica dell’onda:
I ∝ p2 .
(1.2)
Dove la pressione acustica p è definita come la forza sonora per unità di area, ed è
usualmente misurata in micropascal (µPa). Notiamo che 1µPa è la pressione
risultante da una forza di un Newton esercitata su un’area di un metro quadro (Nm-2).
La pressione istantanea p(t) che un oggetto vibrante esercita su una superficie è
direttamente proporzionale alla velocità dell’oggetto vibrante v e all’impedenza
acustica ρc : p(t ) = ρcv [ µPa ]: l’impedenza acustica dell’acqua è 1.5x106 [kgm-2s1
], quella dell’ aria è 4.15x102 [kgm-2s-1]. In acustica l’impedenza caratteristica
dell’aria ρaircair, e dell’acqua, ρwatercwater, hanno come unità di misura il rayls
(chiamate così in onore di Lord Rayleigh). L’impedenza caratteristica per l’aria è
approssimativamente 415 rayl e per l’acqua è circa 1,500,000 rayl. Come detto il
prodotto della densità ρ in [kg/m3] per la velocità del suono c espressa in [m/s] è
definita come l’impedenza acustica caratteristica di quel mezzo. L’impedenza in
acustica è il rapporto della pressione acustica per la velocità delle particelle per il
piano d’onda. L’intensità sonora del suono è definita come:
  pmax 2 

 
 pe2    2  
I =   = 
= ρcv 2

 ρc   ρc 




8
[Watts⋅m-2] , (1.3)
CAPITOLO 1
dove pe è la pressione efficace o RMS; pe = pmax / 2 .
1.2 Misura del suono
Storicamente i fisici ed ingegneri acustici pensavano di misurare direttamente
l’intensità ma sperimentalmente ciò che si riesce a misurare sono le variazioni di
pressione del suono poi convertite in intensità. Nondimeno, l’uso della pressione
come unità di misura presenta sperimentalmente due problemi, il primo è dovuto alla
enorme scala di ampiezze di pressione che il sistema uditivo umano può rivelare (10
µPa – 100 kPa), il secondo è relativo al modo in cui il sistema uditivo umano
percepisce le differenze in pressione, cioè come viene ‘percepita’ la relativa
ampiezza sonora. Per queste ragioni viene introdotta la Scala Decibel (dB) e in base a
questo furono definiti i termini Livello di Pressione Sonora (SPL, Sound Pressare
Level) e il Livello di intensità Sonora (SIL, Sound Intensity Level) secondo le
seguenti espressioni:
 p 

SPL(dB ) = 20 log
p 
 ref 
 I
SIL(dB ) = 10 log
I
 ref




[dB ] ,
[dB ] ,
(1.4)
(1.5)
In queste espressioni p è la pressione misurata e pref è la pressione di riferimento. E’
importante sottolineare che nell’acustica sottomarina pref
air=20µPa;
water=1µPa,
in aria pref
analogamente I è l’intensità misurata e Iref è l’intensità di riferimento.
Notiamo che i valori della SPL e della SIL in dB, sono equivalenti:
9
CAPITOLO 1
 I
SIL(dB ) = 10 log
I
 ref



 = 20 log p  = SPL(dB ) .

p 

 ref 
(1.6)
L’utilizzo delle scale decibel permettono di superare i problemi ‘teorici’ descritti
prima: l’uso di logaritmi permette di utilizzare una stessa scala per la misura di
ampiezze di pressione differenti per ordini di grandezze e, allo stesso tempo,
‘simulare’ la risposta dell’orecchio umano.
E’ importante notare che la scala dB è definita in funzione di un livello di
riferimento. Nell’acustica sottomarina, come detto sopra, la pressione di riferimento
è 1µPa, mentre la pressione di riferimento per l’aria è 20µPa. L’intensità di
riferimento in acqua ed in aria può essere calcolata dalla pressione di riferimento
[WDCS04]:
I ref
2


pref

 .
=

ρ
c
 medium medium 
(1.7)
Per l’acqua pref=1µPa, ρ=1x103 [kgm-3], c=1.5x103 [ms-1], invece per l’aria
pref=20µPa, ρ=1.2 [kgm-3] e c=340 [ms-1].
Notiamo inoltre, nonostante il livello di pref sia confrontabile sia in aria che in
acqua il livelli di intensità di riferimento in aria e in acqua differiscono di più di 6
ordini di grandezza. Bisogna quindi ricordare che i valori di SPL e SIL misurati in
acqua ed in aria sono notevolmente differenti. Dalla (7) il livello di intensità sonora
(SIL) in dB si definisce anche come [UAN07]:
SPL(dB ) = 10 log10
10
p2
.
2
pref
(1.8)
CAPITOLO 1
1.3 L’equazione di propagazione del suono
Come osservato nel paragrafo precedente, e come dimostreremo nel proseguo di
questo capitolo, il suono si propaga in acqua in maniera più efficace che in aria2
[McC04]
[WDCS04].
Dunque
il
suono,
nell’ambiente
marino,
acquista
un’importanza fondamentale per la comunicazione tra gli animali e come, vedremo,
per le esplorazioni dell’ambiente marino siano esse di carattere scientifico,
industriale, commerciale.
In questo capitolo descriveremo brevemente la teoria della propagazione del suono in
mare, ricaveremo l’equazione di propagazione delle onde e le sue soluzioni
nell’approssimazione di onde di piccola ampiezza che si propagano in un fluido
perfetto non viscoso. In particolare descriveremo la soluzione dell’equazione delle
onde nel caso generale e nelle condizioni che permettono di utilizzare la teoria dei
raggi acustici. In questa descrizione trascureremo gli effetti non lineari prodotti da
onde di grandi ampiezze, ed alcune proprietà complesse del mezzo: la viscosità (cioè
trascuriamo l’assorbimento) e la rigidità (trascuriamo le onde di taglio).
Sotto queste condizioni l’equazione di propagazione dell’onda può essere ricavata a
partire da quattro equazioni fondamentali:
l’equazione di continuità;
l’equazione del moto;
l’equazione di stato;
l’equazione delle forze.
L’equazione di continuità esprime la legge che nessuna massa del fluido in moto è
creata o distrutta: qualsiasi variazione nella massa del fluido entrante o uscente
attraverso un dato volume deve essere accompagnata da una variazione di densità.
Per piccole variazioni di densità, questo conduce all’equazione:
2
Al contrario, le onde elettromagnetiche vengono fortemente assorbite in acqua e la luce si propaga
per distanze non superiori a circa 100 m.
11
CAPITOLO 1
 ∂v ∂v
∂s
∂v 
= − x + y + z  ,
∂t
∂y
∂z 
 ∂x
dove s ≡
(1.9)
ρ − ρ0
, ρ è la densità istantanea del mezzo, ρ 0 è la densità del mezzo
ρ0
imperturbato, e vx , v y , vz sono le tre componenti vettoriali della velocità del fluido.
L’equazione del moto esprime la seconda legge di Newton ( F = ma ), pertanto le
componenti vettoriali della forza per unità di volume possono essere scritte come:
Fx = ρ 0
Fy = ρ 0
Fz = ρ 0
∂vx
∂t
∂v y
(1.10)
∂t
∂v z
.
∂t
Tali equazioni valgono nel caso in cui nessuna forza di taglio è presente e le velocità
e le accelerazioni sono piccole (i termini di ordine superiore si possono trascurare).
L’equazione di stato esprime la relazione fra la pressione p, la temperatura T, e la
densità ρ del mezzo: p = f (ρ , T ) . Per piccole variazioni di densità e pressione, e per
processi adiabatici, l’equazione di stato può essere scritta come:
∆p = ks ,
(1.11)
dove ∆p è la variazione della pressione, cioè la differenza tra la pressione istantanea
e la pressione del mezzo imperturbato, k è un fattore di proporzionalità detto modulo
di compressibilità del fluido e s ≡
ρ − ρ0
.
ρ0
Nell’equazione delle forze, le
componenti vettoriali della forza per unità di volume in un fluido non viscoso, sono
proporzionali alla pressione esercitata sull’unità di volume in accordo alle seguenti
espressioni:
12
CAPITOLO 1
Fx = −
∂p
∂x
Fy = −
∂p
∂y
Fz = −
∂p
.
∂z
(1.12)
Queste equazioni descrivono che la componente vettoriale della forza per unità di
volume F, in una data direzione, è data dalla variazione di pressione in quella
direzione presa col segno negativo.
L’equazione delle onde è una equazione differenziale alle derivate parziali che si
ricava dalle quattro equazioni descritte sopra. Difatti uguagliando le (1.10) e le
(1.12), differenziando la (1.11) rispetto a x, y, z e facendo le dovute sostituzioni si
ottiene:
ρ0
ρ0
ρ0
∂vx
∂s
= −K
∂x
∂t
∂v y
∂t
= −K
∂s
∂y
(1.13)
∂vz
∂s
= −K
.
∂t
∂z
Differenziando nuovamente, sommando membro a membro, sostituendo la
definizione di v, si ottiene un’equazione differenziale alle derivate parziali. Quindi
facendo uso della (1.11) si eliminano gli ultimi termini in v e si ottiene un’equazione
in cui compare esplicitamente solo la pressione p:
∂2 p k  ∂2 p ∂2 p ∂2 p 
,
= 
+
+
∂t 2 ρ 0  ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 
13
(1.14)
CAPITOLO 1
dove la quantità
k
ρ0
ha le dimensioni del quadrato di una velocità ed è uguale a c ,
cioè alle velocità del suono nel mezzo. Quindi l’espressione può essere riscritta nella
sua forma più nota che prende comunemente il nome di equazione delle onde:
2
∂2 p
∂2 p ∂2 p 
2 ∂ p

=
+
c
 ∂x 2 ∂y 2 + ∂z 2  .
∂t 2


(1.15)
Per risolvere questa equazione è necessario conoscere le condizioni al contorno del
problema. Una soluzione esatta dell’equazione di propagazione del suono in mare, si
ottiene assumendo che c sia monotono o costante, considerando le condizioni al
contorno che la pressione sia costante su tutta la superficie del mare (p0=1 atm) e sul
fondo (p ∝ profondità). Nei casi reali, in cui il fondo marino non è uniforme
(profondità costante), l’equazione trova soluzioni esatte solo con metodi numerici.
Numerosi modelli matematici sono stati sviluppati per risolvere l’equazione (1.15)
nei casi reali; la loro applicazione dipende dalle condizioni iniziali del problema, cioè
dalla frequenza e l’ampiezza dell’onda prodotta dalla sorgente acustica e dalle
condizioni fisiche del mezzo (campo delle velocità del suono, geometria della
superficie e del fondo marino). I metodi più diffusi sono basati rispettivamente sulla
teoria delle onde e sulla approssimazione dei raggi di cui parleremo nei prossimi
paragrafi [URI82].
1.3.1 Trasmissione del suono in acqua: teoria delle onde e
approssimazione dei raggi acustici.
La soluzione analitica dell’equazione (1.15) è possibile sotto condizioni ‘semplici’
del campo di velocità (omogeneo o monotono) e del volume del mezzo (infinito o a
‘pareti’ rigide). Tali condizioni ovviamente non sono sempre verificate in un mezzo
14
CAPITOLO 1
naturale (il mare) pertanto la soluzione analitica dell’equazione (1.15) non è sempre
ricavabile. Riscrivendo la (1.15) nel caso di un’onda unidirezionale otteniamo:
2
∂2 p
2 ∂ p
.
=
c
∂t 2
∂x 2
(1.16)
Le soluzioni che soddisfano tale equazione sono del tipo p=f(t±x/c). Le funzioni con
argomento (t±x/c), rappresentano rispettivamente le onde che viaggiano nella
direzione positiva (−) e negativa (+) delle x.
Nel caso tridimensionale, si preferisce utilizzare la notazione in coordinate sferiche;
le soluzioni che soddisfano la (1.16) sono del tipo:
p=
1  r
f t ±  .
r  c
(1.17)
Queste soluzioni rappresentano le onde sferiche irradiate al tempo t=0 da una
sorgente posta nell’origine. Comunemente le funzioni scelte sono del tipo coseno,
seno e combinazioni lineari di esse, che soddisfano le condizioni al contorno della
sorgente.
Nel caso unidimensionale scegliendo soluzioni della forma: p = ψ ( x )eiω (t −ϕ ) , dove
ψ (x ) è funzione della sola coordinata spaziale x , e sostituendo si trova:
ψ (x ) +
c 2 d 2ψ
=0 ,
ω 2 dx 2
(1.18)
la cui soluzione è del tipo ψ ( x ) = A sin kx + B cos kx , dove k = ω / c e ω = 2πf .
Applichiamo ora questa soluzione ad onde che viaggiano verticalmente fra la
superficie del mare (dove p=0) e il fondo del mare assunto come una superficie
rigida, dove p è massima, e definiamo inoltre la superficie a x = 0 e il fondo a
x = H . Le condizioni alla superficie richiedono che p(0)=0, da cui segue che B=0.
La soluzione analitica per questo tipo di onde è quindi:
15
CAPITOLO 1
p = A sin kx ⋅ eiω (t −ϕ ) .
(1.19)
Per soddisfare le condizioni imposte dal fondo marino uguagliamo le prime
espressioni (1.10) e (1.12):
∂v
1 ∂p
=−
.
∂t
ρ 0 ∂x
Poiché la velocità dell’onda è u=0 ad x=H, anche
pertanto
(1.20)
∂u
deve essere uguale a zero,
∂t
∂p
=0.
∂x x = H
Otteniamo
quindi
Ak cos kH = 0 .
Questa
soluzione
è
soddisfatta
per
1

 n + π
1
2

.
kn H =  n + π con n=0,1,2…. I valori di kn sono detti autovalori kn = 
H
2

Per una sorgente monocromatica di onde piane, quindi si ha una soluzione
dell’equazione dell’onda è p = An sin kn x ⋅ eiω n
( t −ϕ )
. Dove le An e ϕ descrivono le
caratteristiche della sorgente. Solamente le frequenze ωn = ckn si possono propagare
fra la superficie e il fondo. La somma di un numero arbitrario di tali termini sarà
anch’essa una soluzione dell’equazione delle onde. Per una sorgente non
monocromatica avremo analogamente:
p = ∑ An sin kn x ⋅ eiω n (t −ϕ n ) .
(1.21)
n
I vari termini di questa somma sono chiamati modi normali. Quindi per una sorgente
a larga banda, il mezzo permette solamente la propagazione di alcune frequenze
discrete.
Utilizzando l’approssimazione dei raggi acustici è possibile trovare soluzioni
all’equazione di propagazione delle onde in condizioni reali. Tale approssimazione è
16
CAPITOLO 1
valida, come vedremo nelle condizioni in cui (∆c / c ) / ∆z << 1 / λ , dove ∆z è la
variazione di profondità, cioè per frequenze molto minori della variazione del
gradiente di velocità cioè per frequenze in funzione della profondità [OFF58].
Per trovare le soluzioni dell’equazione d’onda nell’approssimazione di raggi acustici
accorre fare alcune posizioni. Nell’espressione p=f(t-x/c), indichiamo l’argomento (tx/c) con ϕ, notiamo che x=c(t-ϕ), cioè ϕ la fase dell’onda. Al trascorrere del tempo t,
ϕ determina la distanza x alla quale la pressione p è costante. Nel caso
tridimensionale, tali distanze, rappresentano le superfici in cui p è costante, ovvero i
fronti d’onda. L’equazione che definisce il fronte d’onda è:
W ( x, y, z ) = c(t − ϕ ) ,
(1.22)
l’equazione differenziale alle derivate parziali di questa superficie risulta:
∂ 2W ∂ 2W ∂ 2W
+ 2 + 2 = n 2 ( x, y , z ) ,
∂x 2
∂y
∂z
(1.23 )
dove n 2 (x, y, z ) è il quadrato dell’indice di rifrazione acustica del mezzo che dipende
dalla posizione. L’indice di rifrazione acustico è definito come n = c0 / c(x, y, z ) ,
dove c è la velocità del suono nel punto di coordinate x, y, z e c0 è la velocità media
del suono nel mezzo ed è una costante. La relazione (1.23) è detta equazione
eiconale, così chiamata dalla parola greca ‘eikon’ (immagine). Le normali ai fronti
d’onda W sono chiamati raggi e rappresenta la direzione del flusso di energia
acustica emesso dalla sorgente.
All’interno di un fascio collimato, chiamato matita, il flusso di energia acustica è
costante. Nell’approssimazione dei raggi, non c’è perdita di energia fuori dal fascio
collimato, e quindi gli effetti della diffrazione e dello scattering non vengono trattati.
Nell’utilizzo dell’equazione eiconale rispetto all’equazione delle onde vi sono due
importanti vantaggi, il primo è che essa non dipende dal tempo né dalla frequenza.
Il secondo vantaggio è che la (1.23) permette di ricavare un set di equazioni
17
CAPITOLO 1
differenziali ordinarie che descrivono la direzione dei singoli raggi. Queste equazioni
sono:
d (nα ) ∂n
=
∂x
ds
d (nβ ) ∂n
=
ds
∂y
(1.24)
d (nγ ) ∂n
=
,
ds
∂z
dove α, β, γ sono i coseni direttori di un raggio in un qualsiasi punto (x,y,z) del
mezzo: dx/ds=α, dy/ds=β, dz/ds=γ.
Per meglio comprendere il significato di ciò, prendiamo il caso bidimensionale in x e
in y e supponiamo che n sia solamente funzione di y cioè della profondità, così come
è sostanzialmente nel caso reale. Otteniamo quindi ∂n / ∂x = 0 e trascuriamo la terza
equazione in z. Allora possiamo scrivere: α = cosθ e β = sin θ ,
e sostituendo si ottiene:
d (n cos θ )
=0
ds
(1.25)
d (n sin θ ) dn
=
,
ds
dy
dove la derivata totale dn/dy può sostituire ∂n / ∂y , poiché n dipende solo da y. La
prima di queste due equazioni esprime che, lungo ogni singolo raggio, (ncosθ) è
costante:
n cosθ =
c0
cos θ = cos tan te = cosθ 0 ,
c( y )
18
(1.26)
CAPITOLO 1
con:
c0
c( y )
=
, equivalente alla legge di Snell dell’ottica.
cosθ 0 cos θ
La seconda equazione delle (1.25) permette di ricavare il raggio di curvatura R del
raggio acustico
1 dθ
dc( y ) cosθ 0
≡
=−
.
R ds
dy
c0
Per un gradiente di velocità lineare, c = c0 + gy , si ottiene:
1 − g cosθ 0
=
,
R
c0
(1.27)
che è una costante per ogni raggio, e quindi è un arco di circonferenza. Se g è
positivo, cioè se la velocità aumenta nella direzione delle y positive, il centro di
curvatura è nella direzione
delle y negative. La teoria dei raggi è un’utile
approssimazione nel caso si vogliano trattare onde di alte frequenze che si propagano
nel mezzo per lunghe distanze senza incontrare la superficie o il fondo marino. In
tutti gli altri casi conviene trattare il problema risolvendo l’equazione d’onda con
metodi numerici utilizzando le grandi potenzialità degli attuali calcolatori [URI82].
1.3.2 Profili della velocità del suono
Come accennato nei precedenti paragrafi la velocità del suono è un parametro
fondamentale per descrivere la propagazione del suono in mare. Essa dipende
sostanzialmente da una funzione complessa della temperatura (t), profondità
(pressione) e della salinità [WDCS04]. Le misure mostrano che c cresce circa con la
radice quadrata della temperatura cioè di circa ±0,60 m/s per ogni variazione di
±1,0 °C [HEC03]. In figura 1.1 sono mostrati i profili della velocità del suono al
variare della temperatura, pressione e salinità in differenti regioni marine. E’
evidente che il profilo della velocità del suono è molto variabile vicino alla superficie
in funzione delle stagioni e delle ore del giorno, dovuto allo scambio termico con
19
CAPITOLO 1
l’atmosfera che modifica la temperatura e la salinità del mare. Nelle stagioni più
calde (o nella parte più calda del giorno), la temperatura aumenta vicino la superficie
e qui la velocità del suono diminuisce con la profondità. Quindi, nelle regioni non
polari, le proprietà oceanografiche dell’acqua vicino la superficie dipendono
fortemente dall’interfaccia aria-mare. Se gli strati vicini alla superficie hanno
temperatura e salinità costante, il profilo della velocità del suono aumenta con la
profondità a causa del gradiente di pressione. Questa è la regione del cosiddetto
‘profilo superficiale’. Sotto gli strati superficiali c’è la ‘regione di termoclino’ dove
la temperatura non è influenzata dallo scambio termico con l’atmosfera e diminuisce
drasticamente e, con esse la velocità del suono. Sotto la regione di termoclino, la
temperatura dell’acqua è circa costante ~4 °C in oceano, ~13.5° nel Mediterraneo e
la velocità del suono aumenta con la profondità a causa dell’aumento di pressione.
Quindi, esiste una profondità tra la regione profonda isotermica e gli strati
superficiali dove la velocità del suono assume un valore minimo. Nella regione
polare l’acqua è più fredda vicino la superficie, e qui il minimo della velocità del
suono è prossimo all’interfaccia aria-acqua. Nelle regioni costiere (in acque profonde
di poche centinaia di metri) la velocità del suono ha un profilo molto complesso che
dipende dalle stagioni e dalle ore giornaliere [CRO98].
Uno degli algoritmi più usati per ricavare la velocità del suono in funzione di
pressione, temperatura e salinità è l’equazione empirica ottenuta da Mackenzie
(1981) [MAC81]:
c(T , S , z ) = a1 + a2T + a3T 2 + a4T 3 + a5 ( S − 35) + a6 z + a7 z 2 + a8T ( S − 35) + a9Tz 3
(1.28)
dove T è la temperatura dell’acqua in gradi centigradi, S è la salinità in parti per
mille e z è la profondità in metri. Le costanti a1, a2, ………. a9 assumono i valori di:
a1=1448.96, a2=4.591, a3=−5.304×10-2, a4=2.374×10-4, a5=1.340, a6=1.630×10-2,
a7=1.675×10-7, a8=−1.025×10-2, a9= −7.139×10-13.
20
CAPITOLO 1
Tale espressione è valida per temperature da 2 a 30°C, per la salinità da 25 a 40 parti
per mille (ppm) e infine per la profondità da 0-8000 m; condizione valide per la
maggior parte degli oceani e dei mari [MAC81]. Recentemente Chen-Millero-Li
hanno ricavato un’equazione empirica più accurata ma molto più complessa per
ricavare la c in funzione della profondità, temperatura e salinità.
Figura 1.1 Profili generici della velocità del suono al variare della temperatura,
pressione e salinità.
1.4 Attenuazione e assorbimento del suono in acqua
Come si è visto, è possibile definire il mare come una guida d’onda delineata in alto
dall’interfaccia aria-mare e in basso dal fondo oceanico, una struttura stratificata
viscoelastica. La combinazione delle proprietà della colonna d’acqua e del fondo
conducono a un set di generici percorsi di propagazione del suono, descrittivi di molti
21
CAPITOLO 1
fenomeni di propagazione del suono in mare [CRO98]. Quindi, un’onda sonora che si
propaga in acqua presenta varie sorgenti di perdita di ampiezza che possono essere
raggruppate in due tipi: perdita per spreading (perdita per dispersione, non si ha perdita
di energia) e perdita per attenuazione (perdita di energia). Lo spreading include l’effetto
focalizzante e defocalizzante, l’attenuazione, invece, include la perdita dovuta
all’assorbimento, scattering e diffrazione. In tutti questi processi tranne che nel processo
di assorbimento l’energia iniziale radiata da una sorgente sonora è ridistribuita nello
spazio. Nel processo di assorbimento l’energia posseduta dall’onda è convertita in
calore e il risultato è il riscaldamento del mezzo che attraversa.
In un mezzo assorbente, una certa frazione dell’intensità dell’onda sonora è ‘persa’
(convertita in calore) in funzione della distanza. Se questa frazione è dI/I allora nella
distanza dx possiamo scrivere un’onda piana:
dI
= −γdx ,
I
(1.29)
dove γ è un coefficiente di proporzionalità e il segno meno denota la perdita di
intensità. Integrando da x1 a x2 si trova che l’intensità I2 dell’onda piana a x2 è
proporzionale alla sua intensità I1 in x1 da:
I 2 = I1 exp[− γ ( x2 − x1 )] .
(1.30)
Prendendo il logaritmo in base 10 ed indicando con α = 10γ log10 e , si ottiene:
10 log(I 2 / I1 ) = −α ( x2 − x1 )
(1.31)
Per consuetudine nell’acustica sottomarino α è espressa in db per km. A basse
frequenze α è piccola e costante e si usa definirla in dB per Mm.
22
CAPITOLO 1
In letteratura α è riferito sia all’intensità che alla pressione. La dipendenza di α dalla
frequenza è complessa, indicando che nelle differenti bande di frequenza sono
coinvolti diversi processi di assorbimento. In figura 1.2, è mostrato il valore di α in
funzione della frequenza f in mare nel range da 1 Hz a 10 MHz: si osservano quattro
intervalli di frequenze in cui l’andamento di α è notevolmente differente.
Figura 1.2 Processi di attenuazione del suono in mare in funzione della frequenza
divisi in quattro regioni.
Nell’intervallo di frequenze oltre 200 kHz (regione IV) l’assorbimento del suono in
mare è dovuto all’effetto della conduzione termica e viscosità; al contrario del
termine di viscosità il contributo della conduzione termica all’assorbimento totale è
trascurabile per l’acqua. Rayleigh mostrò che la viscosità contribuisce al coefficiente
23
CAPITOLO 1
di assorbimento con un fattore proporzionale a
pari a
8π 2 µ
per la pressione e in intensità
3λ2 ρc
16π 2 µ 2
f , in unità di cm-1. In acque fredde oceaniche (4° C) [RAYL]:
3
3ρc
α ≅ 6.1 × 10−5 f 2 (kHz ) , db/ky .
(1.32)
Si nota quindi che α è proporzionale a f 2 e vale circa 60 db/km a 1 MHz (retta
BB’).
Tuttavia, misure successive in acqua distillata non concordano con questa teoria: Fox
e Rock nel 1941 trovarono valori apprezzabilmente più alti [FOX41]. I coefficienti
misurati erano da due a quattro volte più alti rispetto a quelli predetti dalla teoria
classica e sono mostrati dalla retta AA’ in figura 1.2.
Questo eccessivo assorbimento fu spiegato da Hall postulando una struttura a due
stati per l’acqua [HAL48]. Lo stato di minor energia è lo stato normale: nello stato di
energia più elevata le molecole hanno una struttura compatta. Un’onda di
compressione causa un salto delle molecole da uno stato aperto ad uno stato chiuso.
In questo processo (e nel suo inverso) si dissipa l’energia acustica. Lieberman mostrò
che questo processo poteva essere descritto introducendo un coefficiente di viscosità
volumetrico per l’acqua, µ’. Se µ’=2 µ, dove µ è il coefficiente di viscosità di
strisciamento, l’eccesso di α poteva essere correttamente spiegato. Hall calcolò
anche una costante di tempo di dissociazione ~1.6x10-12 sec a 30°C per questo
processo di dissociazione [HAL48].
In acustica un processo di dissociazione è un processo nel quale le condizioni di
equilibrio sono perturbate dal passaggio di un’onda sonora introducendo una fase (un
ritardo) dell’onda dovuto alla risposta del mezzo. Per basse frequenze, una
condizione prossima all’equilibrio è mantenuta in tutto il ciclo di variazione di
pressione, risultando in un piccolo assorbimento; aumentando la frequenza, i
fenomeni di assorbimento ritardano l’onda, a frequenze superiori dell’inverso del
tempo di dissociazione, il mezzo è incapace di ‘seguire’ le rapide variazioni di
pressione e α assume un valore costante.
24
CAPITOLO 1
Nella regione III di figura 1.2 (5 kHz ÷ 200 kHz) del suono in acqua di mare la
componente principale di α è dovuta ad un effetto chimico. In questo intervallo di
frequenze le misure di α in acqua salata, mostrano un valore di α ~ 30 volte
maggiore del valore in acqua distillata.
Una spiegazione a questa discrepanza è dovuta ad un altro processo di dissociazione
avente una più lunga costante di tempo.
Il processo specifico di dissociazione agente in questa regione di frequenze per
l’acqua di mare è la dissociazione ionica di uno dei suoi sali ionizzati disciolti.
All’inizio si pensò che l’effetto fosse dovuto al cloruro di sodio (NaCl), perché è il
principale sale disciolto in acqua marina, le misure sulle soluzioni del NaCl da
Wilson e Leonard, comunque, mostrarono nessun aumento dell’assorbimento. La
causa fu trovata nel processo di dissociazione del solfato di magnesio (MgSO4).
Kurtze e Tamm assunsero l’esistenza di un complesso di MgSO4⋅H2O che si separava
in ioni di Mg, OH, H e SO4 al passaggio di un’onda sonora. Il tempo di dissociazione
a 20°C è 1/130 kHz, cioè 1/130,000 sec. L’espressione per α in questa regione di
frequenze fu data da Liebermann [LIE46] [LIE49]:
Aω 2θ
+ Bω 2
α=
2
1+ ω θ
dove
ω=2πf,
A=2.9x10-5
sec/cm,
 1 
 cm  ,
B=1.2x10-17
(1.33)
sec2/cm,
θ=tempo
di
dissociazione≈1.1x10-6 sec. A, B e θ sono funzioni della temperatura e della
pressione. Il primo termine rappresenta la parte del coefficiente α dovuto alla
dissociazione ionica; il secondo termine è dovuto alla viscosità.
Successivamente Schulkin e Marsh completarono la teoria dell’assorbimento
dell’acqua del mare determinando [SCH62]:
[
]
 2.34 × 10−6 SfT f 2 3.38 × 10−6 f 2 
α =
+
⋅ 1 − 6.54 × 10− 4 p , (1.34)

2
2
fT + f
fT


25
CAPITOLO 1
dove
S = salinità in parti per mille
1520 

fT = frequenza di rilassamento dell’MgSO4= 21.9 × 10 exp 6 −
 kHz
T + 273 

T = temperatura in gradi Centigradi
f = frequenza in kHz
p = pressione in atmosfera (1 atm)
α = coefficiente di assorbimento in neper/metro.
Il primo termine della prima parentesi rappresenta il contributo del processo di
dissociazione del solfato di magnesio; il secondo termine, è dovuto alla viscosità, la
cui dipendenza dalla temperatura è contenuto in fT (frequenza di dissociazione del
MgSO4) . Convertendo in db per km e per S = 35 ppm (valore tipico per la maggior
parte dei mari), si ottiene:
α≅
0.65 f 2 fT 0.027 f 2
+
db/km
fT2 + f 2
fT
(1.35)
sulla superficie del mare. Per f << fT , il primo termine dovuto all’MgSO4, è
proporzionale al quadrato della frequenza, mentre per f >> fT esso è costante.
Quindi, per f << fT si ha:
α≅
0.65 f 2 0.027 f 2 0.677 f 2
+
=
,
fT
fT
fT
mentre per f >> fT si ottiene:
0.027 f 2
α = 0.65 fT +
.
fT
26
(1.37)
(1.36)
CAPITOLO 1
L’effetto della pressione è descritto dal secondo termine messo fra parentesi. A ~
4500 m di profondità, questo termine vale:
(1 - 6.54 × 460 × 10-4 ) = .70 .
(1.38)
Quindi l’assorbimento a 4500 m è solamente il 70% del suo valore in superficie.
Questo effetto di pressione è importate per onde che si propagano in mare profondo.
Più recentemente, le misure fatte da Bezdek nell’Oceano Pacifico a 75 kHz studiando
la propagazione lungo il profilo verticale e orizzontale tra le profondità di 700 e 3400
metri, hanno mostrato che il coefficiente di pressione è circa due volte maggiore
rispetto a quello utilizzato [BEZ73]. La causa di questa discrepanza non è stata
determinata. Se confermata ciò indicherebbe che l’attenuazione del suono ad alte
frequenze su percorsi profondi è significativamente inferiore rispetto a quella teorica.
Nella seconda regione del grafico 1.2 cioè frequenze al di sotto 1 kHz, fu trovato da
Thorp, compilando dati misurati, che i valori misurati di α erano quasi un ordine di
grandezza più alti rispetto alla precedente espressione (1.35). Vari processi furono
presi in considerazione per spiegare questo ulteriore eccesso di attenuazione tra
questi la diffrazione , lo scattering, la viscosità eddy o altri processi di dissociazione.
Data la difficoltà di misurare questo effetto a basse frequenze, il centro di ricerche
Sottomarine della Marina Militare Americana (U.S. Navy Underwater Sistem
Center) ha intrapreso un lungo ed ambizioso programma di ricerche.
Esperimenti furono condotti utilizzando cariche di TNT fatte esplodere nel Lago
Superiore (USA) ed eseguendo misure su circa 200 km di distanza.
Nell’intervallo tra 700 e 8900 Hz i valori di α trovati erano compatibili con i valori
trovati in mare, e furono attribuiti allo scattering dovuto al gradiente di temperatura
[BRO68]. Successivamente ulteriori misure furono condotte nel Mar Mediterraneo (a
temperatura di ~ 13°C) che indicano la presenza di un fenomeno di dissociazione
chimica avente una frequenza di rilassamento di 1.7 kHz [JON69]. Misure analoghe
in oceano (a 4°C) indicano che tale frequenza era di ~ 1.0 kHz. Processi chimici con
tempi di rilassamento così lunghi (100 µsec) erano sconosciuti.
27
CAPITOLO 1
Misure in laboratorio svolte da Yeager indicano che tali tempi erano compatibili con
i tempi di dissociazione dell’acido borico B(OH3) [YEA73].
Il boro è un costituente minore dell’acqua di mare eppure tali misure indicano la
compatibilità di questo fenomeno.
A frequenze minori di poche centinaia di Hz Mellen e altri avevano supposto che lo
scattering da disomogeneità fosse il processo dominante di attenuazione [MEL74]
[MEL76]. Questo processo produce una costante di attenuazione, indipendente dalla
frequenza, che ammonta a circa .003 db/km o 3 db per Mkm in oceano aperto come
mostrato in figura 1.3.
Figura 1.3 Coefficiente di attenuazione per acqua marina nella regione
compresa fra 100 –10,000 Hz.
Le misure principali di α fatte da Mellen e Browing nel Pacifico indicarono inoltre, a
frequenze di 50 ÷ 100kHz, un valore più piccolo di α rispetto a quello misurato in
Atlantico, evidenziando una differenza chimica tra i due oceani. Questa differenza è
effettivamente data dal pH: il pH medio del Pacifico è circa 7.7 e quello
dell’Atlantico 8.1. Questa differenza è sufficiente per modificare il coefficiente di
28
CAPITOLO 1
attenuazione; nel Pacifico α è circa la metà di quello dell’Atlantico, alla stessa
frequenza. Dunque la figure 1.2 può essere, finalmente, completamente interpretata
utilizzando la relazione seguente:
α (db / ky ) = 0.003 +
0.1 f 2
40 f 2
+
+ 0.000275 f 2 , (1.39)
2
2
1+ f
4100 + f
in cui il primo termine indica l’attenuazione (costante) dovuta a processi di scattering
su disomogeneità del mezzo (regione 1).
Il secondo termine indica l’assorbimento dovuto alla dissociazione dell’acido borico
B(OH3), il terzo termine descrive la dissociazione dell’MgSO4 ed il quarto termine
descrive l’effetto della viscosità di taglio e di volume del mezzo.
Utilizzando questi dati Fisher e Simmons hanno ricavato un’espressione più
complessa ma sostanzialmente simile alla (1.39) in cui i risultati sono mostrati in
figura 1.4, per acque atlantiche (4° C, S=35 ppm) a bassa profondità [FIS77].
29
CAPITOLO 1
Figura 1.4 Coefficiente di assorbimento in mare a 4° C, p=1 atm (profondità
zero) [FIS77].
1.5 Propagazione del suono in superficie ed in profondità
Il profilo di velocità del suono in funzione della profondità mostra che negli oceani e
nella maggior parte dei mari il suono può essere ‘intrappolato’ in regioni in cui la
velocità del suono è quasi costante. In queste regioni infatti, i raggi acustici si
propagano entro una sorta di ‘condotto’ acustico. Solitamente si definiscono due
regioni: il condotto superficiale e il condotto profondo Deep Sound Channel (DSC).
30
CAPITOLO 1
Per quanto riguarda il condotto superficiale, esso è presente sotto la superficie del
mare ogni qualvolta si ha mescolamento dei processi di convezione causati dal
raffreddamento superficiale e dall’evaporazione, che producono uno strato di acqua
quasi isotermica. Nelle acque isotermiche, il gradiente della velocità del suono in
funzione
della
profondità
aumenta
di
.017
m/sec/m
=.017
sec-1.
Se,
contemporaneamente il gradiente delle velocità del suono in funzione della salinità
compensa questo effetto allora si forma un condotto acustico.
In questi starti, chiamati ‘mixed-layer’ dagli oceanografi e ‘surface duct’ dagli
acustici, il suono rimane intrappolato. Il ‘mixed-layer’ è caratteristico nelle regioni
oceaniche molto ventilate. La profondità dello strato varia con le stagioni: la
profondità media nel Nord Atlantico tra latitudine 40°N e 50°N è 60 m in inverno
(Gennaio-Marzo), 30 m in Primavera (Aprile-Giugno), 20 m in Estate (GiugnoSettembre) e 50 m in Autunno (Ottobre-Dicembre).
I processi che conducono alla mixed-layer sono processi di mescolamento dovuti
all’azione del vento e agli scambi termici con l’atmosfera. Quando il vento soffia, in
primavera ed estate il calore degli strati superficiali è trasportato verso il basso dalla
turbolenza del vento. In autunno ed in inverno, l’effetto del vento è quello di
trasportare gli strati superficiali più freddi verso il basso. Variazioni della profondità
del mixed-layer sono misurati anche su scale giornaliere e sono dovute all’effetto del
sale.
Tuttavia le dinamiche associate al condotto superficiale sono così complesse che
piccoli cambiamenti di temperatura sia in funzione della profondità (verticali) sia
laterali anche su un breve periodo di tempo, possono distruggere il condotto mixedlayer [URI82].
La propagazione del suono nel DSC, invece, è molto più efficiente.
Sin dai tempi della seconda guerra mondiale si osservò che in oceano aperto il
profilo della velocità del suono mostra un minimo a circa 100 ÷ 1000 m di profondità
creando un condotto acustico sound channel nel quale l’onda sonora può viaggiare
per enormi distanze. Il suono è focalizzato nel sound channel perché le onde sonore
sono continuamente curvate o rifratte verso la regione in cui si ha più bassa velocità
del suono. Quindi il percorso dei raggi acustici è una serie di archi diretti verso l’alto
31
CAPITOLO 1
e verso il basso, alternativamente concavi e convessi, causati dall’inversione di segno
del gradiente di velocità.
In figura 1.5 sono riprodotti a sinistra il profilo tipico della velocità del suono in
funzione della profondità nell’oceano Atlantico e sulla destra il percorso di raggi
acustici prodotti da una sorgente posta a profondità di 1000 m dove c è minimo; le
onde sono continuamente rifratte verso la profondità in cui è minima la velocità del
suono [MUN95]. Un suono prodotto nel DSC che viaggia verso la superficie è quindi
curvato nuovamente verso il DSC, analogamente un suono che si propaga verso il
fondo è rifratto nuovamente verso le profondità in cui c è minima.
Figura 1.5 Sono raffigurati sulla sinistra il profilo della velocità in funzione della
profondità e sulla destra la velocità minima del suono a una profondità di 1000 metri.
Inoltre sono raffigurati i percorsi seguiti dalle onde sonore provenienti da una sorgente,
continuamente rifratte verso la velocità minima del suono.
Il DSC (storicamente chiamato SOFAR: Sound Fixing And Ranging) è causato dal
fatto che l’oceano aperto è caldo in superficie e freddo in profondità. L’effetto del
riscaldamento superficiale non è sufficiente per propagarsi fino al fondo ed è limitato
nella parte superficiale dalla colonna d’acqua fino al termoclino. Al di sotto di esso,
il mare è quasi isotermale ~ 40° C e quindi ha un gradiente di velocità positivo
dovuto alla pressione. Di conseguenza, esiste una profondità in cui la velocità è
32
CAPITOLO 1
minima, che come detto prima è chiamata l’asse del DSC. Il limite superiore e
inferiore del DSC sono determinati dal profilo della velocità e dalle profondità delle
acque. Se la colonna d’acqua è abbastanza profonda, c’è una profondità, al di sotto
dell’asse, dove la velocità del suono è la stessa che in superficie. Questa profondità è
chiamata profondità critica e forma il limite inferiore del DSC. Un ricevitore posto al
di sotto della profondità critica riceverà solamente suoni deboli. Analogamente un
ricevitore posto vicino la superficie, fuori dal DSC, non può ricevere trasmissioni a
lungo range [URI82].
1.6
Rifrazione e diffusione del suono sulla superficie e sul
fondo del mare
Abbiamo visto che nei precedenti paragrafi un’onda che si propaga in acqua ha una
perdita di energia dovuta all’assorbimento, allo scattering e alla diffrazione. Adesso
descriviamo il contributo della superficie del mare e del fondo oceanico nella
propagazione del suono.
In acqua data la differenza sostanziale tra l’indice di rifrazione del suono in acqua e
in aria quando un’onda piana urta la superficie del mare in condizioni di calma piatta
(piano infinito), quasi tutta la sua energia è riflessa. Incidendo normalmente, il
rapporto di intensità del suono che attraversa il piano e quella incidente è solamente
0.0002: quasi tutto il suono rimane quindi in acqua e procede nella direzione
speculare all’onda piana incidente in modo perfettamente coerente, cioè con un
coefficiente di correlazione unitario rispetto all’onda incidente.
Quando la superficie è leggermente agitata, i suoni vengono riflessi in varie
direzioni, ogni piccola posizione della superficie agisce come uno ‘specchio’
acustico orientato differentemente. Il coefficiente di correlazione fra il suono riflesso
dalla superficie e il suono incidente è minore dell’unità, e l’intensità del suono
riflessa è ridotta. Quando la superficie è molto agitata, il suono riflesso è totalmente
scatterato e la coerenza tra onda incidente e riflessa è completamente persa.
33
CAPITOLO 1
Una misura dell’agitazione acustica della superficie è data dal parametro di Rayleigh
R che viene definito dalla relazione seguente:
R = 2kh sin θ
,
(1.40)
dove k=2π/λ ed è il numero d’onda dell’onda sonora, h è l’altezza media (RMS)
dell’onda rispetto alla superficie e θ è l’angolo di incidenza. R può essere considerato
come la RMS della differenza di fase tra l’onda riflessa da una cresta di altezza h e
l’onda riflessa da una superficie piana da una cresta. Quando R<<1 la superficie del
mare può essere approssimata a una superficie piana: quando R>>1, allora la
superficie è agitata e non si hanno riflessioni coerenti.
Come vedremo nel prossimo capitolo la superficie del mare, se agitata, diventa una
importante sorgente di rumore acustico causato sia dall’infrangersi delle onde che
dalla riflessione incoerente di tutti i suoni irradiati verso la superficie e da essa
riflessi. Applicando la teoria di Rayleigh la riflessione avviene in certe direzioni
discrete, ad angoli θm rispetto al piano normale:
sin θ m = sin θ + m
λ
Λ
; m = 0,±1,±2........ ,
(1.41)
anche definita come:
sin θ m = sin
mK
,
k
(1.42)
dove K= 2π/Λ e k=2π/λ sono i numeri d’onda rispettivamente delle onde di
agitazione superficiale e delle onde sonore. Il numero totale di ‘modi’ di riflessione è
limitato dalla condizione che
sin θ m ≤ 1
34
(1.43)
CAPITOLO 1
Studiando il problema della riflessione su una superficie sinusoidale. (modello di
Eckard), i coefficienti dell’ampiezza dell’onda riflessa sono dati da:
Am =
c + cm
⋅ J m [(c + cm )hk ] ,
2C
(1.44)
dove Am è il coefficiente dell’ampiezza dell’m modo, c=cosθ, cm=cosθm. Nella
direzione speculare, il coefficiente A0 vale:
A0 = J 0 (2hk cosθ ) ,
(1.45)
uguale al risultato di Rayleigh è per kh<<1.
Le riflessioni sul fondo oceanico, incidono sulla propagazione del suono in maniera
simile a quanto avviene per la superficie del mare. Il fondo riflette e diffonde il
suono, in modo complesso dipendente dalla natura stessa del fondo. Tale proprietà è
ampiamente utilizzata oggi per le esplorazioni dei fondali marini.
Gli effetti della riflessione delle onde dalla superficie del mare sono ancora non del
tutto spiegati e i differenti modelli proposti danno risultati non pienamente
compatibili.
Il ritorno (eco) del suono dal fondo del mare è più complesso rispetto a quello della
superficie del mare per parecchie ragioni. Innanzi tutto, il fondo è un mezzo con
proprietà acustiche variabili; esso può variare nella composizione da roccia dura a
fango. Inoltre esso è spesso stratificato, con densità (e quindi velocità del suono) che
possono variare gradualmente o improvvisamente con la profondità. Esso è talvolta
inomogeneo lateralmente, con caratteristiche che possono variare anche su brevi
distanze. Infine il suono prodotto in mare può attraversare i sedimenti del fondo ed
essere riflesso indietro oppure essere rifratto ed ‘intrappolato’ o assorbito a causa
della variazione di velocità negli strati di sedimenti. Per questi motivi, la perdita di
intensità del suono sul fondo del mare è più difficile da predire rispetto a quella
prodotta dalla superficie del mare.
35
CAPITOLO 1
Il rapporto tra l’intensità di un suono riflesso da un fondo irregolare e l’intensità
dell’onda piana incidente è:
 4πh sin θ 
−R2
,
 = µ 0e
λ


2
µ = µ0 exp− 
(1.46)
dove µ0 è il coefficiente di riflessione definito per una superficie piana, il fattore
esponenziale è l’effetto della disomogeneità del fondo stesso, R è il parametro di
Rayleigh. Il coefficiente di riflessione µ0 dipende dalla densità, compressibilità,
rigidità, e dalla stratificazione degli strati del fondo del mare, associati come
superfici piane, mentre il temine esponenziale dipende dalle caratteristiche di
disomogeneità, che nel caso ‘reale’ non sono noti. In altre parole, il termine
esponenziale esprime la perdita in intensità dell’onda riflessa causata dallo scattering
nell’interfaccia acqua-fondo marino disomogeneo.
Sulle riflessioni delle onde dal fondo marino si basa, come detto, gran parte delle
esplorazioni geofisiche ed industriali dei fondali marini ed il suo studio è oggi di
grandissimo interesse.
36
CAPITOLO 2
RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO
CAPITOLO 2
2.1
Il rumore acustico sottomarino
Il rumore è genericamente definito come un disturbo rispetto all'informazione
trasmessa in un sistema. In mare il rumore acustico è anch’esso un suono o meglio
un insieme di suoni e quindi costituito da onde di pressione sonora. Esso è prodotto
da innumerevoli fonti sia naturali che artificiali. Anche in condizioni di apparente
‘silenzio’ il mare, così come l’aria sono attraversati da onde sonore che non vengono
percepite perché troppo deboli o al di fuori della gamma di frequenza udibile. Onde
sonore di frequenza inferiore ai 20 kHz (infrasuoni) e superiori a 200 Hz (ultrasuoni)
non sono infatti percepite dall'orecchio umano. Generalmente i rumori sono suoni
caratterizzati da un andamento di pressione non periodico e armonicamente molto
complesso, inoltre la percezione di suono oppure di rumore è soggettiva. Una
definizione del rumore acustico ambientale è data nella pubblicazione ‘Ocean Noise
and Marine Mammals’ del Consiglio Nazionale delle Ricerche Americane del 2003,
che definisce il rumore ambientale, come: ‘The noise associated with the background
din emanating from a myriad of unidentified sources. Its distinguishing features are
that it is due to multiple sources, individual sources are not identified, and no one
source dominates the received field1’. [UAN07].
1
Il rumore associato con il fondo acustico emanato da una miriade di sorgenti non identificabili. Le
sue caratteristiche peculiari sono che: è dovuto a un grande numero di sorgenti, le singole sorgenti non
sono identificabili e nessuna di esse domina sul campo acustico ricevuto.
37
CAPITOLO 2
Le sorgenti di rumore acustico sottomarino sono
numerose: traffico navale,
strumenti di rilevamento militari ed industriali, sonar, air guns sismici, trivellazioni,
moto ondoso, vento, tuoni, fulmini, pioggia, neve, schiocchi di gamberetti, suoni
emessi da cetacei, ecc. Tutti questi suoni si possono raggruppare in due sottogruppi
principali: rumori impulsivi e rumori continui. Il rumore impulsivo o anche detto ‘a
impatto’ è un suono di breve durata che può ripetersi o meno nel tempo. Il rumore
continuo, invece, è un suono che persiste nel tempo: sono classificati come tali suoni
che hanno durata che varia dai secondi ai minuti alle ore. In tabella 2.1 vengono
riportati le varie sorgenti di rumore suddivise in sorgenti di tipo impulsivo e sorgenti
di tipo continuo [DOS06] [NRC03].
Frequenza
Rumore
Rumore
(Hz)
Impulsivo
Continuo
1 ÷ 10 Hz
Esplosivi,
5 ÷ 10 Hz
Sorgenti sismiche
Motore (propulsore) di nave
Microsismi
Picco a 20 Hz
Richiami di balene (misticeti)
10 ÷ 20 Hz
Spinta di ghiacciai generati dal
vento (sul Mar Artico)
Esplosivi,
10 ÷ 100 Hz
Sorgenti di rilevamento
sismico,
Attività industriali e di
costruzione
50 ÷ 100 Hz
Vento
5 ÷ 500 Hz
Traffico navale
Rottura di ghiacci (in Mar
300 ÷ 500 Hz
<1 kHz
Artico)
Terremoti
38
CAPITOLO 2
Agitazione superficiale: moto
1 Hz ÷ 100 kHz
ondoso generato dal vento sulla
superficie del mare
50 Hz ÷ 5 kHz
Moto di pesci
Vocalizzazioni di mammiferi
<10 Hz ÷ > 200 kHz
marini
1 ÷ 10 kHz
Air-guns sismico
<1 kHz ÷ 10 kHz
Sonar militari
10 ÷ 15 kHz
>10 kHz
Pioggia
Sonar militari e civili
Bolle
0.5 ÷ 100 kHz
2 ÷ 100 kHz
e
spruzzi
generati
dall’infrangersi delle onde
Schiocchi di gamberetti
Sistemi di misure per
10 kHz ÷ 100 kHz
oceanografia,
Sonar per la pesca
Agitazione termica delle
~ 100 kHz
molecole di acqua
Clicks di ecolocalizzazione di
delfini,
> 100 kHz
Sonar oceanografici,
Strumenti per pesca d’altura,
Cacciamine (Mine hunting),
Fish finders
Spostamento di sedimenti sul
1 ÷ 200 kHz
fondo oceanico
Tabella 2.1 Range di frequenze per le varie fonti di rumore sia essi rumori di tipo impulsivo che di
tipo continuo
Una ulteriore suddivisione in funzione della frequenza è quella tra: rumore rosa e
rumore bianco. Il rumore rosa o rumore 1/f è un rumore in cui le componenti a bassa
39
CAPITOLO 2
frequenza hanno potenza maggiore. Invece il rumore bianco è un rumore di
ampiezza costante su tutto lo spettro di frequenze, cioè presenta uno spettro “piatto”
su tutto l'intervallo di frequenze considerato (la potenza è uguale per qualsiasi
frequenza).
Il rumore del mare è mediamente rumore rosa. Nei prossimi paragrafi descriveremo
più in dettaglio le varie sorgenti di rumore distinguendole in tre gruppi: di natura
antropica, di natura meteorologica e di natura biologica. Quest’ultimo, di particolare
interesse per questa tesi è principalmente prodotto dai cetacei. Nel seguito del
capitolo descriveremo i rumori prodotti dai cetacei che popolano il Mar
Mediterraneo.
2.2
Rumore antropico
Il suono rappresenta un’importate strumento di indagine per molte attività svolte
dall’uomo in mare: pesca, navigazione, esplorazioni petrolifere, esplorazioni
sismiche e oceanografiche. Gli strumenti utilizzati per lo svolgimento di queste
attività generano suoni nell’ambiente marino e costituiscono oggi una importante
componente di tutto il rumore di fondo sottomarino. Le sorgenti acustiche utilizzate
dall’uomo hanno una grande variabilità sia nel tempo che nello spazio, e possono
essere raggruppati in sei categorie principali: traffico navale, indagini sismiche,
sonar, esplosioni, attività industriali, e sorgenti varie.
Il traffico navale non è uniformemente distribuito in tutti i mari, le sue maggiori vie
sono lungo rotte vicino la costa. A basse frequenze tra 5 e 500 Hz, esso costituisce la
maggiore fonte di rumore nel mondo oceanico e molte aree geografiche risultano
fortemente influenzate da esso. La maggior parte del traffico è costituito dai maggiori
porti (New York, Rotterdam, Amburgo), e da un centinaio di porti minori che
contribuiscono al traffico quotidiano in mare aperto. Altre imbarcazioni possono
trovarsi distribuite in ampie aree fuori dai porti e dalle tipiche rotte seguite dalle navi.
Questi includono attività militari (flotte di esercitazione), navi da pesca, navi di
ricerche scientifiche (che si trovano in luoghi ben definiti e hanno una durata nel
40
CAPITOLO 2
tempo definita dalle misure da effettuare), e navi turistiche tipicamente lungo la
costa. Il contributo delle navi turistiche al background sottomarino non è ancora
quantificato. Fortunatamente molte di queste attività navali hanno luogo in acque
costiere basse, ambienti che risultano inabitati da molte specie di mammiferi marini.
A bassa frequenza il rumore emesso dalle navi è prodotto soprattutto dalle eliche, dai
motori diesel, dai beveraggi e dai generatori elettrici. I picchi più elevati sono
prodotti dalla rotazione e dalla vibrazione dei motori diesel, generatori elettrici,
pompe, impianti di ventilazione e impianti idraulici. Per le indagini sismiche
vengono utilizzati strumenti che sfruttano le riflessioni delle onde sonore sul fondo
marino, al fine di analizzare la struttura geologica al di sotto del fondo oceanico. Tali
indagini sono utilizzate sia nel campo della ricerca sia in quello dell’industria
petrolifera e mineraria, per ottenere informazioni su possibili giacimenti al di sotto
del fondo oceanico, per profondità oltre i 10 km. Uno degli strumenti maggiormente
utilizzati in questo tipo di attività sono gli array di air-guns. Essi hanno sostituito le
cariche di esplosivi che prima venivano utilizzate come sorgenti, anche se gli
esplosivi sepolti in buche sul fondo marino sono ancora usati per acquisire dati in
acque poco profonde (meno di 4 metri). Gli air-guns sono sostanzialmente dei
cannoni ad aria compressa che rilasciano improvvisamente un volume di aria
compressa, creano un’onda di pressione sonora che è capace di propagarsi per alcuni
metri nel fondo marino; lo studio dell’onda riflessa alle varie profondità permette di
determinare la struttura del fondo marino. La pressione acustica che fuoriesce da un
array di air-guns è direttamente proporzionale alla pressione operativa, direttamente
proporzionale al numero di air-guns (ammesso che siano tutti uguali), e
proporzionale alla radice cubica del volume d’acqua compresso. Nelle condizioni di
far-field R>>λ la fase del fronte d’onda è funzione delle dimensioni dell’array, del
gradiente della velocità del suono in acqua, e della frequenza della sorgente. Il picco
di ampiezza di un array di air-gun è di circa 240 dB re 1 µPa (RMS) a 1 m nel range
di frequenza tra 5-300 Hz.
Indagini sul fondo oceanico vengono effettuate anche utilizzando dei sonar. I Sonar,
acronimo di sound navigation and ranging tecnology, sono sistemi che usano
l’energia acustica per localizzare e caratterizzare alcune proprietà fisiche degli
41
CAPITOLO 2
oggetti in mare analizzando la riflessione dell’onda sul bersaglio. La distanza
dall’oggetto o dal fondo del mare è calcolata misurando il tempo che intercorre tra
l’invio del segnale e il ritorno del suono (o eco) che viene ricevuto [DOS06]. I
sistemi sonar hanno applicazioni sia in campo militare che civile e vengono suddivisi
in sonar di basse frequenze (1kHz), di medie frequenze (tra 1 e 10 kHz), e di alte
frequenze (>10 kHz). Generalmente, i sistemi complessi militari utilizzano sonar di
tutti i range di frequenza, invece i sistemi civili utilizzano solo le alte frequenze. I
sonar militari operano tipicamente ad un livello di potenza più alto rispetto ai sonar
civili e sono usati per rilevare, localizzare e identificare bersagli ‘ostili’. I sonar a
bassa frequenza sfruttano la caratteristica che il suono di bassa frequenza si propaga
per distanze di decine di km in mare e sono usati per ‘pattugliamento’ e in grandi
aree marine. Sotto particolari condizioni (canale sofar) questi sonar possono
raccogliere informazioni in tutto un bacino oceanico. I sistemi militari a media
frequenza sono sonar tattici, sono progettati per coprire distanze di una decina di
chilometri per la localizzazione esatta e l’inseguimento dei bersagli. Quelli ad alta
frequenza sono armi sia di difesa che di attacco e sono designati per esplorare con
grande risoluzione aree marine comprese tra centinaia di metri e pochi chilometri. I
sonar militari generalmente operano in aree limitate, piccole porzioni rispetto
all’intero oceano. In condizioni ‘normali’ (se non vi sono situazioni di guerra) i suoni
prodotti dalle attrezzature militari sono ben definiti in piccole zone marine e il livello
delle emissioni acustiche è limitato.
Le navi militari utilizzano comunemente segnali acustici anche in altri apparati
sottomarini: per diversi apparati sottomarini per lo scambio di informazioni, come
ricevitori acustici di profondità, come sidescan sonars per mappare il fondo oceanico,
e come vari attivatori acustici di sistemi sottomarini. I sistemi sonar commerciali
invece, sono designati a scopi speciali come la pesca d’altura, l’individuazione di
branchi di pesci, e il rilevamento di ostacoli. Tipicamente, essi operano ad alta
frequenza, e bassa potenza, hanno una risoluzione spaziale buona ma un ristretto
range angolare per l’osservazione, inoltre rispetto ai sonar militari l’impulso è molto
più breve. Essi generalmente operano in una ristretta banda di frequenza compresa
tra 1 e 200 kHz o più, dipendente dal tipo di applicazioni. I livelli di sorgente di
42
CAPITOLO 2
alcuni di questi sonar possono arrivare a valori di 250 dB re 1 µPa a 1 m. Questi
livelli di sorgente sono comunque talmente alti che le performance dei sonar a bassa
profondità sono limitati dalla cavitazione. Gli strumenti per la pesca d’altura e per
l’individuazione dei pesci (fish finders ) sono progettati per focalizzare l’emissione
acustica verso il basso. Un tipico fish finder/echosounder opera a due frequenze, 50
kHz e 200 kHz con una potenza nell’ordine di 1 kW (201 dB re 1 µPa a 1 m). Queste
frequenze risultano troppo alte per essere udite dai pesci; tuttavia, i 50 kHz
certamente cadono dentro il range di udibilità di molte specie di mammiferi marini.
Le sorgenti esplosive producono suoni a banda larga con livello di sorgente molto
alto.
Nell’ultima metà del secolo, le emissioni più intense erano quelle prodotte dalle
esplosioni delle testate nucleari nell’oceano, in atmosfera, e nelle isole oceaniche. Le
esplosioni di ordigni tradizionali (fisicamente piccoli, portatili, e semplici da
posizionare in qualsiasi piattaforma) venivano generalmente usate per ricercare
obiettivi, e fino ad alcuni anni fa erano incorporati nei sistemi militari
antisottomarini. Le esplosioni sono anche usate in mare per la costruzione e nella
rimozione di strutture sottomarine. Nel passato venivano usate come sorgenti per
indagini sismiche, ma al giorno d’oggi questa tecnica è stata soppiantata dall’utilizzo
degli array di air-guns. Tuttavia, una piccola parte dei programmi di ricerche
geofisiche continuano ad utilizzare gli esplosivi. Gli esplosivi più potenti sono anche
usati occasionalmente come armi di affondamento durante le esercitazioni militari.
Altri sorgenti di rumore sono le attività industriali e di costruzione sottomarina. Il
range di frequenza ed ampiezza dei rumori prodotti in queste attività è estremamente
ampio ma usualmente il rumore più intenso è localizzato vicino la costa. I suoni sono
prodotti da attività di trivellazione, dragaggio, cantieristica, operazioni per lo
sbarramento di canali, e in generale di tutte le attività portuali giornaliere. Il rumore
risultante è dato dalla combinazione di tutte queste sorgenti, tutt’oggi è scarsamente
noto e la sua influenza sull’ambiente marino è oggetto di studio [NRC03].
43
CAPITOLO 2
2.3
Sorgenti naturali non biologiche
Il volume d’acqua in cui i suoni si propagano è definito in alto dall’interfaccia ariamare e in basso dal fondo marino. E’ proprio in queste interfacce che si trovano le
maggiori sorgenti di suoni naturali.
La maggior parte dei suoni che vengono prodotti sulla superficie del mare sono
dovuti all’azione del vento e la creazione di onde superficiali. In assenza di rumore
antropico e suoni biologici, l’azione del vento contribuisce al rumore ambientale
sottomarino nella banda di frequenze comprese tra circa 1 Hz e circa 50 kHz. Al di
sotto dei 5-10 Hz la sorgente di rumore dominante è dovuta alla propagazione non
lineare delle onde sulla superficie. Altri suoni in questa banda di frequenze sono
prodotti dalle bolle d’aria che oscillano nella colonna d’acqua. In mare aperto il
rumore prodotto dalle onde che si infrangono dipende direttamente dalla velocità del
vento. Tale rumore aumenta il background medio sottomarino di più di 20 dB fino a
una profondità di centinaia di metri al di sotto della zona superficiale nella banda di
frequenze da 10 Hz a 10 kHz. Le precipitazioni sulla superficie contribuiscono
anch’esse ad aumentare il livello di rumore ambientale nell’oceano. In particolare la
pioggia può aumentare il livello di rumore fino a 35 dB in un ampio range di
frequenze che si estende da poche centinaia di Hz a più di 20 kHz. Altri suoni di
origine atmosferica sono dovuti ai tuoni e ai lampi. Utilizzando dei ricevitori
sottomarini sono state effettuate delle misure del rumore prodotto dai tuoni durante
una tempesta a una distanza di 5-10 km che hanno mostrato dei picchi tra 50 e 250
Hz, 15 dB sopra del livello del background, con componenti in frequenza rivelabili
da10 Hz fino a 1 kHz.
Altri tipi di sorgenti naturali di rumore sono costituite dalle vibrazioni elastiche che
si originano nel fondo marino, cioè sorgenti di origine geologica. L’energia sismica
rilasciata dai terremoti può produrre onde acustiche nell’oceano che percorrono
lunghe distanze. Tutti i tipi di processi tettonici quali lo spreading e gli spostamenti
di faglia lungo le placche oceaniche (associate con i terremoti, i fenomeni vulcanici,
e gli sfoghi idrotermali) avvengono sotto il fondo oceanico e lungo i loro margini.
Tutti questi processi danno un contributo al rumore sottomarino. A corto range, i
44
CAPITOLO 2
suoni sott’acqua creati dai terremoti possono avere contributi anche per frequenze al
di sopra di 100 Hz, il segnale registrato può avere un’ampiezza simile a quella di una
esplosione e può durare da pochi secondi a pochi minuti. Anche il movimenti dei
sedimenti, a causa del flusso delle correnti sul fondo oceanico, può essere una
sorgente significativa di rumore per frequenze da 1 kHz a più di 200 kHz.
Anche la presenza di ghiacci che ricoprono la superficie dell’oceano Artico influenza
il rumore di fondo oceanico. Gli effetti del ricoprimento del ghiaccio sono
determinati dalle proprietà meccaniche del ghiaccio stesso, le quali dipendono dalla
temperatura. La presenza di blocchi di ghiaccio può contribuire significativamente
alla diminuzione del livello del rumore ambientale di 10-20 dB, isolando la colonna
d’acqua dall’effetto diretto dal vento. Un’altra fonte di rumore è la rottura meccanica
dei ghiacci prodotto dal moto ondoso, dallo scontro tra blocchi di ghiaccio ecc. Al
contrario la variazione della temperatura ambiente può causare stress termici nello
strato di ghiaccio il cui risultato è una rottura del ghiaccio rigido: anche la sola
variazione diurna della temperatura dell’aria è sufficiente a far variare il livello del
rumore di 30 dB nel range tra 300 e 500 Hz. La somma del rumore prodotto da questi
meccanismi di fratture appare la principale causa dei picchi a banda larga centrati a
10-20 Hz (con livelli di densità spettrale di circa 90 dB re 1 µPa2/Hz) che appare
nelle misurazioni di rumore ambientale effettuate sotto il ghiaccio. Tuttavia, nella
banda di frequenza da 10 a 200 Hz, il rumore ambientale nell’emisfero boreale è oggi
dominato dal traffico navale. [NRC03].
2.4
Rumore biologico
Nelle profondità oceaniche caratterizzate dall’assenza quasi totale della luce, il suono
è utilizzato dagli organismi più evoluti, e principalmente dai cetacei, come strumento
principale per l’esplorazione dell’ambiente. Praticamente tutti i cetacei usano il
suono come strumento per navigare, comunicare con altri animali, e interagire con
l’ambiente circostante. Le frequenze sonore usate dai cetacei variano dagli infrasuoni
45
CAPITOLO 2
(10 Hz) come i richiami della balenottera azzurra, a frequenze ultrasoniche dei click
della focena comune2 (120 Hz) [IFA04].
In biologia si distinguono due grandi famiglie di cetacei: gli Odontoceti e i Misticeti.
Gli Odontoceti, producono un’ampia varietà di suoni che includono click, fischi e
altri suoni impulsivi caratteristici di ogni specie; tali suoni hanno a seconda della
specie, picchi di energia compresi tra 1 e 200 kHz. Le frequenze costanti o modulate
dei fischi hanno solitamente un range di frequenza tra 1 a 25 kHz, con armoniche
sopra i 100 kHz, invece, i treni di click possono raggiungere frequenze sopra i 100
kHz.
In base ai segnali ultrasonici di ecolocalizzazione emessi, gli Odontoceti vengono
suddivisi in generale in due gruppi acustici: il primo raggruppa animali che emettono
suoni sopra i 100 kHz, e il secondo gruppo, quelli che emettono suoni sotto gli 80
kHz. Del primo gruppo fanno parte i delfini che vivono nei fiumi o vicino le coste, i
cui habitat sono dunque acque con proprietà acustiche complesse. Ad esempio il
delfino delle amazzoni (Inia geoffrensis) che produce segnali sopra i 200 kHz e la
focena comune (Phocoena phocoena) che produce segnali da 110-140 kHz. I segnali
di comunicazione tonali sono raramente osservati nelle specie del primo gruppo.
Gli animali che appartengono al secondo gruppo sono animali che abitano in
ambienti con bassa densità di specie e usano segnali di ecolocalizzazione a bassa
frequenza.
Molti dei fischi degli odontoceti risultano essere una sorta di ‘firme’ cioè di richiami
identificativi dei singoli individui, i suoni impulsivi emessi dalle orche sono specifici
di un gruppo, e i click cosiddetti di coda dei capodogli sono segnali di
comunicazione tra i vari individui.
Il livello sonoro di vocalizzi dei cetacei è di circa 228 dB re 1 µPa a 1 m per i click di
ecolocalizzazione della pseudorca (Pseudorca crassidens) e del tursiope. I vocalizzi
di livello più alto sono attribuiti ai click dei maschi maturi dei capodogli con un
livello di sorgente di 232 dB re 1 µPa a 1 m. I fischi degli odontoceti hanno un
livello di sorgente più basso rispetto a quello dei click di ecolocalizzazione, variano
2
La focena comune (Phocoena phocoena) è una delle sei specie di focena, ed è uno dei più piccoli
mammiferi oceanici del mare.
46
CAPITOLO 2
dai 110 dB re 1 µPa a 1 m della Stenella longirostris, ai 180 dB re 1 µPa a 1 m del
globicefalo (Globicephala macrorhynchus).
I vocalizzi dei Misticeti sono significativamente più bassi in frequenza rispetto a
quelli degli Odontoceti; le frequenze raggiungono raramente i 10 kHz. Segnali
infrasonici (10-20 Hz) sono prodotti da due specie di balene: la balenottera azzurra,
Balaenoptera musculus e la balenottera comune, B. physalus.
I vocalizzi dei Misticeti invece, hanno una potenza tale che sono rivelati a enormi
distanze: la balenottera azzurra (Balaenoptera musculus) e la balenottera comune
(Balaenoptera physalus) producono ‘lamenti’ a basse frequenze (10-25 Hz) con un
livello di sorgente sopra i 190 dB re 1 µPa a 1 m; questi suoni di bassa frequenza si
propagano anche per centinaia di km in mare.
Durante la stagione riproduttiva il contributo dei cetacei al rumore sottomarino
aumenta notevolmente. Si osservano anche delle variazioni diurne, ad esempio i
delfini generalmente vocalizzano maggiormente durante la notte rispetto che di
giorno. Invece, non è stato ancora osservato alcuna dipendenza giorno-notte nel
comportamento vocale dei capodogli.
Un contributo al rumore sottomarino viene anche da pesci e invertebrati. Difatti molti
specie di pesci producono suoni per comunicare e predare. A questi suoni va
aggiunto il rumore prodotto da branchi di pesci in moto. I pesci producono suoni con
svariati meccanismi, ad esempio in molte specie gli animali strofinano il corpo uno
contro l’altro. I suoni prodotti dai pesci sono tipicamente segnali impulsivi con
frequenze sopra 1 kHz. In generale il contributo del suono dei pesci al rumore
oceanico è non noto. Il maggior contributo è dato da quelle specie che stanno in
gruppo, formando un ‘coro’ che è un evento in cui un gran numero di animali
vocalizzano simultaneamente. E’ noto che i ‘cori’ dei pesci aumentano il livello di
rumore ambientale in certe aree e in certe ore del giorno. Inoltre è noto che i cori
ricoprono un ruolo importate nei comportamenti riproduttivi in molte specie ittiche.
Meno riconoscibili come suoni individuali rispetto a quelli dei pesci e dei mammiferi
marini sono i suoni emessi dagli invertebrati marini. Alcuni di queste specie
producono ‘cori’ con una modulazione diurna. I suoni più conosciuti tra le specie di
invertebrati sono gli schiocchi dei gamberetti che mostrano una modesta variabilità
47
CAPITOLO 2
diurna. Difatti, nelle vicinanze delle colonie di gamberetti si sono misurati picchi
nella banda da 2-15 kHz. Recenti studi hanno mostrato che i suoni degli schiocchi di
gamberetto contengono componenti in frequenze oltre i 200 kHz e che gli schiocchi
di singoli individui possono avere un livello di sorgente sopra i 189 dB re 1 µPa a 1
m [NRC03].
Il contributo delle emissioni dei cetacei al rumore di fondo sottomarino è come detto
molto importante. Poiché le misure acustiche oggetto di questa tesi sono state
effettuate a largo del golfo di Catania ad una profondità di 2000 metri (acque
profonde), è importante elencare le varie specie di cetacei che popolano il nostro
mare.
Nella tabella 2.2 elenchiamo le diverse specie dei cetacei che vivono nel Mar
Mediterraneo, la loro distribuzione e le frequenze caratteristiche delle loro emissioni
sonore.[WDCS04] [ACCOBAMS02].
Nome Scientifico
Suoni emessi
Range di Frequenze
Distribuzione nel
(KHz)
Mar Mediterraneo
Balenottera minore
Down sweeps
0.06-0.13
(Balaenoptera
Moans, grunts
0.06-0.14
Avvistamenti
acutorostrata)
Ratchet
0.85-6
occasionali
Sweeps, moans
0.06-0.14
Thump trains
0.1-2
Balenottera boreale
(Balaenoptera
Avvistamenti
Sweeps
1.5-3.5
molto rari
Delfino comune
Whistles
2-18
(Delphinus delphis)
Chirps
8-14
Barks
<0.5-3
Clicks
0.2-150
Balena franca boreale
Call
<0.4
Avvistamenti
(Eubalaena glacialis)
Moan
<0.4
molto rari
Globicefalo
Whistles
1-8
(Globicephala melas)
Clicks
1-18
Echolocation
6-11
borealis)
48
Stazionale
Stazionale
CAPITOLO 2
Grampo
Whistles
1.9-23.7
(Grampus griseus)
Rasps
da 0.1 a >8
Echolocation
65
Stazionale
Clicks
Megattera
Grunts
0.025-1.9
(Megaptera
Horn blasts
0.41-0.42
Avvistamenti
novaeangliae)
Moans
0.02-1.8
molto rari
Pulse trains
0.025-1.25
Whistles
1.5-18
Orca
Click
0.1-35
Avvistamenti
(Orcinus orca)
Scream
2
occasionali
Pulsed calls
0.5-25
Echolocation
12-25
Click
2
Incerta presenza
Echolocation
110-150
storica di tale specie
Focena comune
(Phocoena phocoena)
nel Mar
Mediterraneo
Capodoglio
(Physeter
Click
0.1-30
Ampia distribuzione
Pseudorca
Whistles
1.87-18.1
Avvistamenti
(Pseudorca
Echolocation
25-30
occasionali
crassidens)
Clicks
95-130
Whistles
Da 1.1 a >24
Whistles
0.8-24
Tursiope
Click
0.2-150
(Tursiops truncatus)
Bark
0.2-16
Low frequency
0.05-0.9
Calls
110-130
macrocephalus)
Stenella striata
(Stenella
Ampia distribuzione
coeruleoalba)
Ampia distribuzione
Tabella 2.2 Catalogazione delle diverse specie di cetacei che vivono nel Mar Mediterraneo con la loro
distribuzione sul territorio marittimo, i tipi di suoni da loro emessi e le frequenza a cui emettono.
49
CAPITOLO 2
2.5
Sensibilità uditiva dei cetacei
I cetacei contribuiscono, come descritto in precedenza, al rumore acustico
sottomarino producendo emissioni sonore anche di elevata intensità. Tuttavia
l’aumento del rumore acustico nei mari, soprattutto a causa delle emissioni di origine
antropica può produrre seri disturbi a queste specie. E’ infatti dimostrato che alcuni
spiaggiamenti di cetacei sono avvenuti in coincidenza con esercitazioni navali
militari. Tuttavia la correlazione tra l’aumento del rumore medio del mare ed il
comportamento dei cetacei è ancora oggetto di studio. Un parametro fondamentale
per valutare i disturbi prodotti dal rumore acustico sui mammiferi marini è la
sensibilità uditiva definita come l’ampiezza sonora minima udibile dall’animale ad
una data frequenza. Tale parametro dipende dalla specie e dall’età dell’individuo.
In figura 2.1 è mostrata la soglia di udibilità media per tre gruppi di mammiferi
marini: Odontoceti, Misticeti e Pinnipedi (foche, leoni marini ecc.).
I punti più bassi di ogni curva indicano le frequenze a cui gli animali hanno maggiore
sensibilità uditiva.
Figura 2.1 Sensibilità uditiva per tre gruppi di mammiferi marini: Odontoceti, Misticeti e
Pinnipedi.
50
CAPITOLO 2
Il grafico mostra che gli Odontoceti ‘sentono’ meglio le alte frequenze (10-50
kHz), al contrario i Misticeti hanno adattato il loro udito alle basse frequenze data
la loro struttura anatomica e le loro caratteristiche frequenze di emissione. I
Pinnipedi invece, hanno un range uditivo simile a quello degli odontoceti ma
generalmente vivendo anche in superficie hanno un udito meno sensibile
[DOSITS06]. Per i cetacei la soglia di disturbo è circa 120 dB, la soglia di danno
transitorio è circa 150-160 dB e la soglia di danno permanente è 170-180 dB.
Questi valori variano da specie a specie, ed occorre ricordare che, come per
l’uomo il danno acustico è anche funzione del tempo di esposizione al disturbo.
51
LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE
CAPITOLO 3
CAPITOLO 3
LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA:
Oν
νDE
3.1
NEMO-Fase1: Test Site
Dal 1998 una collaborazione di fisici italiani dell’Istituto Nazionale di Fisica
Nucleare, in collaborazione con gli istituti scientifici specializzati in oceanografia,
geofisica e biologia marina (Osservatorio Geofisico Sperimentale di Trieste, Istituto
per l’Oceanografia Fisica del CNR di La Spezia, Istituto Talassografico del CNR di
Messina, Istituto di Biologia del Mare del CNR di Venezia) ha iniziato un
programma di ricerche denominato NEMO (Neutrino Mediterranean Observatory)
[NEMO] per la realizzazione di un rivelatore Cherenkov sottomarino di neutrini di
altissima energia denominato km3. Il progetto NEMO si è anche avvalso di una
fattiva collaborazione della Marina Militale italiana ed de SACLANTCen, il centro
di ricerche scientifiche sottomarine della NATO. La Collaborazione con gli enti di
ricerca oceanografica è stata rivolta all’identificazione e caratterizzazione, sulla base
delle proprietà oceanografiche ed ottiche, di un sito sottomarino abissale adatto
all’istallazione del km3. E’ stato individuato un sito ottimale a largo delle coste della
Sicilia, 100 km a Sud Est di Capo Passero a 3500 m di profondità [RIC07].
Gli studi effettuati dalle collaborazioni dimostrano che il rivelatore proposto da
NEMO, formato da un array di circa 6000 fotomoltiplicatori, disposti in 81 strutture
semi-rigide a “torre”, localizzato nel sito di Capo Passero, potrà essere capace di
individuare intense sorgenti Galattiche di neutrini, come le microquasar, in circa un
52
CAPITOLO 3
anno di acquisizione [DIS07]. Il km3 sarà, oltre che un telescopio per neutrini di alta
energia, un grande laboratorio interdisciplinare sottomarino che includerà, numerosi
altri osservatori per studi geologici, oceanografici e biologici.
Nell’ambito del progetto NEMO sono state sviluppate soluzioni tecnologiche per la
realizzazione delle strutture meccaniche e dell’elettronica per il km3. Al fine di
testare e validare le soluzioni proposte, l’INFN ha realizzato il progetto NEMO fase
1, cioè l’istallazione di un prototipo del futuro telescopio km3 presso un sito
sottomarino di test, denominato Test Site, situato ad una profondità di 2000 m a circa
25 km ad Est a largo del porto di Catania.
Il Test Site consiste di infrastrutture logistiche: un laboratorio di terra realizzato
all’interno del porto di Catania dai Laboratori Nazionali del Sud (LNS) ed una
connessione sottomarina tramite cavo elettro-ottico che connette il laboratorio di
terra con la stazione sottomarina.
Il cavo sottomarino, steso in mare nel corso del 2001, è un cavo elettro-ottico per
telecomunicazioni di uso commerciale e consta di 10 fibre ottiche e 6 conduttori
elettrici. A circa 20 km Est dalla costa il cavo si biforca in due diramazioni, lunghe 5
km ognuna, che si dirigono rispettivamente a Nord-Est e Sud-Est rispetto al porto di
Catania.
La terminazione Sud indicata con TSS (Test Site Sud), connessa tramite 6 fibre e 4
connettori, è stata utilizzata dalla collaborazione per l’istallazione di NEMO fase 1
terminata con successo il 17 dicembre 2006. Il NEMO fase 1 è costituito dagli stessi
elementi base che verranno impiegati per il definitivo telescopio per neutrini, cioè:
un telaio che alloggia i connettori elettro-ottici del cavo principale, una junction box
per la trasformazione della potenza elettrica e la distribuzione dei servizi elettroottici, il sistema di cavi e connessioni sottomarine e la cosiddetta mini-torre, ossia
una torre alla NEMO equipaggiata con solo 4 piani (anziché i 18 previsti nel progetto
NEMO fase 1) realizzati con tralicci in alluminio che alloggiano 16 moduli ottici (4
per piano).
Il telaio (frame) sottomarino è stato installato nel mese di Gennaio del 2005 ed, in
attesa del completamento di NEMO fase 1, è stato equipaggiato con sensori acustici
per monitorare e misurar il rumore di fondo acustico ad alte profondità. Tale
53
CAPITOLO 3
esperimento, che verrà descritto in dettaglio successivamente, ha preso il nome di
OνDE (Ocean Noise Detection Experiment) ed è stato attivo fino a dicembre 2006,
quando è stato disconnesso per far posto all’istallazione di
NEMO fase 1. I dati
registrati da OνDE hanno permesso di ottenere informazioni fondamentali per lo
sviluppo di nuovi sensori acustici per applicazioni nella ricerca astrofisica mirata a
realizzare un rivelatore sottomarino per neutrini che utilizzi, come tecnica di
rivelazione, la tecnica acustica. I dati inoltre sono stati analizzati per studiare la
presenza e il comportamento dei cetacei nel Mar Mediterraneo [CIBRAw].
La terminazione Nord indicata con TSN (Test Site Nord) è connessa a terra da 4 fibre
e 2 conduttori. A questa seconda terminazione, nel corso della stessa campagna del
gennaio 2005, è stata installata la stazione geosismica ed oceanografica GEOSTAR
SN-1 dell’INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia), primo sito della
rete ESONET (European Seafloor Observatory NETwork) [ESONETw] per il
monitoraggio ambientale e geofisico europeo, all’interno del programma GMES
(Global Monitoring for Environment and Security) [GMESw].
I figura 3.1 viene mostrato uno schema della stazione di terra, il cavo elettro-ottico
tramite cui avviene la connessione sottomarina e le due terminazioni.
SN-1
5 km e.o. cable
3 km Double
Armed Cable
BU
20 km Single
Armed Cable
5 km e.o. cable
NEMO mini-tower
(4 floors)
Cable end,
frame and
Oν
νDE
Junction Box
NEMO Phase 1
Lab
Figura 3.1 Schema di NEMO Fase-1.
54
3.2
CAPITOLO 3
La stazione acustica Oν
νDE
OνDE (Ocean noise Detection Experiment) è stata la prima stazione di monitoraggio
acustico real-time di uso esclusivamente scientifico installata a grande profondità nel
Mediterraneo. La stazione ha permesso di effettuare il monitoraggio del rumore
acustico sottomarino inviando a terra dati 24h/24h per due anni dal Gennaio 2005
fino al Novembre 2006. L’esperimento OνDE è nato dall’idea di equipaggiare un
rivelatore per neutrini ‘km3’ basato su tecnica Cherenkov (tipo NEMO) con sensori
acustici che consentano di esplorare regioni di energia (Eν>1018 eV) inaccessibili ai
telescopi Cherenkov km3. I neutrini con energie di Eν>1018 eV depositano a seguito
di una interazione debole di corrente carica con l’acqua, circa il 10% della loro
energia, producendo uno sciame di particelle che si propagano in acqua riscaldandola
e generando un’onda acustica la cui intensità è di circa 10 mPa per un neutrino di
1020 eV ad 1 km di distanza. Poiché a differenza della luce, il suono si propaga in
acqua per distanze maggiori di un km, è possibile immaginare di realizzare un
rivelatore con un numero limitato (~1000) di sensori acustici disposti in un volume
d’acqua di 10 km3 o più. Ma la possibilità di utilizzare questo metodo e la sua
efficienza dipendono fortemente dall’intensità del rumore di fondo sottomarino,
prodotto soprattutto dall’uomo, dai cetacei e da altre specie animali, dal vento e
dalle onde.
La conoscenza di tale parametro è necessaria per condurre uno studio di fattibilità su
un rivelatore acustico sottomarino. A grandi profondità (>1500 m) in letteratura non
vi sono informazioni sufficienti a causa delle difficoltà tecnologiche dell’impresa.
Gli ambienti marini profondi sono infatti estremamente ostili. La pressione aumenta
di 1 bar ogni 10 m di profondità (circa 200 bar a 2000 m) ed i sali disciolti in mare
causano la corrosione della maggior parte dei materiali utilizzati in applicazioni di
superficie. Quindi, la scelta dei componenti utilizzati deve essere estremamente
accurata per garantire il corretto funzionamento degli apparati durante tutto il periodo
di lavoro. Inoltre dati i costi e la difficoltà di eseguire recuperi di strutture deposte in
mare a grande profondità, tutta l’elettronica sottomarina utilizzata deve essere in
55
CAPITOLO 3
grado di funzionare costantemente per tempi scala di dieci anni senza poter effettuare
alcuna manutenzione né sostituzione.
Infine una misura accurata del rumore di fondo su larga scala temporale necessita
una elettronica di basso rumore, alimentata da terra e che permetta di spedire i dati a
terra a una grande banda di trasmissione. E’ necessario quindi che vi sia un
collegamento elettro-ottico verso terra, come nel caso del Test-Site. Per questo
motivo la Collaborazione NEMO ha deciso di realizzare ed installare nella stazione
sottomarina a 2000 m di profondità, in concomitanza con la posa del telaio TSS, un
apparato per la misura del rumore acustico. Questa stazione ha avuto inoltre,
un’importante valenza interdisciplinare perché ha permesso di registrare ed
identificare le emissioni acustiche dei mammiferi marini che vivono nel Golfo di
Catania o che vi passano attraverso durante i loro movimenti stagionali all’interno
del bacino del Mediterraneo [SCI07]. Difatti OνDE ha permesso ai biologi del
Centro
Interdisciplinare
di
Bioacustica
e
Ricerche
Ambientali
(CIBRA)
dell’Università di Pavia di studiare le emissioni acustiche dei capodogli e di
registrare in questo modo il passaggio di circa un esemplare ogni due giorni per un
periodo di un anno e mezzo. Questo, ha permesso di contare circa un centinaio di
esemplari nel Mediterraneo e non solo poche decine, come era stato evidenziato da
una indagine svolta nel 2003 nel Mar Ionio e nello stretto di Messina [Lewis et al.].
Inoltre lo sviluppo di opportuni algoritmi di analisi, permetterà di incrementare la
capacità di identificazione delle sorgenti acustiche ed effettuarne il tracciamento dei
movimenti, al fine di studiare le rotte dei capodogli all’interno dell’area geografica
monitorata.
La stazione OνDE è equipaggiata con quattro idrofoni per alta profondità che
lavorano su un intervallo di frequenze compreso tra 30 Hz e 40kHz. I segnali che
giungono a ciascun idrofono vengono inviati ad un preamplificatore ad alta
impedenza d’ingresso, che amplifica il segnale analogico ricevuto di 20 dB, e quindi
inviati attraverso un buffer ed un trasformatore d’isolamento (utilizzato per isolare
galvanicamente gli idrofoni dall’elettronica di acquisizione) a due schede di
conversione analogico-digitale (ADC) ad alta risoluzione comunemente utilizzate per
56
CAPITOLO 3
applicazioni audio professionali. Queste schede sono di tipo stereo, pertanto ogni
ADC è in grado di digitalizzare i segnali provenienti da una coppia di idrofoni. Le
due coppie di idrofoni differiscono per il diverso intervallo di frequenze per cui sono
ottimizzate. In particolare due canali (denotati H1 e H3) hanno larga banda
d’ingresso (30 Hz ÷ 40 kHz), mentre i preamplificatori dell’altra coppia di idrofoni
(H2-H4) sono stati modificati applicando un filtro passa alto ad 1 kHz. Al fine di
avere una dinamica molto ampia (in grado di rivelare sia eventuali segnali di
neutrino, sia i segnali, di ampiezza ben maggiore, originati dalle navi, dalla
strumentazione per misure sismiche, dagli animali e dal moto ondoso) il sistema di
acquisizione è stato progettato utilizzando un front-end analogico-digitale a basso
rumore, scegliendo di adottare un sistema di conversione con risoluzione (nominale
di 24 bit) di circa 120 dB. Inoltre gli ADC scelti hanno frequenza di campionamento
di 96 kHz; ciò permette, in linea teorica, di campionare senza perdita di informazioni
tutti i segnali che occupano una banda inferiore a 48 kHz, e tra questi i segnali di
neutrino attesi.
I segnali digitali in uscita dalle 2 schede ADC vengono inviati a 2 modem elettroottici che convertono i segnali elettrici in segnali ottici, e permettono la trasmissione
del flusso di dati su una fibra ottica dedicata fino al laboratorio di terra. Nel
laboratorio di terra, i segnali ottici vengono riconvertiti in elettrici da 2 modem
ricevitori ed inviati ad un PC equipaggiato con una coppia di schede di acquisizione
dati audio professionali, quindi visualizzati e registrati su hard disk.
57
CAPITOLO 3
Figura 3.2 Schema della catena elettronica di acquisizione dai dalla staizone OνDE
Il laboratorio di terra ospita anche il sistema di alimentazione che fornisce la potenza
elettrica necessaria alla stazione. La potenza viene trasportata utilizzando una coppia
di conduttori del cavo sottomarino del TSS e quindi trasformata opportunamente
dall’elettronica di potenza installata nella stazione sottomarina per alimentare i vari
utilizzatori.
La stazione sottomarina è anche equipaggiata con una bussola-tiltmetro per misurare
l’orientamento assoluto degli idrofoni. Questa scheda trasferisce dati e riceve
comandi utilizzando un protocollo seriale RS232. Tale flusso bidirezionale viene
trasmesso alla stazione di terra e viceversa, tramite una coppia di transceiver elettroottici.
Nei prossimi paragrafi verrà descritta più in dettaglio la stazione che può essere
raggruppata in tre elementi fondamentali: 1) i quattro contenitori metallici che
alloggiano i sensori acustici (idrofoni) ed i preamplificatori; 2) una sfera in vetro
resistente alla pressione contenente i trasformatori di potenza, l’elettronica di
acquisizione e trasmissione dati e l’elettronica per il controllo dei parametri
58
CAPITOLO 3
ambientali; 3) la stazione di terra che ospita il sistema di alimentazione, l’elettronica
di acquisizione e analisi dei dati a terra.
3.3 Meccanica della stazione
In questo paragrafo viene descritta la struttura meccanica della stazione sottomarina
OνDE. E’ possibile osservare, dalla figura 3.3, le due parti meccaniche della stazione
sottomarina, montati sulla parte superiore del telaio (o frame) TSS: un guscio in
arancione contenente la sfera di vetro borosilicato per alta profondità avente un
diametro di circa 44 cm [NAUTw], che alloggia l’elettronica di distribuzione della
potenza, e l’elettronica di digitalizzazione e trasmissione dati; ed i quattro contenitori
di forma cilindrica di 12 cm di lunghezza e circa 9 di diametro, realizzati in lega di
alluminio (Al 7075) che alloggiano i sensori acustici (idrofoni), i preamplificatori e i
trasformatori di isolamento.
H1
H4
H3
H2
Figura 3.3 Sulla sinistra: la stazione acustica montata sul frame TSS. L’immagine mostra in
primo piano i due connettori ROV-operabili per la connessione al cavo elettro-ottico
principale. Il contenitore arancione è in materiale plastico e serve a proteggere la sfera in
vetro borosilicato e facilita il suo ancoraggio alla struttura di supporto.
Sulla destra: Posizioni dai 4 idrofoni sul telaio TSS.
59
CAPITOLO 3
La sfera contenente l’elettronica è una boa in vetro borosilicato per alte profondità
realizzata con un processo di fusione, che favorisce l’isotropia delle tensioni interne e
ne consente l’utilizzo fino a profondità di ~ 6000 m, ed escursioni termiche di
diverse decine di Kelvin. Essa è costituita da due metà in modo da permettere un
agevole montaggio dell’elettronica al suo interno. Prima della messa in mare le due
semisfere vengono chiuse applicando una leggera depressione (-200 mbar rispetto
alla pressione atmosferica) in atmosfera d’azoto, e quindi sigillate. Inoltre per
proteggere la sfera da eventuali urti e permettere un facile montaggio sul telaio essa è
stata racchiusa in un contenitore in plastica anti-urto di colore arancione, come è ben
visibile dalla figura 3.3. Sulla parte inferiore della sfera sono installati 4 connettori
elettrici multipolari per alta profondità, che consentono le connessioni verso i
contenitori degli idrofoni, ed un connettore elettro-ottico a cui è stato attaccato il
cavo elettro-ottico che permette il collegamento tra la sfera ed un connettore elettroottico ROV-operabile montato sul telaio TSS (attualmente utilizzati per la
connessione del progetto NEMO Fase 1).
I quattro cilindri contenenti gli idrofoni, i preamplificatori e i trasformatori di
isolamento sono contenitori resistenti alla pressione, rivestiti con resina poliuretanica
per ridurre gli effetti della corrosione e chiusi alle due estremità da flange
troncoconiche con un angolo di 45°, in modo da rendere semplice l’installazione del
corpo metallico dell’idrofono al frame e minimizzare gli effetti d’interferenza e
diffrazione dell’onda acustica dal contenitore verso l’idrofono. Su una delle flange è
montato l’idrofono. Sull’altra flangia è stato realizzato un penetratore a tenuta di
pressione per il cavo sottomarino che connette il contenitore con la sfera (figura 3.4).
60
CAPITOLO 3
Figura 3.4 A sinistra: il contenitore cilindrico in alluminio che alloggia l’idrofono, il
preaplificatore e il trasformatore d’isolamento. Nella stessa in basso, al centro, si nota
il penetratore realizzato con opportune resine epossidiche.
A destra: il contenitore rivestito con una vernice poliuretanica per ridurre l’effetto della
corrosione. Inoltre sono mostrati i sistemi di aggancio del contenitore al frame. E’
possibile notare una delle maglie di colore blu che consentiranno al ROV di sganciare
la strumentazione dal frame e riportarla in superficie.
Gli idrofoni sono stati denominati con le sigle H1, H2, H3, ed H4 e sono disposti ai
vertici di un tetraedro di lato 1 m (figura 3.3), agganciati al frame in modo che la
parte sensibile dell’idrofono sia rivolta verso l’alto, così da sfruttare al meglio le
caratteristiche di direzionalità del rivelatore. In particolare gli idrofoni H1, H2 e H4
giacciono sullo stesso piano e sono installati ad un’altezza dalla base del telaio di 2.6
m, mentre l’idrofono H3 si trova nel vertice superiore del tetraedro ad un’altezza di
circa 3.2 m dal fondo del mare. Tale disposizione, è studiata per poter calcolare la
differenza dei tempi di arrivo di segnali sui quattro sensori e quindi poter ricostruire
la posizione delle sorgenti acustiche sottomarine mediante il calcolo del TDOA
(Time Difference Of Arrival).
I sistema di agganci meccanici che connettono la stazione al telaio sono realizzate in
materiale
inerte
(polietilene
e
vetroresina),
in
modo
da
disaccoppiare
meccanicamente e galvanicamente i contenitori degli idrofoni e la sfera dal telaio.
Gli agganci sono stati progettati e realizzati appositamente dalla collaborazione
NEMO in modo da consentire, una volta conclusa l’attività della stazione, un
semplice distacco dal telaio utilizzando un opportuno robot sottomarino ROV
(Remote Operatine Vehicle), cioè un batiscafo per alte profondità guidato da bordo
di una nave appoggio tramite un cavo ombelicale.
61
CAPITOLO 3
La stazione sottomarina OνDE è stata montata sul telaio (o frame) TSS in modo da
eseguire in un’unica operazione la posa del telaio e la messa in mare della stazione di
misura. Il telaio TSS è realizzato con tubolari in titanio per ottenere la rigidità, la
resistenza alla corrosione dell’acqua marina, e la leggerezza necessaria per facilitare
le operazioni di posa. La posizione e l’orientamento assoluto della stazione, sul
fondo del mare, sono state determinate tramite i dati inviati dalla scheda EZCompass-3 (prodotta dalla Advanced Orientation Systems, Inc) alloggiata all’interno
della sfera e dotata di due inclinometri e di una bussola. Inoltre tale scheda è
equipaggiata con un termometro che permette di misurare la temperatura media di
lavoro dell’elettronica.
3.4
Idrofoni e Preamplificatori
Gli idrofoni scelti per la realizzazione di OνDE sono di tipo piezoelettrico con
un’ottima sensibilità nella banda di frequenze 0.01÷40 kHz e basso noise intrinseco.
Essi sono stati realizzati e modificati appositamente per la collaborazione NEMO,
dalla ditta RESON, la quale ha modificato il modello TC4037 commerciale [RESw]
nella produzione ‘custom’ TC4042-C, capace di resistere ad una profondità di 2500
m. Gli idrofoni piezoelettrici, utilizzati per le applicazioni sottomarine, presentano al
loro interno una membrana che, messa in vibrazione dall’onda acustica, genera un
segnale elettrico. Inoltre, per evitare il contatto diretto con l’acqua marina, il sensore
piezoelettrico è protetto da un involucro in gomma (figura 3.5).
62
CAPITOLO 3
Figura 3.5 Idrofono RESON modello TC4037-C, utilizzato nell’esperimento
OνDE. Il sensore (compreso il corpo metallico) è lungo circa 5 cm
I segnali che giungono all’idrofono vengono inviati ad un preamplificatore con un
basso rumore elettrico, realizzato appositamente dalla ditta RESON, che amplifica il
segnale in ingresso di 20 dB. In uscita dal preamplificatore, il segnale dell’idrofono è
inviato ad un trasformatore di isolamento di linea modello JENSEN JT-69-HMX
[JENw] (figura 3.7), alloggiato nel cilindro di alluminio (figura 3.6) che pilota una
linea bilanciata di segnale che connette l’elettronica di front-end degli idrofoni con la
sfera ed isola galvanicamete la catena elettronica verso terra.
Figura 3.6 Il sistema idrofono-preamplificatore-trasformatore d’isolamento (montato sotto il
preamplificatore). I componenti elettronici sono protetti da un contenitore cilindrico in lega
d’alluminio. Si possono osservare 4 cavi elettrici twistati: una coppia viene utilizzata per
alimentare il preamplificatore (12 VDC) l’altra trasporta il segnale analogico (il segnale
trasmesso è differenziale).
63
CAPITOLO 3
Al termine della linea, all’interno della sfera, è posto un altro trasformatore di
isolamento di linea modello JENSEN JT-11SSP-8MA [JENw] (figura 3.7). La
coppia di trasformatori (figura 3.7) funge da adattatore della linea di trasmissione di
segnale, da isolatore galvanico della linea, utile in caso di ingresso d’acqua nel
contenitore dell’idrofono.
Figura 3.7 Trasformatori di isolamento di linea: modello JENSEN JT-11SSP-8MA
sulla sinistra, sulla destra modello JENSEN JT-69-HMX.
Utilizzati per
l’accoppiamento di linea di bassa frequenza tra il contenitore degli idrofoni e la sfera
in vetro borosilicato
Gli idrofoni H1,H2 ed H3 istallati sulla stazione OνDE sono della serie TC4042-C,
invece H4 è della serie TC40371. Gli idrofoni TC4042-C sono caratterizzati da una
risposta lineare con l’ampiezza dell’onda incidente. Inoltre sono sensori
omnidirezionali, caratteristica importante per la misura del rumore di fondo, essendo
quest’ultimo sostanzialmente isotropo. Ricordando che i neutrini non hanno
direzione d’incidenza privilegiata, questa risulta una caratteristica fondamentale per
l’acquisizione di segnali prodotti da essi. Gli idrofoni ed i loro preamplificatori,
come detto prima, sono stati scelti con basso rumore elettrico in modo da poter
apprezzare deboli segnali acustici di fondo ambientale da confrontare con i segnali
provenienti dai neutrini. Riportiamo in tabella 3.1 le caratteristiche principali
1
Questa scelta è stata necessaria a causa di un malfunzionamento del sensore selezionato, dopo uno
dei test in pressione dell’apparato condotti a terra. Quest’ultimo idrofono ha una sensibilità inferiore
rispetto ai TC4042-C, inoltre, la casa produttrice non ha fornito alcuna curva di calibrazione.
64
CAPITOLO 3
dell’idrofono TC4042-C, in figura 3.8 la curva di direttività sui due piani orizzontale
e verticale. Il grafico della direttività sul piano verticale mostra, intorno all’angolo di
180°, un andamento piuttosto frastagliato causato dalle interferenze acustiche che si
manifestano sul supporto metallico dell’idrofono. Invece, sul piano orizzontale la una
configurazione sferica garantisce una quasi perfetta omnidirezionalità.
Range di frequenza utilizzabile:
Range di frequenza lineare:
Sensibilità nominale di
ricezione:
Direttività orizzontale:
1 Hz-100 kHz
1 Hz to 50 kHz -193 dB +2/-4 dB
Direttività verticale:
270° (±3 dB at 40 kHz)
Profondità di lavoro:
Profondità massima
raggiungibile:
Range di temperatura:
2000 m
Materiale per incapsulamento:
Struttura mettallica:
Chloroprene
Alluminio
Peso in aria:
86 g
-193dB ±1,5 re 1V/µPa at 250 Hz
Omnidirezionale (±2dB at 40 kHz)
2500 m
-2° a +55° Celsius
Tabella 3.1 Caratteristiche tecniche dell’idrofono RESON serie TC4042-C
Figura 3.8 Diagramma polare (dB vs angolo) della risposta dell’idrofono alla frequenza di
40 kHz. I due grafici mostrano la direttività rispettivamente nel piano verticale ed
orizzontale dell’idrofono. Sul piano verticale la sensibilità diminuisce in prossimità del
connettore di uscita (180°). Sul piano orizzontale la configurazione sferica del sensore
garantisce una quasi perfetta omnidirezionalità.
65
CAPITOLO 3
In figura 3.9 riportiamo il grafico della sensibilità nominale dell’idrofono TC4042-C
in unità di dB riferiti a 1 V/µPa, in funzione della frequenza. E’ possibile osservare
che nell’intervallo di frequenze 5 kHz ÷ 40 kHz la risposta dell’ idrofono è lineare e
pari a – 193± 3dB re 1 V/µPa2.
Figura 3.9 Sensibilità di ricezione (RS) nominale dell’idrofono TC4042-C in dB re
1V/µPa in funzione della frequenza. La risposta è circa costante (± 3 dB) fino alla
frequenza di circa 50 kHz.
Considerando l’interesse rivolto dalla collaborazione NEMO relativo alla rilevazione
del rumore acustico per studi di neutrino-astronomia si è scelto di modificare i due
premplificatori della coppia di idrofoni H2-H4 per filtrare i segnali di frequenza
inferiore ad 1 kHz. Tale scelta è stata effettuata per filtrare la maggior parte del
rumore acustico sottomarino non perfettamente noto ma che ha, da letteratura,
frequenze inferiori a 1 kHz. Però si è preferito mantenere una coppia di idrofoni a
“larga banda” per poter confrontare i dati della stazione OνDE con i (pochi) dati
bibliografici, che riportano soprattutto i valori di rumore acustico sottomarino a bassa
frequenza di interesse per gli studi geofisici e sismologici.
2
Come vedremo nel capitolo 4 gli idrofoni a noi forniti dalla casa costruttrice hanno una sensibilità
media di –195 dB re 1 V/µPa.
66
3.5
CAPITOLO 3
Le schede ADC
Come accennato in precedenza, in uscita dal preamplificatore, il segnale analogico
acquisito dall’idrofono è inviato ad un trasformatore di isolamento di linea modello
JENSEN JT-69-HMX (figura 3.7), alloggiato nel cilindro di alluminio. Ognuno di
questi segnali viaggia tramite un sistema di cavi e connettori sottomarini verso
l’elettronica di front-end posta all’interno della sfera. Qui i segnali, vengono raccolti
da altri quattro trasformatori di isolamento di linea modello JENSEN JT-11SSP8MA [JENw] e due schede ADC stereo che convertono il segnale in tensione in
uscita dagli idrofoni (segnale analogico) in un segnale digitale. La digitalizzazione
del segnale avviene attraverso il campionamento e la quantizzazione dell’ampiezza
del segnale campionato. Nella teoria dei segnali, il campionamento è la tecnica che
consiste nel convertire un segnale continuo nel tempo in un segnale discreto,
valutandone l'ampiezza a intervalli di tempo regolari. In pratica esso consiste nel
prelevare dei campioni (samples) di un segnale analogico e continuo nel tempo ogni
∆t secondi, in cui ∆t è l'intervallo di campionamento, mentre Fs = 1 / ∆t è la
frequenza di campionamento cioè il numero di campioni registrati nell’unità di
tempo. Il risultato è un segnale analogico in tempo discreto. A seguito della
successiva operazione di quantizzazione e conversione, è possibile ottenere una serie
di dati digitali (discreti nel tempo e nell'ampiezza) che approssima quella continua
originaria e che quindi è accessibile a qualsiasi elaboratore digitale. La
quantizzazione fa sì che una grandezza continua, composta da infiniti punti, possa
assumere solo un numero finito di valori discreti in modo da essere trasmissibile e
codificabile con un numero finito di bit. Il valore analogico della grandezza fisica
viene innanzitutto limitato tra un massimo e un minimo, che definiscono la dinamica
del quantizzatore; infine, il suo valore viene poi ricondotto al più prossimo di quelli
definiti.
I convertitori A/D utilizzati quantizzano i segnali analogici provenienti dagli idrofoni
con una risoluzione sull’ampiezza del segnale a 24 bit, cioè 224=16.777.216 valori
compresi tra il valore minimo e massimo in ampiezza convertito dall’ADC:
67
CAPITOLO 3
VADCMIN=–2V e VADCMIN=+2V. Ciò è richiesto per poter avere un’ampia dinamica
del quantizzatore, difatti, la catena elettronica deve essere capace di risolvere segnali
di debolissima intensità (confrontabili a quelli prodotti dalle interazioni di neutrino e
prossimi al rumore intrinseco dell’idrofono) e non raggiungere la saturazione, nella
conversione degli intensi segnali di origine biologica prodotti dai cetacei. Tale
dinamica richiesta è prossima a 120 dB, ovvero 6 ordini di grandezza, raggiungibile
solo con convertitori capaci di quantizzare il segnale utilizzando 20 bit reali.
La frequenza di campionamento degli A/D utilizzati per OνDE invece, è pari a 96
kHz. Tale scelta è necessaria poiché gli impulsi acustici attesi dalla interazione di
neutrino con l’acqua, secondo il modello termoacustico [ASK57] [BOW77], cadono
approssimativamente nella banda 1÷40 kHz, quindi richiedono un sistema di
acquisizione con frequenza di campionamento teorica superiore agli 80 kHz. Infatti,
dal teorema del campionamento di Nyquist-Shannon [NYQ28], [SHA49], [WHI15] è
noto che la frequenza di campionamento del convertitore A/D deve superare, con un
certo margine, il doppio della massima frequenza contenuta nello spettro del segnale
da convertire.
Le due schede di conversione A/D usate sono modello CS5396 di tipo sigma-delta
con due ingressi (stereo) per ognuno, prodotte dalla Cirrus Crystal semiconductors
[CRYw], con frequenza di campionamento di 96 kHz, risoluzione nominale di 24 bit
e un range dinamico effettivo di 120 dB. Esse sono alloggiate all’interno di una
scatola di alluminio sinterizzato che assolve anche alla funzione di schermo
elettrostatico installati su due “evaluation board” modello CRYSTAL CDB5396
(figura 3.10)
68
CAPITOLO 3
Figura 3.10 “Evaluation Board” modello CRYSTALL CDB5396 su cui sono montati gli
ADC. All’interno della scatola sulla destra è possibile osservare i 4 trasformatori
d’isolamento JENSEN JT-11SSP-8MA. Il tutto utilizzato nella stazione acustica
sottomarina per acquisire i dati provenientei da ogni coppia di idrofoni.
I segnali digitali in uscita sono codificati nel formato standard audio SPDIF (Sony
Philips Digital InterFace). Inoltre l’utilizzo del protocollo stereo permette di
dimezzare il numero di fibre ottiche da utilizzare per la trasmissione dati. I due
ingressi stereo permettono di campionare contemporaneamente i segnali provenienti
da due idrofoni (coppia H1-H3 o H2-H4) ed inviare il segnale digitale su un’unica
uscita. Nel campionare i segnali degli idrofoni 1 e 3, che vengono convertiti dalla
stessa scheda, l’ADC acquisisce i segnali di due idrofoni contemporaneamente ma,
attraverso una linea di ritardo, l’ADC converte ed invia una parte dello “stream” del
primo canale seguita da una parte dello “stream” del secondo canale, e così via.
Infine, su uno dei due ADC è installato un circuito che produce il clock necessario ai
componenti digitali della scheda. Il ‘clock’ è riportato su entrambe le schede ADC, al
fine di sincronizzare i segnali provenienti dai quattro idrofoni.
Il circuito d’ingresso di ogni ADC è collegato con il preamplificatore buffer del
relativo idrofono, per mezzo di un cavo elettrico che, trasporta sia la corrente di
alimentazione verso il preamplificatore dell’idrofono, sia il segnale di questo. Quindi
l’isolamento galvanico tra la sfera in vetro ed i quattro cilindri di Ergal costituisce un
69
CAPITOLO 3
ulteriore elemento di sicurezza per l’intero apparato. Difatti l’isolamento elettrico
dell’elettronica di tutti gli idrofoni, fra di loro e verso le schede di acquisizione,
assicura il funzionamento parziale della stazione qualora una eventuale perdita di
tenuta dagli o-ring di uno o più contenitori in Ergal o del passante del cavo provochi
un corto circuito.
3.6
Modem elettro-ottici
I segnali uscenti dagli ADC sono segnali digitali elettrici di standard SPDIF (Sony
Philips Digital InterFace, Interfaccia Digitale Sony/Philips), che vengono convertiti
in segnali ottici (digitali) utilizzando due modem elettro-ottici modello ECT-100EVT-M1 della ELCOMMTECH CORPORATION [ELCw] che permettono la
trasmissione monodirezionale dei dati su una fibra ottica dedicata fino al laboratorio
di terra. I segnali giunti al laboratorio di terra vengono inviati nuovamente a due
modem ricevitori ottico-elettrici modello ECT-100E-VR-M1, che riconvertono il
segnale ottico in segnale elettrico SPDIF (figura 3.11).
Figura 3.11 Modem trasmettitore (a sinistra), e ricevitore (a destra).
Si osservano su entrambi un connettore ottico FC/PC, raffigurato con il tappo blu di
protezione, su cui vengono agganciate le fibbre ottiche e due morsetti di colore verde.
Quest’ultimi servono rispettivamente per l’alimentazione (12 VDC) e per l’ingresso (nel caso
del trasmettitore) o l’uscita (nel caso del ricevitore) dei segnali elettrici digitali.
70
CAPITOLO 3
I modem utilizzano un potente laser che trasmette un segnale alla lunghezza d’onda
di 1550 nm per una distanza massima di 80 km. Tale distanza risulta ottimale perché
molto maggiore della lunghezza delle fibre ottiche che collegano la stazione acustica
con il laboratorio di terra (~28 km). La velocità massima di trasmissione dati è di 14
Mbit/sec, compatibile con il rate dei dati in uscita delle schede ADC (12 Mbit/sec).
3.7
Elettronica di acquisizione di terra
I segnali elettrici uscenti dai due modem ricevitori di terra vengono inviati a due
schede di acquisizione audio professionali modello RME DIGI96/8-PAD (figura
3.12), connesse al bus PCI di un personal computer [RMEw]. Ogni scheda audio è
dotata di un canale d’ingresso digitale, in grado di decodificare segnali audio stereo
digitali in formato SPDIF a 24 bit con una frequenza massima di 96 kHz, quindi
capace di analizzare i segnali provenienti dalla scheda ADC. Naturalmente l’utilizzo
di schede così performanti richiede l’impiego di un PC equipaggiato con processore
Intel Pentium da 3GHz ed almeno 1 GB di memoria RAM.
Successivamente, essi vengono elaborati e quindi visualizzati sul PC tramite un
opportuno
software di
acquisizione dati sviluppato dal CIBRA (Centro
Interdisciplinare di Bioacustica e Ricerche Ambientali), in grado di acquisire
contemporaneamente i due flussi stereo provenienti dalla stazione acustica. In questo
modo i dati possono essere immagazzinati in memorie di massa come HD, CD o
DVD in opportuni formati audio standard (wav).
71
CAPITOLO 3
Figura 3.12 Scheda audio modello RME DIGI96/8-PAD
3.8
Alimentazione della stazione acustica
Per il funzionamento della stazione acustica sottomarina è necessario fornire
alimentazione elettrica da terra. A tal proposito, all’interno del laboratorio di terra è
installato un sistema in grado di erogare dalla stazione sottomarina una tensione
alternata sinusoidale di 380Vac costante e controllabile (figura 3.13).
Il sistema di alimentazione di terra è costituito da: un gruppo di continuità (UPS), che
consente di evitare i danni causati dalle variazioni e dalle interruzioni di corrente
salvaguardando i dispositivi elettrici del sistema di acquisizione dati; un
potenziometro (VARIAC) che permette di impostare il valore di tensione ottimale
per il funzionamento della stazione; un trasformatore elevatore in grado di
trasformare la tensione di rete da 220 Vac a 380 Vac ed ha anche lo scopo di isolare
72
CAPITOLO 3
galvanicamente la linea di potenza sottomarina; un interruttore di rete sincrono a
stato solido, utile per regolare opportunamente la tensione di alimentazione in fase di
accensione; ed un fusibile da 500 mA per proteggere il cavo sottomarino nel caso di
dispersione in mare.
La tensione d’uscita del VARIAC è stata regolata al valore di circa 240 Vac in modo
da fornire la tensione di 420 V a terra che, dopo le perdite sul cavo raggiunge i 380
Vac al terminale della stazione sottomarina. Sott’acqua la tensione viene trasformata
e raddrizzata opportunamente per le varie utenze utilizzando le schede PCB (Printed
Circuit Board).
All’interno della sfera sono installati tre trasformatori AC/AC ad alta efficienza
(circa 98 %) che funzionano a frequenza di rete (50 Hz), che abbassano la tensione
d’ingresso fino a 7,14 e 16 Vac e dedicati alle differenti linee di alimentazione.
Opportune schede elettroniche raddrizzano e regolano la tensione d’ingresso per
poter essere utilizzata dall’elettronica di front-end sottomarina.
Durante la fase di progettazione si è scelto di separare le linee di alimentazione
dell’elettronica digitale da quelle analogiche. In particolare vi sono tre trasformatori
distribuiti nel seguente modo: un trasformatore (380 Vac to 7 Vac) con 4 uscite a 5
Vdc che alimentano indipendentemente la parte analogica e digitale dell’elettronica
delle due schede ADC, per un totale di quattro alimentatori; un trasformatore (380
Vac to 11 Vac) serve la linea a 12 Vdc con 4 uscite indipendenti che alimentano i tre
modem ottici trasmettitori e la scheda EZ-Compas; un trasformatore (380 Vac to 16
Vac) serve il ramo analogico a basso rumore con 4 uscite indipendenti che
alimentano unicamente i preamplificatori degli idrofoni (figura 3.13).
73
CAPITOLO 3
Figura 3.13 Sistema di distribuzione della potenza da terra verso la stazione sottomarina.
I trasformatori sono stati realizzati su specifica richiesta, presso una ditta
specializzata, utilizzando nuclei di acciaio al silicio con laminazione a
C
di
dimensioni opportune.
Ogni scheda ADC necessita di una potenza limitata (circa 1 W) cioè 200 mA con
tensione di alimentazione di +5 Vdc, mentre, ogni modem necessita di una potenza di
circa 2 W alla tensione di 12 Vdc. La potenza richiesta dalla scheda EZ-Compass è di
circa 80 mA con una tensione di alimentazione di +12 Vdc. La potenza necessaria al
funzionamento dei preamplificatori degli idrofoni è circa 0.50 W a 14 V.
Tutta l’elettronica è contenuta all’interno di una sfera di vetro di piccole dimensioni,
quindi, il sistema di alimentazione è stato realizzato in maniera tale da avere
massima efficienza di trasformazione riducendo, così, la dissipazione di calore.
L’alimentazione da terra scelta permette al sistema di funzionare ad una temperatura
media di 26.4 °C, temperatura molto al di sotto dei limiti massimi suggeriti per i
componenti elettronici installati. Considerando che la temperatura media del mare
nel sito della stazione acustica è di circa 14 °C, (e che il termometro all’interno della
74
CAPITOLO 3
sfera occupa una posizione sommitale), tale dato dimostra la corretta distribuzione
termica dei componenti all’interno della sfera. Inoltre tutte le alimentazioni sono
state realizzate in maniera indipendenti così da garantire il funzionamento degli altri
componenti della stazione qualora uno di essi si danneggi.
3.9
Elettronica di controllo dei parametri ambientali
Dopo la posa del frame, la posizione e l’orientamento assoluto della stazione e degli
idrofoni, sul fondo del mare, sono state determinate tramite i dati inviati dalla scheda
EZ-Compass-3 (prodotta dalla Advanced Orientation Systems, Inc) installata
all’interno della sfera di vetro borosilicato e dotata di due inclinometri e di una
bussola. L’EZ Compass dispone anche di un sensore di temperatura il cui range di
misura si estende da -30 °C a 85 °C, con una risoluzione di 0.1 °C, che all’interno
della sfera occupa una posizione sommitale.
In questo modo si è reso possibile verificare che la stazione, solidale col telaio, è
complanare al fondo marino (pitch= 5°±2°, roll= 3°±2°) ed orientata a circa 108°
direzione Sud Est (figura 3.14).
Figura 3.14 Schema della disposizione degli idrofoni sul telaio. L’orientazione assoluta della
stazione rispetto al Nord è di 108°.
75
CAPITOLO 3
La risoluzione angolare dell’apparato per la misura dei tre angoli è di circa 0.1°, il
range di misura per l’angolo di Azimuth (Compass) varia tra 0° e 360°, e per gli
angoli di Pith e Roll è tra -90° e +90°. Queste misure sono necessarie per poter
ricostruire la direzione assoluta di provenienza dei segnali acustici rivelati.
La trasmissione dei dati ambientali (da mare verso terra) e la ricezione dei comandi
di controllo, start e stop (da terra verso mare) avviene tramite una porta bidirezionale
RS232, il cui segnale elettrico viene inviato su una ulteriore fibra del cavo principale
attraverso
un
transceiver
elettro-ottico
ECT-133
della
ELCOMMTECH
CORPORATION che usa la tecnologia WDM (Wavelength Division Multiplexing)
(figura 3.15)
Figura 3.15 Modem WDM modello ECT133 utilizzato per la ricetrasmissione dei segnali
dell’EZ-Compass
Il transceiver utilizza una modulazione FSK (Frequency Shift Keying) su due canali
ottici differenti, rispettivamente alle lunghezze d’onda di λ = 1550 nm per la
trasmissione mare terra dei dati e λ = 1310 nm per la ricezione da terra dei comandi.
La capacità di canale del modem è di circa 200 kbit/sec. Il transceiver installato a
terra riceve i dati ambientali, e li redirige alla porta RS232 del PC di acquisizione
76
CAPITOLO 3
dati. I comandi ed i controlli vengono trasmessi attraverso la stessa porta RS232
verso mare utilizzando la connessione su fibra con λ=1310 nm.
77
CAPITOLO 4
ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI
CAPITOLO 4
4.1
Acquisizione dei dati: il software
Gli ADC stereo modello CS5396 posti all’interno della sfera, come detto in
precedenza, servono a digitalizzare il segnale analogico proveniente dai quattro
idrofoni. La digitalizzazione del segnale avviene attraverso un campionamento nel
tempo, con una frequenza di 96 kHz e la quantizzazione dell’ampiezza del segnale
con una dinamica di 24 bit. Questa dinamica permette di discretizzare variazioni del
segnale analogico con una sensibilità di 1/16.777.216 tra i valori + 2 V e – 2 V che è
appunto l’intervallo di ampiezza in cui lavora l’ADC installato sulla stazione. I dati
così convertiti, giunti a terra vengono letti da una coppia di schede RME DIGI96/8PAD montate su un PC. Essi vengono elaborati e quindi visualizzati sul PC tramite
un opportuno software di acquisizione dati sviluppato dal CIBRA (Centro
Interdisciplinare
di
Bioacustica
e
Ricerche
Ambientali),
denominato
WaveInRecorder. Esso ha il ruolo di interfacciare l’hardware di acquisizione con il
supporto di registrazione dati, ed è in grado di leggere contemporaneamente i due
flussi stereo provenienti dalle due schede di acquisizione RME e creare un file
digitale con quattro canali sincroni. Tale software durante l’acquisizione è inoltre,
capace di visualizzare in tempo reale in un'unica schermata ciò che viene ricevuto dai
quattro canali, in particolare viene riprodotto l’andamento dell’ampiezza dei segnali
dei 4 idrofoni in funzione del tempo in modo da poter monitorare in tempo reale il
rumore acustico che si sta registrando (figura 4.1).
78
CAPITOLO 4
Figura 4.1 Interfaccia grafica del software di acquisizione WaveinRecorde. Il programma
permette di visualizzare in tempo reale i segnali provenienti dai 4 idrofoni.
Il software permette di salvare i dati acustici in opportuni formati audio standard. Il
formato audio scelto è il wav con codifica PCM a 32 bit (float).In fase di analisi, i
dati immagazzinati nei file audio sono importati nell’ambiente MATLAB® [MATw],
per una loro successiva elaborazione. I dati inoltre, possono essere convertiti nel
formato a 16 bit per poter ridurre lo spazio di memoria fisica richiesto.
La registrazione dei dati può essere programmata automaticamente senza l’intervento
di un operatore, definendo la durata in tempo del file da acquisire e l’orario di
acquisizione. Per ogni file di registrazione viene assegnato un nome univoco definito
dal giorno, dall’ora in cui il file è stato registrato, dal numero di canali d’ingresso (
4CH nel caso in cui vengano registrati contemporaneamente i segnali provenienti dai
4 idrofoni, 2CH se la registrazione avviene solo per 2 idrofoni), dal valore del
guadagno software attribuito al file (1X tipicamente guadagno 1, ossia 0 dB), ed dal
formato del file (wav) (3200 se acquisito leggendo i 24 bit come 32 bit float (32) e
registrato senza modificarne il formato (00), oppure 3232 o 3216 se l’acquisizione è
stata effettuata leggendo i 24 bit come 32 bit float (32) e registrati modificandone il
formato (32) o (16)). La frequenza di campionamento (96 kHz), essendo un
parametro fissato della struttura hardware, non viene indicata. Inoltre, per ogni file
audio registrato viene generato un file in formato testo detto di log, contenente le
79
CAPITOLO 4
informazioni complete sul giorno e l’ora in cui è stata effettuata la registrazione e
sull’ampiezza massima e media registrate.
Un altro programma sviluppato dal CIBRA per poter visualizzare, ascoltare e
analizzare i dati acustici registrati da OνDE è SeaPro ampiamente utilizzato dalla
comunità di biologi per analisi dati e divulgazioni scientifiche. Esso è stato
implementato nell’ambito della collaborazione NEMO, per poter leggere il formato
file wav a 32 bit a 4 canali generati dal WaveInRecorder. Il software SeaPro è in
grado di visualizzare sia on-line che off-line lo spettrogramma1 dei file audio
registrati. Questa caratteristica risulta molto utile per evidenziare i suoni biologici,
come per esempio i “click” dei capodogli o “fischi” dei delfini, e quindi permettere
di identificare le sorgenti di segnale acustico ed eventualmente studiare i loro
movimenti.
4.2
Registrazione e Catalogazione dei dati
Il formato PCM scelto per la registrazione dei dati di OνDE permette di salvare i dati
audio senza nessun tipo di compressione, producendo file di elevate dimensioni. Di
conseguenza, una registrazione continua di dati avrebbe richiesto una quantità
enorme di spazio su disco (circa 150 GB/giorno) e non sarebbe stato possibile
adottarla per il lungo periodo di funzionamento (2 anni). Quindi si è scelto di
registrare i dati provenienti dalla stazione ogni ora con una durata di 5 minuti per
file, ottenendo ventiquattro file in un’ intera giornata ed uno spazio occupato di circa
450 MB. Una tale selezione, è scaturita dalle analisi effettuate nei primi due mesi di
accensione della stazione (dal 23 Gennanio 2005), in cui si è scelto di registrare, in
continuo e separatamente, tutti i dati provenienti dalle 2 coppie di idrofoni
utilizzando una prima versione del software di registrazione a soli 2 canali. Ciò ha
permesso di monitorare le variazioni durante l’intero periodo del rumore di fondo, e
1
Lo spettrogramma è il grafico della frequenza in funzione del tempo di un segnale, in cui viene
individuato il livello del rumore del segnale sulla base di una scala cromatica.
80
CAPITOLO 4
di definire una pianificazione appropriata del tempo di registrazione.
Inoltre, dal mese di Aprile del 2005, con la realizzazione del software di
registrazione definito, si è stati in grado di effettuare le registrazioni dei 4 canali in
contemporanea. In conclusione, la strategia adottata ha fornito un buon compromesso
per ottenere una statistica rappresentativa delle variazioni giornaliere del rumore,
riducendo a circa 10 GB lo spazio disco impiegato, per singolo giorno. Nel corso
degli anni i dati sono stati immagazzinati in HD, ottenendo ad oggi una libreria di
circa 11500 ore di registrazione.
Come detto i dati registrati sono file audio in formato wav, ognuno dei quali è
rappresentativo di ogni ora e della durata di 5 minuti. Questi ultimi sono scelti tra i
primi 50 minuti dell’ora in considerazione e scelti di volta in volta in maniera diversa
per poter avere una maggiore variabilità del campione statistico (cioè ad esempio,
dalle 10:00 alle 10:05; dalle 10:05 alle 10:10 e così via).
4.3
Analisi dei dati
I dati, dopo essere stati registrati su HD, sono stati analizzati offline sotto l’ambiente
MATLAB. Esso infatti fornisce numerose ed affidabili librerie che permettono sia la
lettura di file wav che l’analisi di segnali digitali.
In figura 4.2 sono riportati 10 secondi di una registrazione eseguita da OνDE in cui è
rappresentato il segnale registrato in funzione del tempo.
81
CAPITOLO 4
Figura 4.2 Lettura di dieci secondi del segnale registrato dalla stazione OνDE in un
file audio (dall’alto verso il basso H3, H1, H2, H4).
Dalla figura è possibile osservare che i segnali letti dai quattro idrofoni hanno diverse
ampiezze perché, si ricorda, gli idrofoni H1, H2, e H3 hanno sensibilità circa uguali
(~ 195 dB re V/µPa) mentre l’idrofono H4 ha una sensibilità inferiore. Inoltre risulta
evidente la presenza del filtro passa alto (> 1 kHz) applicato sui canali H2 e H4.
Ricordiamo inoltre che i file wav sono normalizzati in ampiezza tra -1 ed 1, quindi
occorre riferire il valore minimo e massimo dei campioni all’ampiezza minima e
ADC
ADC
massima misurabile dall’ADC ossia Vmax
= 2 V; Vmin
= −2V. Il grafico riportato
rappresenta il segnale (in Volt) prodotto dalla catena elettronica e letto, ad ogni
campionamento, dall’ADC.
Gli obiettivi di questa tesi sono: 1)la caratterizzazione dello spettro del rumore di
fondo acustico sottomarino a grandi profondità, ossia la misura dell’ampiezza del
rumore acustico del mare alle differenti frequenze e lo studio delle variazioni del suo
rumore in funzione del tempo; 2)l’identificazione delle emissioni acustiche dei
mammiferi marini che vivono nel Golfo di Catania.
Per far ciò si è condotta un’analisi in frequenza dei segnali registrati dalla stazione.
82
CAPITOLO 4
A causa della mole dei file da analizzare, in questo lavoro di tesi l’analisi è stata
eseguita solo sul canale contenete le informazioni provenienti dall’idrofono H3
(corrispondente al primo canale in figura 4.3) posto sulla sommità del frame.
4.4 Analisi spettrale
Tra le tecniche utilizzate per l’analisi di Serie Storiche2 c’è quella che fa uso
dell’Analisi di Fourier ed in particolare della Trasforma di Fourier basata sulla
decomposizione della serie originaria dei dati in una somma di funzioni periodiche di
diversa frequenza. I dati da noi analizzati sono segnali digitali e pertanto si fa uso
della Trasformata di Fourier per elementi discreti (Discrete Fourier Transform o
DFT). L’obbiettivo è l’analisi dell’intensità acustica – potenza per unità di area o
flusso di energia – del rumore di fondo ambientale registrato. Quindi si è condotta
l’analisi calcolando il periodogramma dei segnali acustici acquisiti. Esso rappresenta,
in funzione della frequenza, la PSD (Power Spectral Density, Densità di Potenza
Spettrale) associata alla frequenza k-esima dello spettro del segnale [SCA82]
[HOR86]. La PSD è definita dalla relazione:
PSD( f ) =
X N DFT ( f )
fc L
2
(4.1)
L
dove fc è la frequenza di campionamento, L è la lunghezza dell’ intervallo del segnale
(ossia il numero di campioni su cui viene eseguito il calcolo del periodogramma) ed
X N DFT ( f ) è l’ampiezza della componente N-esima della trasformata di Fourier
discreta del segnale (DFT) associata alla frequenza f . Il calcolo della DFT del
segnale è stato eseguito utilizzando l’algoritmo presente nelle librerie dell’ambiente
MATLAB [MATw]. Il calcolo della PSD istantanea è fatta selezionando un
2
Una serie storica è costituita da un set discreto di valori che rappresentano il campionamento del
fenomeno osservato.
83
CAPITOLO 4
intervallo di campioni Nc ≥ del numero di punti su cui calcolare la DFT NDFT. Nel
nostro caso volendo calcolare, ad esempio, il valore medio della potenza del segnale
(PSD) registrato durante i 5 minuti di registrazione, si è scelto di suddividere il
campione di 5 minuti (5 min = 300 sec x 96000 campioni/secondo = 28.800.000
campioni per ogni singolo canale per ogni singola acquisizione) in un numero intero
di blocchi da 2048 campioni in maniera tale da avere un numero di campioni Nc
uguale a NDFT. Tale numero è stato scelto opportunamente piccolo in modo da
ottimizzare i tempi di calcolo della DFT, poiché il tempo di calcolo della FFT
dipende proprio dalla lunghezza della trasformata, cioè dal numero di campioni del
segnale e dal numero di punti della FFT. Per ognuno di questi blocchi da 2048
campioni, pesato con una opportuna finestra temporale, viene calcolata la DFT. La
scelta effettuata risulta un buon compromesso per diminuire il tempo di calcolo e
ottenere una buona risoluzione in frequenza, data dal rapporto f c / N DFT ossia 96.000
Hz / 2048 = 46,875 Hz. Ricordiamo che il calcolo della DFT restituisce N/2
componenti nel dominio delle frequenze per la parte reale del segnale ed N/2 per la
parte immaginaria del segnale, quindi i valori significativi della DFT sono soltanto
N/2. In questo modo la frequenza massima che è possibile analizzare risulta essere
48.000 Hz in accordo col teorema di Nyquist [NRC], secondo il quale è possibile
ricostruire, senza perdita d’informazione un segnale di frequenza minore o uguale
alla metà della frequenza di campionamento (nel nostro caso fc = 96 kHz).
Il codice da me utilizzato in questo lavoro esegue il calcolo della DFT su blocchi da
2048 campioni alla volta, perché eseguire il calcolo della DFT su tutto l’intervallo di
registrazione richiederebbe tempi e quantità di memoria eccessivi per i comuni PC.
Inoltre per una maggiore velocità di calcolo, per ogni “blocco” si esegue la FFT (Fast
Fourier Transform, Trasformata di Fourier Veloce) utilizzando l’algoritmo
“butterfly” [NRC] [TDS03] che è ottimizzato per un numero di campioni pari ad una
potenza del 2 (per l’appunto 2048 = 211). Ma i campioni disponibili per ogni singolo
file sono 28.800.000 (pari a 300 secondi, cioè 5 minuti) e il numero di campioni che
vengono analizzati più vicino a quelli disponibili e contemporaneamente multiplo
intero di 2048 sono 28.416.000. Questa scelta costituisce una piccola rinuncia in
quanto il numero di campioni analizzato per ogni singolo file corrisponde ad una
84
CAPITOLO 4
lettura di 296 secondi contro i 300 disponibili, rinunciando così a soli 4 secondi per
file.
Prima di eseguire il calcolo della FFT, il blocco da 2048 campioni viene convoluto
con una finestra di ponderazione, come menzionato sopra. Se infatti si calcola la FFT
su un singolo blocco di 2048 campioni utilizzando una finestra di selezione quadrata
si esegue un taglio netto, nel dominio del tempo, sul segnale di ingresso; ciò può
comportare che vengano introdotte nel calcolo della FFT frequenze spurie dovute
alle condizioni al contorno della finestra quadrata. Per ovviare a questo problema i
dati sono stati pesati con una finestra temporale nota come finestra di Hanning
[MATw] [TDS], caratterizzata da un picco simmetrico ed uno “smoothing” al
contorno, che va come:

k 

w(k + 1) = 0 ,5 1 − cos 2π

 n − 1 

(4.2)
Così facendo vengono eliminate le frequenze spurie introdotte dalla finestra
temporale quadrata, ma, come contro, i dati degli estremi del blocco vengono pesati
con un peso minore. In figura 4.3 viene mostrato l’effetto della finestra di Hanning
sulla lettura del segnale per un blocco di 2048 campioni.
85
CAPITOLO 4
Figura 4.3 Effetto prodotto dalla finestra di ponderazione di Hanning sulla lettura di un
segnale.
Al fine di pesare correttamente tutti i campioni del segnale si utilizza la tecnica
“dell’overlapping”: l’overlap utilizzato è pari al 50%; cioè si suddivide il segnale a
blocchi di 2048 campioni e le finestre di interpolazione sono prese a metà dall’inizio
di ogni blocco ossia a 1024 campioni dopo l’inizio del precedente. Quindi
utilizzando la finestra di ponderazione di Hanning e la tecnica dell’overlap per il
calcolo della FFT del segnale si ottiene un duplice vantaggio: di eliminare gli effetti
di distorsione, dovuti allo spettro di frequenze introdotto dalla finestra quadra, e di
non sottostimare porzioni del segnale.
Dopo aver calcolato su ogni blocco la FFT e quindi la PSD si determina per ogni file
il valore massimo, il valore minimo, il valore medio, la mediana e i percentili (30%,
90%, 95%) della PSD in funzione della frequenza.
86
CAPITOLO 4
Come detto precedentemente, i file wav sono normalizzati in ampiezza tra -1 ed 1,
quindi occorre riferire il valore minimo e massimo del file all’ampiezza minima e
ADC
massima misurabile dall’ADC ossia Vmax
= 2V . Per ottenere l’ampiezza in Volt del
segnale è quindi, necessario moltiplicare l’ampiezza del segnale del file wav per un
fattore numerico pari a 2. Nel calcolare il periodogramma si calcola invece la
potenza associata alla frequenza k-esima dello spettro del segnale, cioè l’intensità
dell’onda incidente, che è proporzionale al quadrato dell’ampiezza. Quindi per
ottenere la PSD espressa in unità di [V2/Hz] è necessario, dopo aver analizzato i dati
in formato wav, moltiplicarla per un fattore 4. In figura 4.4 è mostrato, per l’idrofono
H3, il valor medio della PSD del rumore registrato alle ore 10:30 del 6 Agosto 2006
in condizioni di basso rumore ambientale, registrato solo a frequenze <7 kHz. Per
confronto in figura è riportato la PSD media registrata durante le 24 ore di giorno 6
Agosto 2006. Il confronto fra le due figure permette di osservare che la PSD del
rumore misurato alle ore 10:30 mostra un andamento costante con la frequenza per
f>7 kHz questo rumore (bianco) è associato, come vedremo nel seguito, al rumore
elettronico del sistema. Nell’arco dell’intera giornata invece sono presenti rumori
acustici che aumentano il livello di rumore registrato di circa 10 dB a 10 kHz. In
particolare si nota la presenza di due minimi a circa 10 e 27 kHz presenti nella media
giornaliera della PSD che possono essere attribuiti alle vibrazioni intrinseche del
sistema idrofono – contenitore e/o alle riflessioni dell’onda acustica sul cilindro
metallico che alloggia l’idrofono e il preamplificatore che
interferiscono
negativamente con l’onda incidente3. Tali caratteristiche sono assenti nel profilo
della PSD misurata alle ore 10:30 in cui non vi è alcun segnale acustico registrato a
queste frequenze. A bassa frequenza (< 1 kHz) si osserva un incremento
esponenziale del rumore dovuto principalmente al rumore indotto dalla potenza
elettrica di alimentazione (380 V a 50 Hz) e altre sorgenti di rumore elettronico non
identificate.
3
L’interferenza può nascere dalle riflessioni sul contenitore metallico dell’idrofono notando la
lunghezza dell’idrofono-contenitore è di ~ 15 cm confrontabile con il valore cs / 10 kHz ~ 15 cm.
87
CAPITOLO 4
Figura 4.4 La Curva in rosso rappresenta il valor medio della PSD del rumore
registrato alle ore 10:30 del 6 Agosto 2006. Invece in blu la PSD media registrata
durante le 24 ore dello stesso giorno; entrambi relativi all’idrofono H3.
Si osserva inoltre in entrambi i casi una brusca attenuazione del segnale oltre i 45
kHz. Questa attenuazione è dovuta al fatto che oltre i 45 kHz l’ADC utilizzato non
permette, di determinare correttamente lo spettro del segnale. In figura 4.5 è infatti
mostrato l’andamento dell’attenuazione di banda dell’ADC CS5396 in funzione della
frequenza: si nota che l’ADC ha una risposta costante a circa 0 dB per un segnale
d’ingresso nella banda 0 ÷ 45 kHz oltre questa frequenza il segnale in uscita è
attenuato dai filtri antialiasing (figura 4.5).
88
CAPITOLO 4
Figura 4.5 Andamento dell’attenuazione di banda dell’ADC modello CS5396, in
funzione della frequenza fs,, la fs da noi utilizzata è 96 kHz.
In figura 4.6 al fine di poter confrontare la risposta dell’idrofono H3 con quella degli
altri idrofoni si riporta la PSD misurata giorno 6 Agosto 2006 alle ore 10:30 per tutti
e quattro gli idrofoni.
89
CAPITOLO 4
Figura 4.6 Il valor medio della PSD dei 4 idrofoni della stazione OνDE relativi al
giorno 6 Agosto 2006 ore 10:30.
Dalle figure si nota che in condizioni di basso rumore acustico (f <7 kHz) il rumore
elettronico è pressoché identico per i 4 canali. A basse frequenze (< 7 kHz) il rumore
elettronico non può essere ben definito, a causa della presenza del rumore acustico
ambientale. In particolare si nota che l’idrofono H4 (che ha una sensibilità peggiore)
da una risposta in ampiezza più bassa rispetto agli altri tre.
Inoltre se si osservano con attenzione le curve relative al secondo ed al quarto
idrofono si evidenziano due picchi a fp1 ~ 3.5 kHz e fp2 ~ 4.5 kHz che invece
risultano assenti nelle curve relative all’idrofono H1 e all’idrofono H3. Ciò è
imputabile ad un ripple elettronico prodotto dai filtri passa alto applicati ai
preamplificatori degli idrofoni H2 e H4. Ulteriori due picchi a fp3 ~ 4·fp1 e fp4 ~ 4·fp2,
armoniche dei picchi fp1 e fp2, sono evidenti nel periodogramma di H4 e H2.
90
CAPITOLO 4
4.5
Determinazione del livello di pressione acustica
Prima di procedere nell’analisi dei dati e quindi alla determinazione del rumore
acustico del mare è necessario determinare il livello di pressione acustica equivalente
del rumore elettronico. A tal fine è innanzitutto utile fare alcune considerazioni sulla
sensibilità degli idrofoni, cioè sul rapporto V/µPa di trasduzione dell’onda di
pressione acustica in segnale elettrico.
Il valore della sensibilità degli idrofoni fornito dalla casa è -195 dB ±3 dB re 1 V/µPa
ed è sostanzialmente indipendente dalla frequenza. Inoltre bisogna considerare il
fattore di amplificazione di 20 dB introdotto dai preamplificatori. Possiamo quindi
convertire la PSD da unità V2/Hz in unità di µPa2/Hz, utilizzate in acustica.
La sensibilità del canale (idrofono più preamplificatore) è -175 dB re 1 V/µPa, cioè
un segnale acustico di ampiezza di pressione pari a 1 µPa viene convertito in un
segnale elettrico di circa 2 nV. Difatti ponendo l’ampiezza di pressione AP = 1 µPa si
può calcolare l’ampiezza AV in Volt del segnale corrispondente ad una tale pressione:
A V = 10
175
20
-
⋅ AP = 10 − 8,75 ≈ 2nV
(4.3)
Quindi, invertendo la relazione precedente, si può ricavare l’ampiezza di pressione di
un’onda incidente in base alla risposta dell’idrofono:
AV
AP =
10
−
175
20
175
= AV ⋅ 10 20
(4.4)
 I
Ricordando che il livello di intensità sonoro è uguale a SIL(dB ) = 10 log
I
 ref

 e che


l’intensità dell’onda è proporzionale al quadrato dell’ampiezza dell’onda incidente, e
considerando che la (4.4) è proporzionale al modulo quadro dell’ampiezza in
2
pressione AP , possiamo facilmente ricavare il valore in dB della PSD.
91
CAPITOLO 4
Quindi si ha la seguente relazione:
175
⋅2
 2
2
10 ⋅ log AP = 10 ⋅ log AV ⋅ 10 20 


175
175
⋅2
 2
 2
20
10



10 ⋅ log AV ⋅ 10
 = 10 ⋅ log AV ⋅ 10



[(
)
= 10 ⋅ log A + 17, 5
2
V
(4.5)

=


(4.6)
]
Applicando la (4.6) si può ricavare il livello di pressione acustica prodotto dai
segnali acustici (Sound Pressure Level) in unità di dB re 1 µPa2/Hz. In pratica
applicare la (4.6) alla nostra PSD significa aggiungere al logaritmo della PSD il
fattore numerico 175:
10 ⋅ log( PSD) + 175 .
(4.7)
Mostriamo in figura 4.7 il valore della PSD registrato giorno 6 Agosto alle ore 10:30
per gli idrofoni H1, H2 ed H3 riferiti al livello di pressione acustica in unità di dB re
1 µPa2 / Hz, in funzione della frequenza. I valori del canale H4 non sono stati
riportati poiché il valore della sensibilità dell’idrofono in funzione della frequenza è
differente.
92
CAPITOLO 4
Figura 4.7 Valore della PSD degli idrofoni H1 H2 e H3 misurati giorno 6 Agosto
2006 alle ore 10:30, calcolato considerando la sensibilità degli idrofoni, in unità di
dB re 1 µPa2 / Hz, in funzione della frequenza.
4.6
Determinazione del rumore di fondo elettronico
La figura 4.8 mostra il valore equivalente di pressione acustica misurato dalla
stazione in condizioni di basso rumore acustico (almeno per le frequenze superiori a
7 kHz). Si nota che la risposta in funzione della frequenza è sostanzialmente costante
pari a 32 dB re 1 µPa2/Hz denotando che il rumore elettronico (bianco) è, in questa
banda di frequenza, superiore a quello acustico ambientale.
93
CAPITOLO 4
Figura 4.8 Sensibilità di ricezione (RS) della coppia trasduttore-preamplificatore in unità
di dB re 1V/µPa in funzione della frequenza. La risposta è circa costante (± 3 dB) fino
alla frequenza di circa 50 kHz.
Poiché non è stato possibile effettuare uno studio del rumore elettronico della
stazione a terra4. Questo valore è stato determinato a posteriori utilizzando i dati
registrati dalla stazione.
In figura 4.9 riportiamo la figura del rumore acustico equivalente dell’idrofono
utilizzato, fornita dalla casa costruttrice. La figura mostra che da ~ 3 kHz a ~ 6 kHz il
rumore elettronico dell’idrofono e del preamplificatore produce un rumore di fondo
equivalente a quello prodotto da un rumore acustico avente PSD di 32 dB re 1
µPa2/Hz. La figura 4.9 è quindi direttamente confrontabile con la figura 4.8
4
Non è stato possibile installare la stazione sul frame prima del deployment e non è facilmente
simulabile a terra il rumore dell’alimentazione del sistema fornita nel caso reale tramite cavo elettrico
sottomarino.
94
CAPITOLO 4
ricordando che la PSD in dB re 1 µPa2/Hz definita come 10 log10
scala del rumore equivalente definito come 20 log10
P2
ha la stessa
Hz
P
.
Hz
Il confronto permette dunque di imputare il rumore bianco osservato ad f ≥ 10 kHz,
la cui PSD è pari a 32 dB 1 µPa2/Hz, al rumore elettronico del sistema idrofonopreamplificatore (il rumore introdotto dall’ADC è trascurabile ed è dell’ordine di 16
dB in questa scala, dunque circa un ordine di grandezza minore)
Figura 4.9 Rumore equivalente dell’idrofono RESON modello TC4037-C, fornito dalla
casa costruttrice.
Per
determinare
correttamente
il
rumore
acustico
equivalente
prodotto
dall’elettronica abbiamo determinato la PSD di circa 5000 registrazioni effettuate da
Maggio 2005 a Novembre 2006, mostrate in figura 4.10.
Come abbiamo ampiamente descritto nel secondo capitolo il rumore acustico
sottomarino è dovuto a varie componenti, da quella antropica a quella meteorologica
e alla fauna presente in esso. Tutti questi rumori contribuiscono al rumore
ambientale. Adesso va aggiunto il rumore elettronico degli apparati da noi utilizzati.
95
CAPITOLO 4
Quindi la figura 4.10 mostra la somma del rumore acustico sottomarino e del rumore
elettronico.
Figura 4.10 Valor medio delle PSD di tutti i file registrati da Maggio 2005 a
Novembre 2006 in unità dB re V2/Hz, in funzione della frequenza.
In figura 4.10 il valore della PSD è molto variabile: si osservano i picchi dovuti ai
vocalizzi dei mammiferi marini o prodotti da strumenti utilizzati dall’uomo, tuttavia
si nota una base-line costante (rumore bianco) al di sopra di 10 kHz imputabile al
rumore dell’elettronica.
Al fine di validare questa ipotesi riportiamo in figura 4.11, per i vari mesi di
acquisizione, il valore minimo ed il valore medio della PSD registrata ogni mese in
cui la stazione ha registrato dati: (2005: Maggio, Giugno, Luglio, Agosto, Settembre,
Ottobre, Novembre, Dicembre; 2006: Luglio, Agosto, Settembre, Ottobre,
Novembre), in unità di dB re V2/Hz, in funzione della frequenza. Si può ben
osservare che la media delle PSD medie cambia in funzione del mese, invece il suo
valore minimo è (per f > 7 kHz) sempre costante.
96
CAPITOLO 4
Ciò conferma quanto detto sopra: il minimo delle PSD rappresenta il rumore
elettronico del sistema di acquisizione (rumore bianco a f > 7 kHz), quando il
rumore del mare può essere trascurato (come ci si aspetta per lo stato zero del mare
in
questo range di frequenza). A frequenze più
basse al
rumore bianco
dell’elettronica del preamplificatore si aggiunge il rumore indotto dall’elettronica di
alimentazione e una frazione del rumore di fondo acustico il cui valore non è
trascurabile per f ≤ 5 kHz anche nel caso di condizioni di calma atmosferica e
assenza di sorgenti identificabili.
Figura 4.11 Minimo delle PSD medie (verde) e Media delle PSD medie (blu) di
ogni mese dal Maggio 2005 a Novembre 2006 in unità di dB re V2/Hz, in
funzione della frequenza .
Se a questo punto si tiene conto della sensibilità degli idrofoni e si utilizza la
relazione (4.7) otteniamo per i vari mesi la PSD media e minima in unità di µPa2/Hz,
cioè il rumore acustico medio e minimo misurato dalla stazione nei vari mesi
dell’anno mostrati in figura 4.12.
97
CAPITOLO 4
Il valore della PSD minima per f>7 kHz è sempre pari al rumore acustico equivalente
atteso dall’elettronica del sistema idrofono-preamplificatore. Sottraendo tale valore,
come vedremo nel prossimo capitolo è possibile determinare il livello medio della
pressione acustica equivalente del rumore del mare.
Figura 4.12 Minimo delle PSD medie (verde) e Media delle PSD medie (blu) di ogni
mese dal Maggio 2005 a Novembre 2006 in unità di dB re µPa2/Hz, in funzione della
frequenza .
In figura 4.14 riportiamo infine il valore della deviazione standard calcolata sui
valori minimi della PSD registrati ogni mese in funzione delle frequenze. Associando
tale valore alla indeterminazione sulla nostra misura è possibile determinare il valore
minimo della densità di potenza del rumore acustico del mare misurabile con il
nostro apparato.
In figura è riportato, per confronto, il valore del ’Sea State 0’, cioè il valore della
densità spettrale di potenza del rumore del mare utilizzato, in letteratura, per indicare
il rumore del mare in condizioni di calma superficiale e in assenza di sorgenti
antropiche e biologiche [URI82].
98
CAPITOLO 4
Come si osserva la sensibilità del nostro apparato, definito nel modo descritto, è
prossima al valore del SS0 per f>7 kHz.
Figura 4.13 RMS calcolata sui valori minimi della PSD registrati ogni mese in
funzione delle frequenze (blu). PSD media calcolata per tutto il campione preso in
esame (magenta) ed il ‘Sea State 0’ [URI82](nero) in unità di dB re µPa2/Hz, in
funzione della frequenza.
99
DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE
CAPITOLO 5
CAPITOLO 5
DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA
ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE
5.1
Descrizione dei dati
In letteratura i dati relativi al rumore di fondo acustico misurato a grandi profondità
sono molto scarsi. In questo lavoro di tesi si sono analizzati i dati registrati con la
stazione sottomarina OνDE installata a 2000 m di profondità nel Test- Site NEMO di
Catania ed attiva dal mese di Gennaio 2005 al mese di Dicembre 2006. L’intervallo
di tempo preso in esame in questo lavoro comprende entrambi gli anni di
acquisizione della stazione. In specifico per l’anno 2005 si sono analizzati i mesi da
Maggio a Dicembre, invece per l’anno 2006 i mesi da Luglio a Novembre. In questo
intervallo di tempo la stazione sottomarina è rimasta sempre connessa a 2000 m ma,
nei mesi che vanno da Gennaio a Giugno 2006 si è avuto un fermo dovuto a un
malfunzionamento del cavo sottomarino del sistema di acquisizione a terra. Altri stop
del sistema di acquisizione dati sono stati periodicamente effettuati per permettere
l’aggiornamento del software ed il backup dei dati.
In questo lavoro non sono stati analizzati i dati acquisiti nei mesi da Gennaio ad
Aprile 2005 poiché registrati con un software che permetteva solo la registrazione di
dati a 16 bit e quindi non omogenei al resto del campione.
Il numero di file analizzati in questo arco di tempo è pari circa a 6510. Come
spiegato nei precedenti paragrafi, la stazione acustica invia dati continuamente ma
essi vengono registrati solo per 5 minuti ogni ora. Ogni registrazione è considerata
come rappresentativa del rumore acustico medio in quell’ora.
100
CAPITOLO 5
In questo lavoro lo studio delle variazioni del rumore del mare è stato condotto, in
funzione del mese, considerando l’idrofono H3. In tabella 5.1 sono riportati i giorni
di acquisizione ed il numero di file analizzati in funzione del mese.
N°
Mesi
totale file
Giorni di
registrazione
352
Maggio ‘05
6 – 20
130
Giugno ‘05
25 – 30
738
Luglio ‘05
1 – 31
744
Agosto ‘05
1 – 31
563
Settembre ‘05
1 – 24
602
Ottobre ‘05
6 – 31
720
Novembre ‘05
1 – 30
336
Dicembre
1 – 14
369
Luglio ‘06
1 – 31
576
Agosto ‘06
3 – 27
493
Settembre ‘06
2 – 22
469
Ottobre ‘06
1 – 20
303
Novembre ‘06
8 – 14
Tabella 5.1 Numero totale di file per ogni singolo mese e numero di giorni di
acquisizione.
101
5.2
CAPITOLO 5
Determinazione della densità spettrale di rumore del mare
Il rumore di fondo registrato dalla stazione, come descritto nel precedente capitolo, è
dovuto al rumore ambientale (sorgenti di tipo antropico, meteorologico, geologico e
biologico) convertito in segnale elettrico che rappresenta il così detto rumore del
mare, e al rumore prodotto dalle apparecchiature elettriche da noi utilizzate.
Ricordiamo che secondo la trattazione di Fourier, due onde sinusoidali semplici
possono combinarsi tra loro generando un’onda la cui forma dipende esclusivamente
dalle relazioni tra le ampiezze e le fasi delle onde componenti. La combinazione, o
sovrapposizione, delle onde origina il fenomeno dell’interferenza. Nel caso di due
onde l’interferenza può essere costruttiva se la loro sovrapposizione produce una
perturbazione maggiore di quella prodotta da ognuna di esse separatamente,
distruttiva se la perturbazione risultante è minore. Consideriamo il rumore registrato
dalla stazione ad un certo tempo come la sovrapposizione di due onde semplici. Se
caratterizziamo ognuna di queste onde mediante la propria ampiezza A e la propria
fase θ, includendo in quest’ultimo anche il termine di propagazione ω (t ± x / v) , è
possibile distinguere tre tipi diversi di sovrapposizione secondo se le onde
differiscono: solo nelle ampiezze, solo nella fasi, o sia nelle ampiezze che nelle fasi.
Nel primo caso l’onda risultante è anch’essa sinusoidale, ha lo stesso periodo e la
stessa fase delle componenti e la sua ampiezza è data dalla somma algebrica delle
ampiezze delle componenti. Nel secondo caso l’onda risultante ha una frequenza
uguale alla media delle frequenze delle componenti e un’ampiezza che oscilla a sua
volta con una frequenza
1
ω1 − ω2 , dove ω1 e ω2 sono rispettivamente le frequenze
2
angolari delle due onde interferenti. L’ultimo sostanzialmente è il nostro caso, in cui
il rumore registrato è prodotto dalla somma di due segnali, un rumore acustico e uno
‘elettronico’. Considerando che ad un dato tempo il nostro apparato registra la
sovrapposizione di segnali prodotti da onde acustiche e rumore elettronico con
frequenze e fasi differenti (incoerenti) l’ampiezza risultante è quindi data da:
102
CAPITOLO 5
V 2
=
A
2
N max
∑(A
V
Sea ,i
i =1
+A
V
Elec . Noise ,i
) =
(5.1)
2
N max
∑A
+
V
Sea ,i
i =1
∑A
V
Elec . Noise ,i
N max
V
V
+ 2 ∑ ASea
,i AElec . Noise ,i sin(ω Sea ,i − ω Noise ,i )
i =1
N max
∑A
V
Sea , i
i =1
N max
i =1
N max
dove
2
e
∑A
V
Elec . Noise , i
i =1
sono rispettivamente le somme delle singole ampiezze
delle onde componenti il rumore del mare e il rumore elettronico, espresse in Volt;
ωSea e ωNoise sono rispettivamente le loro frequenze angolari. Assumendo che queste
componenti si sommino in maniera incoerente (assunzione del tutto lecita trattandosi
di rumori non correlati), l’ultimo termine della (5.1) è uguale a zero. Pertanto
l’espressione (5.1) si riduce semplicemente alla somma dei quadrati delle due
ampiezze del segnale prodotti rispettivamente dal rumore del mare e dal rumore
elettronico:
V 2
A
=
N max
2
∑(A
i =1
V
Sea ,i
+A
V
Elec . Noise ,i
) =
N max
2
∑A
i =1
V
Sea ,i
+
N max
2
∑A
i =1
V
Elec . Noise ,i
(5.2)
Quindi, utilizzando quest’ultima relazione è possibile calcolare il rumore del mare
sottraendo al rumore di fondo registrato dalla stazione il rumore elettronico causato
dagli apparati utilizzati. Avendo assunto come detto nel precedente capitolo che il
minimo delle PSD medie rappresenta il rumore elettronico del sistema di
acquisizione (rumore bianco per f > 7 kHz), il rumore del mare si ottiene sottraendo
tale valore alla PSD media registrata. In figura 5.1 sono raffigurate rispettivamente:
la PSD media calcolata su tutti i file analizzati (che rappresenta il rumore del mare
più il rumore elettronico), il valore minimo delle PSD medie (che rappresenta il
rumore elettronico) e quindi la densità spettrale di potenza del rumore del mare,
calcolata come spiegato pocanzi, in unità di dB re 1 µPa2/Hz, in funzione della
103
CAPITOLO 5
frequenza. Nella stessa figura viene riprodotto, per confronto, il valore della densità
spettrale di potenza in condizioni di ‘sea state 0’ che rappresenta il rumore del mare
‘allo stato zero’, (cioè in condizioni di calma atmosferica e assenza di sorgenti
[URI82]) ed il valore della PSD minima misurabile dal sistema calcolata nel
precedente capitolo. Il medesimo procedimento viene eseguito per determinare il
valore massimo della PSD. L’errore statistico su queste misure, data la sensibilità
dell’apparato e l’enorme numero di dati acquisiti, è trascurabile. L’errore sistematico
dipende dalla indeterminazione sulla sensibilità di ricezione dell’idrofono pari a ± 2
dB (come mostrato nel capitolo 3).
Figura 5.1 PSD media,minimo e rumore del mare calcolati per tutto il campione
preso in esame, il valore della RMS calcolata sui valori minimi della PSD registrati
ogni mese in funzione delle frequenze, ed il ‘Sea State 0’ [URI82], in unità di dB re 1
µPa2/Hz, in funzione della frequenza.
Poiché uno dei fini di questa tesi è discretizzare il contributo dovuto al rumore
continuo e al rumore impulsivo, si è calcolato oltre al valore medio del ‘rumore del
mare’ anche il suo valore massimo, il 90° ed 95° percentile1 per tutto il campione
1
Il 90° percentile di una distribuzione rappresenta il valore massimo che assume il 90% di campioni
della distribuzione stessa, ordinati per valore crescenti. Alla stessa maniera è possibile definire il
104
CAPITOLO 5
preso in esame. Nelle figure 5.2 e 5.3 sono rappresentati per i vari mesi il valore
minimo del 90° ed del 95° percentile delle PSD in unità dB re 1 µPa2/Hz, in funzione
della frequenza. Si osserva che il valore minimo del 90° percentile della PSD, in
funzione del mese ha un andamento simile a quello osservato per il minimo delle
medie. Esso cioè ha un valore ovviamente maggiore del minimo delle medie, poiché
rappresenta il 90% del rumore acquisito, ma costante in frequenza ( f > 7 kHz). Ciò
indica ancora che esso è sostanzialmente dovuto al contributo del rumore elettronico.
Ciò non accade per il minimo del 95° percentile denotando che circa il 10% del
campione dei dati acquisiti dalla stazione è costituita da segnali acustici impulsivi di
alta intensità.
Figura 5.2 Valore minimo del 90° percentile della PSD del rumore registrato in
funzione della frequenza,registrati nei vari mesi di acquisizione, in unità di dB re
1 µPa2/Hz.
percentile n-esimo; il 50% percentile di una distribuzione è denotato spesso come mediana della
distribuzione.
105
CAPITOLO 5
Figura 5.3 Valore minimo del 95° percentile della PSD del rumore registrato in
funzione della frequenza,registrati nei vari mesi di acquisizione, in unità di dB re
1 µPa2/Hz.
In figura 5.4 mostriamo, per tutto il campione di dati analizzato il valore medio della
PSD del rumore acustico sottomarino e, per confronto il valore del 90° e 95°
percentile ed il ‘sea state del mare’, in unità dB re 1 µPa2/Hz in funzione della
frequenza. Le ampiezze del 90° e 95° percentile sono ottenute sottraendo, al loro
valore calcolato il valore minimo del 90° percentile che, come abbiamo detto è
sostanzialmente pari al contributo massimo del rumore elettronico.
In figura è mostrato anche la curva della PSD massima ottenuta calcolando il valore
medio delle PSD massime registrate giornalmente. I valori massimi della PSD del
rumore, sono determinati sottraendo il valore minimo delle PSD medie (la
sottrazione del valore minimo del 90° percentile dà valori sostanzialmente identici: le
ampiezze massime acustiche registrate hanno valori
alcuni ordine di grandezza
superiori rispetto al rumore elettronico) e quindi mediando su tutto il campione di
dati.
106
CAPITOLO 5
Figura 5.4 Ampiezze massime, medie, 90° e 95° percentile del rumore del
mare calcolati su tutto il campione di dati preso in esame; per confronto si
mostra anche il rumore acustico corrispondente al ‘Sea State 0’ del mare
[URI82], in unità dB re 1 µPa2/Hz, in funzione della frequenza.
Osservando il grafico si nota che la curva della PSD massima è circa 20-30 dB
superiore al valore medio. In particolare si osserva nell’intervallo di frequenza
compreso tra 10 kHz e 25 kHz la PSD massima è circa 30 dB superiore al valore
medio: questo è l’intervallo di frequenza in cui sono registrate le emissioni di
Capodogli. Una ulteriore conferma delle emissioni di capodogli è presente a circa 2.5
kHz ma coperta dal rumore ambiente diffuso (prodotto dalle onde, dalle navi, ecc..).
Osservando il valor medio della PSD si nota che, ad alta frequenza f > 25 kHz essa è
circa 10 dB superiore al valore del SS0 (‘Sea State 0’) definito in letteratura come il
rumore medio del mare in condizioni di mare calmo ed in assenza di sorgenti
biologiche ed antropiche. A frequenze minori (5 kHz) i valori medi registrati sono
circa 3 ordini di grandezza superiori a quelli del SS0, evidenziano un notevole
contributo di origine antropica. Il valore medio della PSD evidenzia anche la
presenza di pinger che emette segnali tonali a 10 kHz e un’altra sorgente a ~24 kHz.
107
CAPITOLO 5
Il rumore prodotto dal pinger è visibile anche nella curva del 95° percentile mentre
non lo è nella curva del 90° percentile, indicando che esso emette segnali molto
intensi ma per poco tempo e che quindi sono presenti in meno del 10% dei campioni
della distribuzione del rumore a quella data frequenza.
La differenza tra il valore medio delle PSD ed il 90° percentile è circa 3dB,
indicando che il 90% di campioni della distribuzione hanno un rumore contenuto
entro un valore pari a 2 volte il valore medio della distribuzione.
Ricordiamo inoltre che le valli osservabili a 10 kHz e 27 kHz sono, come spiegato
nel precedente capitolo, dovute all’effetto di riflessioni e interferenza delle onde di
questa frequenza sulla struttura meccanica, e non sono state corrette in questa analisi.
Nel prosieguo (figure 5.5-5.17) mostreremo il valore di queste medesime grandezze
in funzione del mese per gli anni 2005 e 2006.
Figura 5.5 Valore medio, massimo, 90% e 95% della densità spettrale della
potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Maggio 2005 ed il ‘Sea
State 0’ del mare [URI82].
108
CAPITOLO 5
potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Giugno 2005 ed il ‘Sea
potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Luglio 2005 ed il ‘Sea
109
CAPITOLO 5
potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Agosto 2005 ed il ‘Sea
State 0’ del mare [URI82]..
.
potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Settembre 2005 ed il
‘Sea State 0’ del mare [URI82].
110
CAPITOLO 5
potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Ottobre 2005 ed il ‘Sea
potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Novembre 2005 ed il
111
CAPITOLO 5
potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Dicembre 2005 ed il
potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Luglio 2006 ed il ‘Sea
112
CAPITOLO 5
potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Agosto 2006 ed il ‘Sea
.
potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Settembre 2006 ed il
113
CAPITOLO 5
potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Ottobre 2006 ed il ‘Sea
potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Novembre 2006 ed il
.
114
5.3
CAPITOLO 5
Descrizione dei dati: contributo delle sorgenti biologiche
e antropiche.
Come spiegato ampiamente nei precedenti capitoli, OνDE ha avuto un’importante
valenza interdisciplinare poiché ha permesso di registrare ed identificare le emissioni
acustiche dei mammiferi marini che vivono o che transitano nel Golfo di Catania. Sul
campione preso in esame è stata effettuata, da parte del CIBRA, una analisi basata
sull’ascolto dei file acquisiti per la ricerca di segnali biologici. In tabella 5.2 e 5.3
sono riportati i risultati (ancora parziali) di tale analisi. In particolare nella tabella 5.2
sono riportati, in funzione del mese, il numero totale di registrazioni ed il numero di
registrazioni in cui sono stati identificati segnali di cetacei (capodogli o delfini).
Mese
N° di file
N° di detezioni
N° di detezioni
per i Capodogli
per i Delfini
Maggio ‘05
352
249 (71%)
Giugno ‘05
130
104 (80%)
Luglio ‘05
738
58 (8%)
Agosto ‘05
744
265 (36%)
528 (71%)
Settembre ‘05
563
54 (10%)
486 (86%)
Ottobre ‘05
602
130 (21%)
460 (76%)
Novembre ‘05
720
118 (13%)
537 (75%)
Dicembre ‘05
336
27 (8%)
231 (69%)
Luglio ‘06
369
172 (47%)
318 (86%)
Agosto ‘06
576
15 (3%)
513 (89%)
Settembre ‘06
493
4 (0.8%)
442 (90%)
Ottobre ‘06
469
283 (60%)
365 (78%)
Novembre ‘06
303
52 (17%)
252 (83%)
Tabella 5.2 Numero di file acquisiti in un mese e numero di detezioni per i capodogli e i
delfini.
115
CAPITOLO 5
In tabella 5.3 sono riportati, con maggiore dettaglio, i diversi tipi di suoni biologici
che sono stati distinti in tale analisi (effettuate per l’anno 2006), ed i rispettivi range
di frequenza. In particolare le registrazioni acquisite hanno permesso di catalogare il
numero di registrazioni in cui sono stati identificati click e fischi di delfini nel range
di frequenze da 1 a 40 kHz, il numero di registrazioni in cui sono presenti emissioni
di sonar (10 kHz) ed altri tipi di rumori antropici.
N°
Luglio ‘06
Agosto ‘06
Settembre ‘06
Ottobre ‘06
Novembre ‘06
Click
191
226
311
227
169
188
297
259
247
175
56
112
112
29
8
14
20
45
21
8
287
474
389
269
177
95
128
209
50
28
75
53
85
55
75
(1-12 kHz)
Click
(>20 kHz)
Click
(24-40 kHz)
Fischi
(< 4 kHz)
Fischi
(4-20 kHz)
Fischi Strani
(4-20 kHz)
Nacchere
(<10 kHz)
Tabella 5.3 Numero di registrazioni in cui sono presenti click e fischi di delfini
identificati nel campione di dati registrato nell’anno 2006.
Tali dati, risultano molto interessanti per un confronto con i grafici mostrati nelle
figure 5.5-5.17 per lo studio del rumore continuo e impulsivo.
Si osserva che il mese di Ottobre 2006 presenta un elevato rumore medio, che è a 15
kHz, di circa 4 dB superiore rispetto alla media ed i valori massimi sono
caratterizzati da forti emissioni di capodogli presenti in circa l’80% dei file registrati,
raggiungendo mediamente un’ampiezza di 80 dB a circa 12 kHz in tutto il mare.
116
CAPITOLO 5
Valori massimi aventi pressappoco pari intensità, si osservano nel mese di Agosto
2005 indicando, anche in questo caso, la presenza di capodogli vicini alla stazione.
Nel mese di Maggio e Giugno 2005 la percentuale di file in cui sono presenti
capodogli è rispettivamente circa il 70% e l’80% del totale delle registrazioni ma il
livello massimo di emissione registrato è circa 10 dB inferiore rispetto ai mesi di
Ottobre 2006 ed Agosto 2005. Ciò è dovuto alla maggiore distanza degli animali in
transito rispetto alla stazione. I segnali di capodogli sono sempre identificabili con
presenza minore del 10% nei mesi di Dicembre 2005, Agosto 2006 e Settembre
2006.
Le emissioni di delfini, click e fischi, sono sostanzialmente le maggiori sorgenti del
rumore massimo registrati nella banda 30-45 kHz. La loro presenza pressoché
costante in entrambi gli anni di registrazione determina, in questa banda, un rumore
massimo che vale circa 47 dB a 35 kHz, quasi costante in tutti i mesi. Uniche
eccezioni Agosto 2005 ed Ottobre 2006 in concomitanza della massiccia presenza di
capodogli e probabilmente di altri cetacei non ancora identificati.
Per quanto riguarda i rumori di origine antropica, contribuiscono al rumore diffuso a
bassa frequenza prodotto dalle attività di navigazione (commerciali e di pesca),
inoltre è evidente la presenza di un pinger che ha emesso un segnale tonale a 10 kHz
nei mesi di Luglio, Agosto, Novembre, Dicembre 2005 e Luglio, Agosto e
Novembre 2006 (nel Dicembre 2006 la struttura era spenta).
Un altro segnale, probabilmente un sonar, si osserva nel mese di Giugno ed Agosto
2005 a circa 3 kHz; nel mese di Settembre 2005 un altro sonar è presente a circa 12
kHz.
Segnali tonali, non ancora identificati, si osservano nei mesi di Dicembre 2005 alla
frequenza di 5 kHz con un’ampiezza di circa 72 dB, e a Novembre 2006 intorno a
24-26 kHz che raggiungono circa i 50 dB di potenza acustica. Altri segnali non
identificati ma molto evidenti si osservano nel mese di Maggio 2005 a circa 23.5 kHz
con una ampiezza di circa 65 dB. Nel mese di Settembre 2006 si osserva
un’emissione intensa, evidente solo nella curva dei massimi, dovuta ad un segnale
incognito a circa 4 kHz che raggiunge una potenza acustica di circa 76 dB.
117
CAPITOLO 5
I valori medi, 90° e 95° percentile della PSD, subiscono variazioni di circa 4 dB a 15
kHz e 3 dB a 35 kHz attorno ai loro valori medi mostrati in figura 5.4.
5.4
Determinazione dell’ampiezza del rumore
Ottenuta come descritto la densità spettrale di potenza del rumore acustico in
funzione della frequenza è possibile determinare l’ampiezza media del rumore di
fondo acustico per intervalli di frequenze. Ricordiamo che, dal teorema di Parseval,
la densità di potenza trasportata da un’onda è proporzionale a
P∝∫
∞
−∞
X ( f ) 2 df
(5.3)
dove X è la componente della trasformata di Fourier del segnale alla frequenza f, e
che la densità spettrale di potenza è
P( f ) ∝ X ( f )
2
(5.4)
quindi in un dato intervallo di frequenze la densità di potenza trasportata dall’onda è:
∆P ( f1 , f 2 ) ∝ ∫
f2
f1
2
X ( f ) df
(5.5)
Di conseguenza per determinare l’ampiezza media dell’onda di pressione in
determinate bande di frequenza si deve sostanzialmente calcolare l’integrale della
PSD ponendo, come estremi di integrazione, gli estremi della banda di frequenza
oggetto di indagine.
118
CAPITOLO 5
L’analisi in bande di frequenza può essere condotta integrando su bande di frequenza
con larghezza costante oppure su bande aventi larghezza crescente: le cosiddette
bande d’ottava o bande di terzi d’ottava utilizzate per descrivere rumori che hanno
ampiezza molto decrescenti in funzione della frequenza. In questo lavoro di tesi
l’analisi è stata condotta nel range di frequenze tra 10 e 40 kHz utilizzando bande di
frequenza con larghezza costante. In particolare abbiamo scelto gli intervalli: [10;
20] kHz, [20; 30] kHz, [30; 40] kHz, aventi frequenze centrali, rispettivamente a 15
kHz, 25 kHz, e 30 kHz. Tali intervalli sono di interesse particolare per la rivelazione
acustica dei suoni prodotti dai cetacei in mare e per gli studi di neutrini acustici di cui
si occuperà la Collaborazione NEMO [RIC06]. Nel dettaglio, dopo aver determinato
la media, i massimi, il 90° e il 95° percentile della PSD media (per ogni mese preso
in esame) del rumore del mare (PSDmare), questi valori sono stati integrati nelle bande
di frequenza scelte per determinare l’ampiezza media del rumore:
1
2
Ap ( f1 , f 2 ) =  ∫ PSDmare ( f )df  .
 f1

f2
(5.6)
In figura 5.18 è mostrata l’ampiezza di pressione del valore massimo del rumore del
mare nelle bande di frequenza [10, 20], [20, 30],[30, 40] kHz (dall’alto verso il
basso) per gli anni 2005 e 2006, in unità mPa in funzione dei mesi analizzati.
119
CAPITOLO 5
Figura 5.18 Ampiezza di pressione massima nelle bande di frequenza [10, 20],
[20, 30],[30, 40] dall’alto verso il basso, per gli anni 2005 e 2006, in unità mPa in
funzione dei mesi. L’errore statistico su queste misure è trascurabile.
Dalla figura si evidenzia nelle bande di frequenza [10, 20] kHz, [20, 30] kHz un
livello di rumore molto alto per i mesi di Luglio e Ottobre 2006 e per Agosto 2005
imputabile alla presenza di capodogli in transito vicino la stazione. Anche nei mesi di
Maggio e Ottobre 2005 è evidente la presenza di capodogli poiché si ha un livello di
rumore più basso rispetto ai mesi precedentemente elencati ma ugualmente
significativo. Esclusi i livelli di rumore massimo registrati, in media, le ampiezze di
rumore si mantengono intorno ai 150 mPa nella banda di frequenza [10, 20] kHz,
circa 50 mPa nella banda [20, 30] kHz, e a circa 20 mPa per la banda [30, 40] kHz.
In figura 5.19 riportiamo le ampiezze di pressione del 90° percentile del rumore del
mare nelle stesse bande di frequenza dette sopra, unità mPa in funzione dei mesi.
120
CAPITOLO 5
Figura 5.19 Ampiezza di pressione del 90° percentile nelle bande di frequenza
[10, 20], [20, 30],[30, 40] dall’alto verso il basso, per gli anni 2005 e 2006, in
unità mPa in funzione dei mesi. L’errore statistico su queste misure è trascurabile.
In questa figura, si nota che le ampiezze del rumore registrato nei due anni presi in
esame, sono sovrapponibili ed hanno valori medi rispettivamente di circa 12 mPa per
la banda [10, 20] kHz, 4 mPa per la banda [20, 30] kHz e 2.5 mPa per la banda [30,
40] kHz. In particolare si nota che nel mese di Ottobre 2006 nelle bande di frequenza
[10, 20] kHz e [20, 30] kHz,
sono evidenti dei picchi dovuti al passaggio di
capodogli. Per quanto riguarda l’incremento delle ampiezze del rumore registrato
osservabile nei mesi di Novembre e Dicembre 2005 e 2006 è probabilmente funzione
delle condizioni meteorologiche che sarà oggetto di indagine in successivi studi.
Nella banda di frequenza [30, 40] kHz si osserva invece per entrambi gli anni un
decremento di rumore dai mesi primaverili ai mesi invernali, imputabile
probabilmente alla minore attività biologica dei delfini. La differenza tra le ampiezze
di rumore misurato nei due anni di acquisizione in questa banda di frequenza è
attualmente in fase di studio.
Infine in figura 5.20 è raffigurata l’ampiezza di pressione relativa ai valori medi
registrati, sempre in unità mPa in funzione dei mesi nei due anni presi in esame.
121
CAPITOLO 5
Figura 5.20 Ampiezza di pressione media nelle bande di frequenza [10, 20], [20,
30],[30, 40] dall’alto verso il basso, per gli anni 2005 e 2006, in unità mPa in
funzione dei mesi. L’errore statistico su queste misure è trascurabile.
Si osserva una perfetta sovrapposizione dei valori delle ampiezze di rumore registrati
nei due anni. Sono ancora riconoscibili i contributi dovuti alla presenza di capodogli
nelle bande di frequenza [10, 20] kHz e [20, 30] kHz, in cui le ampiezze medie sono
rispettivamente circa 10 mPa e 3 mPa. Nella banda [30, 40] kHz il valor medio del
rumore nei mesi da Maggio ad Agosto 2005 e Luglio ed Agosto 2006 vale circa 1.5
mPa.
Dal mese di Settembre a Dicembre sia nel 2005 che nel 2006 tale valore è circa 1.2
mPa dovuto sostanzialmente al rumore medio prodotto, come detto, dalle frequenti
emissioni di delfini ed al rumore ambientale diffuso, le cui sorgenti non sono
facilmente identificabili. Il decremento osservato in questa banda nei mesi invernali
sembra essere dovuto, come detto, alla minore attività dei delfini, mentre il
peggioramento delle condizioni meteorologiche produce un rumore non osservabile
in tali bande poiché, ricordiamo, esso contribuisce al livello del rumore per frequenze
inferiori a circa 25 kHz.
122
DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA
CAPITOLO 6
CAPITOLO 6
DETERMINAZIONE DELLE CARATTERISTICHE
FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI
ACUSTICA
6.1 Il Capodoglio (Physeter macrocephalus)
Il capodoglio è uno dei mammiferi marini che popola il Mar Mediterraneo e che sarà
oggetto del nostro studio.
Il capodoglio è il più grande Odontocete oggi esistente è dotato di denti, seppure
nella sola mandibola inferiore, ed è un attivo predatore. Esso ha un aspetto
caratteristico ben diverso da quello degli altri Odontoceti più noti, delfini, focene e
orche. Ad un navigatore che ha la fortuna di incontrarlo, appare come un grosso e
rugoso tronco in superficie, poiché di esso si riesce a scorgere solo il dorso ed il
capo squadrato, seguiti dalla piccola pinna dorsale di forma triangolare
A volte si può osservare la maestosa pinna caudale, triangolare, che viene
elegantemente esposta prima di ogni immersione, il caratteristico margine posteriore
rettilineo, ed il soffio peculiare, inclinato in avanti e leggermente a sinistra, a causa
della posizione dello sfiatatoio (figura 6.1).
123
CAPITOLO 6
Figura 6.1 Forma e profili caratteristici del capodoglio
Soltanto l’osservazione subacquea mostra interamente la mole colossale del
capodoglio (il maschio può raggiungere 18m di lunghezza, la femmina 13m) in tutte
le sue fattezze. Il capo enorme e il tronco anteriore, rappresentano 1/3 dell’intera
lunghezza dell’animale, sono evidenti anche la mandibola corta, sottile, orlata di
bianco e con l’apice arretrato rispetto alla punta del capo, pinne pettorali corte e
allargate (figura 6.2). In tabella 6.1 è riportata la posizione tassonomica del
capodoglio.
Figura 6.2 Foto subacquea di un capodoglio.
124
Ordine:
Cetacei
Sottordine
Odontocetae
Famiglia
Physeteridae
Genere
Physeter
Specie
Physeter macrocephalus
Nome comune
Capodoglio
Nome inglese
Sperm whale
CAPITOLO 6
Tabella 6.1 Posizione tassonomica del capodoglio.
La più interessante delle particolarità anatomiche del capodoglio è l’organo dello
spermaceti. Essa è una struttura allungata e cilindrica, situata anteriormente al cranio
e sopra la mascella che si protende in avanti; è rivestito da tessuto muscolare e
contiene un tessuto spugnoso ed una sostanza grassa unica, lo spermaceti, costituita
da cere e trigliceridi. La funzione dell’organo dello spermaceti, nei secoli
ampiamente dibattuta, è ancora non completamente chiarita. Per molto tempo si è
ritenuto che fosse coinvolto nel mantenimento dell’equilibrio idrostatico. Secondo la
teoria di Norris e Harvey, l’organo dello spermaceti è coinvolto nella produzione e
proiezione verso l’esterno dei click di ecolocalizzazione, risultanti dalla multipla
riflessione di un suono impulsivo prodotto dalle cosiddette monkey lips (Mo) poste
frontalmente, al di sotto dello sfiatatoio (figura 6.3).
Figura 6.3 Capo di capodoglio.
125
CAPITOLO 6
I capodogli sono distribuiti in tutti i mari del mondo, dall’equatore al pack polare,
tuttavia soltanto i maschi maturi vengono trovati alle latitudini più alte mentre le
femmine e i giovani difficilmente si spingono al di là dei 40° N e 40° S. E’
generalmente accettata l’ipotesi che i maschi compiano stagionali migrazioni
verticali tra aree deputate alla riproduzione in prossimità dell’equatore e aree
deputate all’alimentazione a latitudini più alte, mentre le femmine sarebbero più
sedentarie.
L’organizzazione sociale di questi animali consiste in due tipi di gruppo: gruppi misti
(breeding schools), composti da femmine di tutte le età e piccoli di entrambi i sessi, e
gruppi di maschi sessualmente maturi, solitamente della stessa taglia, che formano
aggregazioni lasse, probabilmente in aree ad elevata concentrazione di cibo
(bachelor schools). L’alimentazione dei capodogli è teutofaga, prevalentemente
costituita da cefalopodi mesopelagici di medie e larghe dimensioni (da 100g ad oltre
100kg). A differenza di altre specie di cetacei sembra che essi si alimentino durante
tutto l’anno e a qualsiasi ora del giorno e della notte [PAP89]. Per catturare le loro
prede i capodogli si spingono a profondità abissali (in media 500-800m ma anche
oltre i 2000m), compiendo immersioni eccezionali (solitamente 30-45 minuti, ma
anche più di 1 ora); la coscienza della propria posizione nello spazio e
l’individuazione della preda in un ambiente buio e senza punti di riferimento avviene
attraverso l’emissione di sequenze continue di particolari suoni, i click di
ecolocalizzazione, e l’ascolto e interpretazione delle riflessioni dal fondo, dalla
superficie, e da eventuali ostacoli o prede.
I capodogli sono mammiferi che raggiungono molto tardi la maturità sessuale,
intorno a 9 anni le femmine, tra i 10 e i 20 anni i maschi; le femmine danno alla luce
un solo piccolo ogni 4-5 anni; i cuccioli prendono il latte per almeno due anni, ma
l’età dello svezzamento può anche essere molto posticipata; la durata della vita è
oltre i 50 anni.
Essi sono stati vittime di un’intensa caccia in tutti gli oceani del mondo, soprattutto
durante il diciottesimo e il diciannovesimo secolo ed ancora, dopo una pausa dovuta
all’avvento del petrolio (che ha soppiantato l’uso del loro grasso), a partire da metà
del ventesimo secolo fino all’entrata in vigore di una moratoria globale controllata
126
CAPITOLO 6
dell’IWC (International Whaling Commission) negli anni ’80 che nacque dalla
constatazione di un eccessivo depauperamento delle popolazioni. Gli effetti di questo
ipersfruttamento non sono perfettamente conosciuti ma hanno sicuramente portato ad
un decremento del numero di maschi e quindi del potenziale riproduttivo della
specie. Oggi nuove minacce incombono sulla popolazione rimanente, tra cui: la
ripresa della caccia da parte dell’industria baleniera giapponese, l’inquinamento
chimico, soprattutto quello dovuto a metalli pesanti e organoclorurati, le collisioni
con le imbarcazioni, l’interazione con le attività di pesca, e soprattutto
l’inquinamento acustico. Quest’ultimo rappresenta una delle peggiori minacce per
tali animali la cui comunicazione e interazione con l’ambiente dipende strettamente
dai suoni. Diversi studi dimostrano che i capodogli variano il loro comportamento, le
loro vocalizzazioni e la loro distribuzione in risposta a suoni non biologici, come
quelli prodotti dalle navi sismiche che esplorano gli oceani alla ricerca di depositi di
petrolio oppure i sonar delle navi militari. In alcuni casi, i capodogli possono
“sopportare” il disturbo acustico, rischiando però danni all’udito che possono essere
devastanti riducendo le opportunità di alimentazione, di accoppiamento e
aumentando il rischio di collisione. Per i cetacei si parla di una soglia di disturbo
intorno ai 120 dB, una soglia di danno all’udito di circa 150 ÷ 160 dB e una soglia di
danno permanente di 170 ÷ 180 dB.
6.2 Bioacustica dei capodogli
I capodogli emettono quasi esclusivamente un unico tipo di suono: i click. Essi sono
impulsi a frequenze comprese tra 5 e oltre 25 kHz, con una pressione acustica
elevata, superiore a 223 dB [MOH02] e con alta direzionalità [MOH02].
Analizzando la struttuta di un click si nota che esso è costituito da impulsi multipli (3
o più), derivanti dalla multipla riflessione del suono emesso all’interno dell’organo
dello spermaceti; l’intervallo compreso tra gli impulsi che costituiscono un click
prende il nome di Inter-Pulse-Interval (IPI) [NOR72] [GOR91] [GOO96][PAV97].
127
CAPITOLO 6
I capodogli usano i click in varie circostanze e arrangiandoli in vari pattern.
Durante le immersioni profonde, quando i capodogli navigano e/o si alimentano,
vengono emesse continue sequenze di click, note come “usual click” o “regular
click” (figura 6.4). Molti Autori pensano che esse servano per ecolocalizzare le prede
[BAC66] [NOR72] [GOR87] [GOO95]. Un’altra ipotesi contrastante sostiene che
tali sequenze servano per mantenere il contatto tra gli animali, ma è un’ipotesi che
vacilla alla luce delle conoscenze oggi disponibili.
Sembra comunque ragionevole pensare che con la funzione propriamente di
posizionamento
ed
ecolocalizzazione
possa
coesistere
un
potenziale
di
comunicazione sociale che diventa predominante con altri tipi di sequenze di click
usate in contesti sociali.
Figura 6.4 Click regolari ad alta intensità prodotti da un solo individuo. Il click
successivo non appartiene ad un altro animale ma è l’eco sulla superficie dell’impulso
emesso dall’unico individuo presente.
Le sequenze sono generalmente costituite da impulsi emessi con un tasso di
ripetizione costante o lentamente variabile (inter-click interval compreso tra 0.5 e 2
s). A volte il tasso di ripetizione può accelerare rapidamente dando origine a quelli
che vengono definiti “creak”; in questo caso, l’intervallo tra i click si riduce a 5-100
128
CAPITOLO 6
ms, la durata della sequenza è compresa tra 0.1 e 45 s e i segnali sono meno potenti
(l’ampiezza diminuisce all’aumentare del tasso di ripetizione). I creak possono essere
prodotti sia in profondità che in superficie. Nel primo caso, il tasso di ripetizione può
accellerare durante la sequenza e ad essi si attribuisce il significato di focalizzazione
sulla preda. Nel secondo, l’intervallo tra click è più lungo e costante e ciò potrebbe
essere utile per avere informazioni su conspecifici o imbarcazioni nelle vicinanze. I
creak in superficie vengono anche distinti da alcuni autori in “rapid click” (brevi
sequenze con tasso di ripetizione di 80 click al secondo) [NOR72] [GOR87] e
“chirrups” (figura 6.5) (sequenze di 10-25s emesse con un tasso di ripetizione di 220
click al secondo) [GOR87].
Figura 6.5 Chirrups: breve sequenza di click ad un tasso di ripetizione più alto rispetto ai
regular click.
Un altro modello di click è il “coda”. In questo tipo di vocalizzazione talvolta gli
impulsi secondari maggiormente pronunciati conferiscono al coda un tono
‘metallico’. La sequenza dei coda è estremamente variabile tra differenti popolazioni
o stock: ad esempio, in Mediterraneo la struttura prevalente è la 3+1 (3 click-pausa-1
click) [PAV00], alle Galapagos invece è la 5 (5 click) anche se ne sono state
129
CAPITOLO 6
ascoltate 20 differenti. Sembra quindi esserci una variabilità geografica nel repertorio
dei coda [GOR87] ed anche una certa persistenza di essi all’interno di uno stesso
gruppo, per svariati anni. La funzione dei coda non è stata ancora esattamente
individuata. Tuttavia le osservazioni mostrano che piccoli in cattività producono
coda mentre grandi adulti raramente lo fanno ciò potrebbe suffragare l’ipotesi di una
funzione di comunicazione, essendo i piccoli altamente sociali e i grossi maschi
generalmente solitari. Secondo Pavan i coda da maschi adulti sono rilevati solo
quando altri maschi adulti sono udibili nell’area [PAV00].
Nonostante la quasi totalità dei suoni dei capodogli siano click, esistono alcune
evidenze che essi possano emettere anche suoni tonali, simili a trombette e per
questo definiti “trumpet”, ascoltati subito dopo il “fluke up” innalzamento della
pinna caudale che inizia un’immersione [GOR87], e suoni prolungati a frequenze
modulate, definiti “squeels”, emessi da animali rimasti intrappolati. La funzione di
questi suoni diversi dai click è sconosciuta.
Figura 6.6 Coda 3+1: tre click consecutivi, pausa, un click. Si distinguono debolmente anche
click ad alta frequenza di delfinidi.
130
CAPITOLO 6
6.3 Determinazione della taglia del capodoglio con metodi
bioacustici
La stima della taglia nei mammiferi marini, gioca un ruolo molto importate per poter
stabilire le dimensioni e la composizione del gruppo; spesso questo criterio è usato
anche per risalire all’età e maturità sessuale degli individui [ANG95] [KOS93].
La struttura impulsiva del click di capodoglio [BAC66] offre un buon metodo per
stimare acusticamente la lunghezza del corpo degli individui. Tale metodo si basa
sull’osservazione che i capodogli, producono click impulsivi;
Noris e Havey
avanzarono l’idea che l’organo nasale ipertrofico del capodoglio veniva coinvolto
per la produzione di suoni. Nel loro lavoro gli autori suggerirono che l’emissione di
un singolo impulso iniziale è generato dalle strutture che si trovano nel complesso
nasale (phonic lips) (Mo) (figura 6.7) e venendo riflesso dalle sacche d’aria poste
all’estremità anteriore e posteriore dello spermaceti (Fr) generava dei click multiimpulsivi. Secondo questo modello il primo impulso emesso è di ampiezza più alta
ed è proiettata direttamente verso l’esterno (mare) ed il successivo impulso ha
un’ampiezza decrescente dovuta alla riflessione in dietro nella sacca d’aria Fr. Mohl
corresse la teoria di Noris e Havey e propose che la maggior parte dell’energia
sonora emessa è diretta indietro nell’organo dello spermaceti e che solo una piccola
frazione di energia viene emessa direttamente frontalmente in acqua creando il
debole impulso detto ‘P0’. Quindi la maggior parte dell’energia sonora viaggia
attraverso l’organo dello spermaceti (So) e il junk complex (Ju) prima di essere
emesso nell’acqua come impulso ‘P1’ ben definito. Studi recenti hanno rinforzato le
basi di questo modello definito ‘Bent-Horn’ mostrando che il suono è senza dubbio
generato dal naso (Mo) e che lo stimolo che riceve l’organo dello spermaceti1 (So) fa
sì che vengano generati impulsi successivi che si riflettono avanti e indietro tra le due
sacche d’aria Di ed Fr.
1
Lo spermaceti è la sostanza lipidica contenuta nella testa del capodoglio tra le due sacche d’aria Di e
Fr, visibile nella figura 6.7.
131
CAPITOLO 6
In figura 6.7 è schematizzato il modello Bent-Horn di produzione di click ed è
mostrata la sequenza degli impulsi che compongono il click del capodoglio, la IPI è
proporzionale a due volte la lunghezza dello spermaceti. Quindi calcolando i tempi di
ritardo delle riflessioni fra i vari impulsi registrati (generalmente i più visibili sono
P1 e P2) è possibile risalire alle dimensioni della testa del capodoglio che
ricordiamo, occupa circa 1/3 dell’intero corpo.
B: brain
Bl: blow hole
Ro: rostrum
Rn: right naris
Di: distal air sac
Ma: mandible
So: spermaceti organ
Fr: frontal air sac
Mo: monkey/phonic lips
MT: muscle/tendon layer
Figura 6.7 Modello Bent-Horn della generazione del suono in un capodoglio.
In figura 6.8 sono mostrate le caratteristiche del ‘click’ del capodoglio registrato con
idrofoni. Dal confronto tra le due misure riprodotte nei grafici a) e b) si osserva una
differenza di ampiezza dell’impulso P0, ciò è dovuto alla posizione che assume il
capodoglio rispetto all’idrofono. Difatti quando il capodoglio viaggia in direzione
frontale rispetto all’idrofono è possibile osservare l’impulso P0, seguito da P1, P2 e
raramente il P3 dovuti alle riflessione che avvengono tra le due sacche d’aria.
132
CAPITOLO 6
Figura 6.8 Impulsi che compongono un click di Capodoglio misurati: a) quando è
in direzione frontale rispetto all’idrofono; b) quando esso è in direzione opposta
rispetto all’idrofono.
Nei prossimi paragrafi viene mostrata l’analisi di alcuni segnali emessi da capodogli
registrati con la stazione OνDE al fine di determinare le dimensioni del capodoglio,
utilizzando il calcolo delle differenze temporali fra i due impulsi P1 e P2, e di risalire
alla sua posizione e alla profondità a cui esso si trovava nell’istante in cui ha emesso
il click.
6.4 Determinazione delle caratteristiche di un capodoglio
identificato acusticamente con la stazione OνDE
Per questa analisi è stata scelta una registrazione in cui è presente un solo esemplare
che emette click ad intervalli regolari. Tale registrazione è stata effettuata giorno 14
Novembre 2006 alle ore 23:30. In figura 6.9 vengono riportati 60 secondi del segnale
registrato dall’idrofono H3, in cui l’ampiezza del segnale è espressa in Volt in
133
CAPITOLO 6
funzione del tempo, ed in figura 6.10 è riportato il valor medio, massimo, 90° e 95°
percentile della PSD calcolata (come descritto nel capitolo precedente) nei cinque
minuti totali della registrazione, espresse in unità µPa2/Hz, in funzione della
frequenza.
Figura 6.9 Primi 60 secondi del segnale registrato dall’idrofono H3 giorno 14
Novembre 2006 alle ore 23:30, espresso in Volt in funzione del tempo.
134
CAPITOLO 6
Figura 6.10 Valor medio, massimo, 90° e 95° percentile della PSD calcolata per il
segnale registrato dall’idrofono H3 giorno 14 Novembre 2006 alle ore 23:30,
espresso in unità µPa2/Hz, in funzione della frequenza.
Utilizzando le librerie di trattamento dei segnali presenti in Matlab è possibile
implementare un filtro numerico passa banda. In particolare abbiamo disegnato un
filtro FIR (Finite Impulse Response) con banda passante 1.5 ÷ 35 kHz e attenuazione
fuori banda di –100 dB, per poter evidenziare i suoni emessi dal capodoglio. In
figura 6.11 riportiamo il filtro da me implementato.
135
CAPITOLO 6
Figura 6.11 Filtro FIR (Finite Impulse Response) con banda passante 1.5 ÷ 35
kHz e attenuazione di –100 dB.
Quindi applicando il filtro così costruito al campione di dati, si ottiene il segnale
mostrato in figura 6.12.
Figura 6.12 60 secondi del segnale registrato dall’idrofono H3 giorno 14 Novembre
2006 alle ore 23:30, espresso in Volt in funzione del tempo a cui è stato applicato il
filtro FIR (Finite Impulse Response) con banda passante 1.5 ÷ 35 kHz e attenuazione
di –100 dB.
136
CAPITOLO 6
Dal segnale filtrato è possibile riconoscere sia gli intensi click di capodoglio che i
click di delfino aventi bassa ampiezza. Come spiegato ampiamente nel capitolo 4,
nota la sensibilità degli idrofoni e quindi noto il coefficiente di calibrazione della
stazione è possibile convertire il segnale da Volt in unità di Pa. In figura 6.13
rappresentiamo il segnale registrato, filtrato, con ampiezze espresse in unità di mPa
in funzione del tempo.
Figura
H3 giorno
Figura 6.13
6.13 60
60 secondi
secondi del
del segnale
segnale registrato
registrato dall’idrofono
dall’idrofono H3
giorno 14
14
Novembre
2006
alle
ore
23:30,
espresso
in
Pa
in
funzione
del
tempo
a
cui èè stato
stato
Novembre 2006 alle ore 23:30, espresso in Pa in funzione del tempo a cui
applicato il
il filtro
filtro FIR
FIR (Finite
(Finite Impulse
Impulse Response)
Response) espresso
applicato
espresso in
in unità
unità mPa
mPa in
in funzione
funzione
del tempo.
tempo.
del
La figura 6.14 mostra i primi 6 secondi del segnale di figura 6.13 in cui sono evidenti
due intensi click emessi dall’animale e le loro riflessioni sulla superficie del mare che
sono registrate dal nostro apparato di misura dopo circa 75 msec rispetto al click.
137
CAPITOLO 6
Figura 6.14 Primi 6 secondi del segnale filtrato in unità mPa in funzione del tempo
in cui sono evidenti due click di capodoglio con le rispettive riflessioni.
In figura 6.15 è riprodotto lo spettrogramma2 del primo click di figura 6.14, della sua
riflessione e del secondo click ottenuto utilizzando il software SeaPro realizzato dal
CIBRA, in cui sono anche evidenti i click di delfino nel range di frequenze 20 ÷ 40
kHz.
2
Lo spettrogramma è un diagramma spettro vs tempo.
138
CAPITOLO 6
Figura 6.15 Spettrogramma del primo click, della sua riflessione e del secondo
click ottenuto utilizzando il software SeaPro.
6.4.1 Calcolo delle dimensioni del capodoglio
Abbiamo utilizzato, quindi le librerie del software MATLAB, al fine di analizzare
più in dettaglio la struttura temporale di click. In figura 6.16 riportiamo la sequenza
dei tempi di arrivo del primo click registrato da tutti e quattro gli idrofoni (H1, H2,
H3, H4) in unità µPa in funzione del tempo espresso in campioni (1 campione
=1/96000 sec). E’ possibile osservare che lo stesso segnale presenta tempi di arrivo
diversi sui quattro idrofoni, dovuti alla diversa posizione ed orientazione degli
idrofoni rispetto alla sorgente di emissione.
139
CAPITOLO 6
Figura 6.16 Particolare del primo click registrato da tutti e quattro gli idrofoni in
unità µPa in funzione dei campioni.
Calcolando la funzione di correlazione tra il segnale registrato dall’idrofono H33 ed i
restanti idrofoni è possibile determinare le differenze dei ritardi dei tempi di arrivo
sui quattro idrofoni e sovrapporre i quattro segnali registrati come mostrato in figura
6.17. I tempi di ritardo misurati sono espressi in campioni, sono calcolati rispetto
all’idrofono H3 e sono uguali a: ∆t H 3− H 1 = 68 campioni, ∆t H 3− H 2 = 20 campioni,
∆t H 3− H 4 = 32 campioni, rispettivamente per le coppie di idrofoni H1-H3, H2-H3, H4H3.
3
L’idrofono H3 regista prima il segnale perché è posto più in alto rispetto agli altri (come detto nel
capitolo 3) e la stazione è ancorata sul fondo del mare.
140
CAPITOLO 6
Figura 6.17 Particolare del primo click registrato da tutti e quattro gli idrofoni in
unità µPa in funzione dei campioni, a cui è stata applicata la correlazione tra i
quattro idrofoni.
Tutto ciò permette di effettuare un’analisi più accurata del click e di poter
evidenziare la struttura dei segnali P1 e P2, al fine di determinare la differenza
temporale tra di essi. Infatti osservando la figura 6.17 si evidenzia un primo massimo
al tempo corrispondente a circa 180 campioni ed un secondo quasi a 600 campioni,
essi sono gli impulsi P1 e P2 del click [PAV07]. Calcolando la differenza tra i tempi
dei due segnale è quindi possibile risalire alle dimensioni della testa del capodoglio e
quindi alle dimensioni effettive dell’animale. Effettuando la stessa analisi per il
secondo click analizzato si ritrovano i medesimi tempi di ritardo. Se indichiamo con
L la lunghezza dello spermaceti dell’animale esso sarà uguale a L = ∆t ⋅ c / 2 , dove
∆t è la differenza tra i tempi di arrivo di P1 e di P2 e c è la velocità del suono nel
mezzo. Nella nostra trattazione abbiamo assunto inoltre che la velocità del suono
nello spermaceti sia uguale a quella dell’acqua.
Ricordando che la velocità del suono in mare varia in funzione della profondità
(figura 6.18), e potendo determinare (come vedremo nel seguito) che la profondità di
navigazione dell’animale è 560 m, abbiamo considerato cs=1537 [m/sec].
141
CAPITOLO 6
Figura 6.18 Profilo della velocità del suono misurata nel Test Site di Catania in
varie stagioni in funzione della profondità.
Il tempo t è stato determinato, per i quattro idrofoni calcolando il numero di
campioni che intercorrono tra il massimo del P1 e l’ampiezza massima del P2 e
imponendo che 1 campione=1/96000 sec. Ricordiamo che calcolando L per tutti e
quattro gli idrofoni e per i due click presi in esame si trovano i seguenti valori:
L [m]
3.41
3.40
3.42
3.41
click 1
3.41
3.41
3.41
3.41
click 2
Tabella 6.2 Distanze tra P1 e P2 calcolate per i due click, espressa in
metri.
Calcolando la media sulle distanze trovate si determina che la dimensione dello
spermaceti ha un valore pari a 3.41 m, con una σ di qualche mm. Sapendo che la
testa del capodoglio è 1/3 dell’intero corpo, si determina che la dimensione
dell’animale è compresa tra 9.72 m e 10.50 m a seconda dei modelli biologici
142
CAPITOLO 6
proposti da Mohl, Gordon e altri [MOH02] [GOR91]. Queste sono le dimensioni
tipiche di un giovane maschio o di una femmina.
6.4.2 Determinazione dello spettro del segnale emesso dal
capodoglio
Abbiamo quindi analizzato lo spettro dei due segnali P1 e P2 per tutti e quattro gli
idrofoni e per entrambi i click, al fine di determinare le componenti in frequenza che
caratterizzano il click del capodoglio. Per questa analisi si è calcolata la PSD
suddividendo il segnale mostrato in figura 6.17 in due blocchi da 512 campioni e si è
quindi scelto un numero di punti su cui calcolare la DFT pari a 512, contro i 2048
usati nell’analisi descritta nel capitolo precedente. Nelle figure 6.19-6.22 sono
mostrati gli spettri espressi in unità µPa2/Hz in funzione della frequenza dei due click
presi in esame, distinguendo i segnali P1 e P2. Confrontando la figura 6.19 con la
6.21 che rappresentano il segnale di P1 del primo e del secondo click, entrambe
presentano una struttura complessa e sono ben evidenti i tagli a 1.5 e 35 kHz dovuti
al filtro applicato al segnale. Lo spettro di potenza è quasi identico e presenta un
massimo tra 2 e 4 kHz con una ampiezza oltre gli 83 µPa2/Hz seguito da un picco di
ampiezza minore (~ 78 µPa2/Hz). Oltre i 5 kHz lo spettro ha una ampiezza di circa
65 µPa2/Hz, e un altro picco tra i 16 e i 17 kHz, a questa frequenza si osserva una
differenza tra i due click di circa 4 ÷ 5 µPa2/Hz. Oltre i 20 kHz si ha un andamento
gradualmente decrescente della PSD.
Gli spettri del P2, sostanzialmente identici per i due click mostrano componenti ad
f<5 kHz molto attenuate mentre il picco tra 16 e 17 kHz è attenuato solo di 6 dB.
Integrando lo spettro tra 3 e 35 kHz si ottiene che la potenza del segnale P2 è circa
del 20% inferiore a quella del P1.
143
CAPITOLO 6
Figura 6.19 PSD del primo click relativo al segnale P1 espressa in unità µPa2/Hz in
funzione della frequenza espressa in kHz.
Figura 6.20 PSD del primo click relativo al segnale P2 espressa in unità µPa2/Hz in
144
CAPITOLO 6
Figura 6.21 PSD del secondo click relativo al segnale P1 espressa in unità µPa2/Hz in
Figura 6.22 PSD del secondo click relativo al segnale P2 espressa in unità µPa2/Hz in
145
CAPITOLO 6
In figura 6.23 sono, infine riprodotte le ampiezze medie in unità dB re 1 µPa, la
media è calcolata sui segnali ricevuti dai quattro idrofoni dei due click in funzione
del tempo. Si osserva che l’ampiezza massima di emissione corrispondente al P1 è
per entrambi i click pari a circa 128 dB re 1 µPa.
Figura 6.23 Ampiezza di emissione acustica espressa in dB in funzione del tempo per i
due click.
6.4.3 Determinazione della posizione e della profondità di
navigazione del capodoglio
Al fine di identificare la direzione della sorgente di emissione e quindi risalire alla
direzione di arrivo dell’animale rispetto alla stazione è stata utilizzata la tecnica di
ricostruzione spaziale di sorgenti acustiche basata sulla differenza dei tempi di arrivo
detta TDOA (Time Difference Of Arrival). Noti i tempi di arrivo dell’onda sui
quattro idrofoni (quindi i rispettivi tempi di ritardo), e nota la posizione spaziale
degli idrofoni della stazione (come descritto nel capitolo 3) è possibile risalire alla
146
CAPITOLO 6
direzione della sorgente di emissione utilizzando il metodo non lineare ai minimi
quadrati (NLS) [GUS03].
G (ϑ , ϕ ) =
∑ [TDOA
2
N Hydro
i< j
meas
ij
− TDOA
teorico
ij
]
(ϑ , ϕ ) ,
(6.1)
dove 0° ≤ ϑ < 360° , e 0° < ϕ < 90° (la stazione è sul fondo del mare), TDOAijmeas
sono i ritardi temporali del segnale misurati, tra le coppie di idrofoni (H3-H1, H3H2, H3-H4) e TDOAijteorico (ϑ ,ϕ ) sono i ritardi temporali attesi per una sorgente
acustica nella direzione definita da ϑ e ϕ .
Nel caso di OνDE è possibile sostanzialmente determinare solo la direzione di arrivo
dell’onda poiché, data la piccola distanza tra gli idrofoni (~ 1 m) le onde prodotte da
sorgenti lontane sono approssimate ad onde piane.
Il minimo del funzionale G (ϑ ,ϕ ) , determinato numericamente, corrisponde al valore
più probabile della direzione di arrivo dell’onda acustica.
I valori calcolati per i due angoli sono ϑ =87°, cioè la sorgente è quasi verticale
rispetto alla stazione e ϕ =320°, tale angolo corretto per l’angolo di orientazione
della stazione (108° rispetto al Nord, vedi capitolo 3) vale circa 212° rispetto al
Nord. Valori uguali di ϑ e ϕ sono stati trovati per entrambi i click.
P
D2
α α
D1
D
θ1
θ2
Figura 6.24 Schematizzazione della riflessione del click sulla superficie del
mare.
147
CAPITOLO 6
Ottenuta questa informazione è stato possibile determinare la profondità di
navigazione del capodoglio come mostrato in figura 6.24 in cui è raffigurata la
riflessione sulla superficie del click emesso dal capodoglio. In questo caso ( ϑ ≈ 90°)
è banalmente possibile determinare la profondità a cui si trovava l’animale
misurando
la differenza tra il tempo di arrivo del click e della sua riflessione
nell’istante in cui ha emesso il click, come vedremo nel seguito.
Nel caso generale in cui il capodoglio occupa una posizione diversa dalla verticale, è
ugualmente possibile determinare la profondità di navigazione con semplici
costruzioni geometriche. Osservando la figura 6.24 e indicando con D1 e D2
rispettivamente il raggio incidente sulla superficie e il suo raggio riflesso, questi
formano con la normale alla superficie del mare due angoli che, per le note leggi
sulla riflessione, sono uguali (α), calcolati gli angoli ϑ1 e ϑ2 con il metodo del
TDOA, che determinano la direzione angolare rispettivamente di D e di D2, e nota la
profondità a cui è posta la stazione (2050 m), è facile ricavare l’angolo di riflessione
e di incidenza α = 90 − ϑ2 e quindi calcolare la grandezza D2. Quindi utilizzando
delle semplici costruzioni geometriche è possibile calcolare le altre due grandezze
incognite D e D1 e risalire alla profondità di navigazione del capodoglio.
Nel caso del segnale da noi analizzato, in figura 6.25 è riportato, in funzione del
tempo, l’ampiezza massima del segnale del primo click in unità mPa con la sua
riflessione sulla superficie.
148
CAPITOLO 6
Figura 6.25 Segnale del primo click con la sua riflessione sulla superficie in
unità mPa in funzione del tempo.
In figura 6.26 è possibile osservare il segnale del click riflesso sulla superficie
registrato dai quattro idrofoni. Sono stati applicati gli stessi tempi di ritardo calcolati
sul primo click e si deduce che, l’onda riflessa raggiunge la stazione con gli stessi
tempi di ritardo (entro qualche µsec) confermando la verticalità della sorgente
rispetto alla stazione.
149
CAPITOLO 6
Figura 6.26 Segnale della riflessione sulla superficie per tutti e quattro gli
idrofoni, calcolato con gli stessi tempi di ritardo del primo click, in unità mPa in
funzione del tempo.
Il tempo intercorso tra il click e la sua riflessione è, come mostrato in figura 6.23,
dato dalla relazione:
∆t =
( D1 + D2 ) D
−
cs
cs
(6.2)
dove cs è la velocità media del suono in acqua. Poiché abbiamo trovato che la
sorgente è quasi verticale ( ϑ = 87° ≈ 90° ) la relazione (6.2) è approssimabile alla:
∆t =
2P
,
cs
(6.3)
dove P è la profondità (vedi figura 6.23).
Dalla (6.3), noti i tempi di ritardo tra il click e l’onda riflessa e assumendo che la
velocità media nella colonna d’acqua è di 1547 m/sec si ottiene la profondità a cui si
150
CAPITOLO 6
trova il capodoglio. Calcolate le differenze tra i tempi in cui il segnale del click ha
ampiezza massima e in cui l’onda riflessa ha ampiezza massima è possibile
determinare la profondità di navigazione del capodogli per tutti gli idrofoni e per i
due click. Questi valori sono riportati in tabella 6.3.
Click 1
Click 2
H1
564.71
565.18
H2
564.20
564.94
H3
565.99
564.56
H4
564.33
561.62
Media
564.81
564.07
Tabella 6.3 Profondità di navigazione del capodoglio per tutti e quattro gli
idrofoni e per i due click, calcolata dalla differenza dei tempi tra l’ampiezza
massima del primo click e l’ampiezza massima della sua riflessione in
superficie
Quindi la profondità a cui si trovava il capodoglio nell’istante in cui ha emesso il
click è circa 564 m, dalla superficie.
Poiché sappiamo che la stazione è ancorata a circa 2050 m sul fondo del mare e
assumendo che la sorgente di emissione sia sferica, è possibile determinare che
l’attenuazione del segnale, trascurando l’assorbimento dell’acqua è
20 ⋅ log10 (2050 − 564) = 63 [dB].
(6.4)
Ricordando che l’ampiezza massima di ricezione misurata per entrambi i click è di
128 dB, il livello di emissione del capodoglio risulta pari a
63 + 128 = 191 [dB],
che è uguale a circa 3 kPa.
151
(6.5)
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161
RINGRAZIAMENTI
RINGRAZIAMENTI
Questo anno di tesi, anche se faticoso, è stato uno degli anni più belli tra quelli
trascorsi all’università. Ho acquisito parecchie conoscenze, ma soprattutto ho
riscoperto l’interesse e la passione per la ricerca, un mondo che richiede tanta
dedizione e professionalità, ma anche una grande famiglia piena di persone
simpaticissime con cui condividere sia risultati fisici che la vita di tutti i giorni. Per
questo ringrazio il Chiarissimo Professore Emilio Migneco che mi ha permesso di
svolgere questo lavoro di tesi presso i Laboratori Nazionali del Sud permettendomi
così di venire a contatto diretto con il mondo della ricerca ed i ricercatori che vi
lavorano. Ringrazio anche il simpaticissimo Professore Gianni Pavan di Pavia che
con la sua passione e conoscenza per lo studio dei cetacei, ed in particolare dei
capodogli, è riuscito a trasmettermi l’amore per questi esemplari in via di estinzione.
Un ringraziamento particolare va al Dottor Giorgio Riccobene il quale è riuscito a
trasmettermi il suo amore per la ricerca ed è stato non solo un grande maestro di
conoscenza ma anche un collega e soprattutto un amico con cui poter scherzare,
dialogare ed esultare per i risultati ottenuti.
Inoltre, ringrazio tutto il gruppo NEMO con cui ho lavorato ed trascorso delle
piacevoli giornate insieme.
Altri ringraziamenti vanno soprattutto alla mia famiglia che mi ha sostenuta fino ad
ora rimanendomi sempre vicina in qualsiasi momento della mia vita, dandomi quella
serenità che mi ha permesso di poter completare i miei studi. Ringrazio anche il mio
fidanzato e tutti i miei amici e colleghi che mi sono stati vicini soprattutto in questi
ultimi mesi di intenso lavoro.
162

università degli studi di catania - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

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