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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE ∂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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 IL SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 SUONO E LA SUA PROPAGAZIONE IN MARE 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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO 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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO 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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO 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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO 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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO 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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO 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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO 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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO 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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO 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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO (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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO 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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO 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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO 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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO 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 RUMORE AMBIENTALE SOTTOMARINO 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 LA STAZIONE ACUSTICA SOTTOMARINA: OνDE 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 ACQUISIZIONE E ANALISI DEI DATI 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE CAPITOLO 5 Figura 5.6 Valore medio, massimo, 90% e 95% della densità spettrale della potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Giugno 2005 ed il ‘Sea State 0’ del mare [URI82]. Figura 5.7 Valore medio, massimo, 90% e 95% della densità spettrale della potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Luglio 2005 ed il ‘Sea State 0’ del mare [URI82]. 109 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE CAPITOLO 5 Figura 5.8 Valore medio, massimo, 90% e 95% della densità spettrale della potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Agosto 2005 ed il ‘Sea State 0’ del mare [URI82].. . Figura 5.9 Valore medio, massimo, 90% e 95% della densità spettrale della potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Settembre 2005 ed il ‘Sea State 0’ del mare [URI82]. 110 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE CAPITOLO 5 Figura 5.10 Valore medio, massimo, 90% e 95% della densità spettrale della potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Ottobre 2005 ed il ‘Sea State 0’ del mare [URI82]. Figura 5.11 Valore medio, massimo, 90% e 95% della densità spettrale della potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Novembre 2005 ed il ‘Sea State 0’ del mare [URI82]. 111 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE CAPITOLO 5 Figura 5.12 Valore medio, massimo, 90% e 95% della densità spettrale della potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Dicembre 2005 ed il ‘Sea State 0’ del mare [URI82]. Figura 5.13 Valore medio, massimo, 90% e 95% della densità spettrale della potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Luglio 2006 ed il ‘Sea State 0’ del mare [URI82]. 112 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE CAPITOLO 5 Figura 5.14 Valore medio, massimo, 90% e 95% della densità spettrale della potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Agosto 2006 ed il ‘Sea State 0’ del mare [URI82]. . Figura 5.15 Valore medio, massimo, 90% e 95% della densità spettrale della potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Settembre 2006 ed il ‘Sea State 0’ del mare [URI82]. 113 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE CAPITOLO 5 Figura 5.16 Valore medio, massimo, 90% e 95% della densità spettrale della potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Ottobre 2006 ed il ‘Sea State 0’ del mare [URI82]. Figura 5.17 Valore medio, massimo, 90% e 95% della densità spettrale della potenza del rumore acustico del mare misurato nel mese di Novembre 2006 ed il ‘Sea State 0’ del mare [URI82]. . 114 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZIONE DELLA DENSITÀ DI POTENZA ACUSTICA DEL RUMORE DEL MARE 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 funzione della frequenza espressa in kHz. 144 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA CAPITOLO 6 Figura 6.21 PSD del secondo click relativo al segnale P1 espressa in unità µPa2/Hz in funzione della frequenza espressa in kHz. Figura 6.22 PSD del secondo click relativo al segnale P2 espressa in unità µPa2/Hz in funzione della frequenza espressa in kHz. 145 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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 DETERMINAZI0NE DELLE CARATTERISTICHE FISICHE DI UN CAPODOGLIO TRAMITE ANALISI ACUSTICA 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) BIBLIOGRAFIA Bibliografia [ACC02] Cetaceans of the Mediterranean and Black Seas: State of Knowledge and Conservation Strategies, “Cetaceam Species Occurring in the Mediterranean and Black Seas”, Ed. G. Notarbartolo di Sciara, sezione 3, febbraio 2002. [ANG95] Angliss, R.P., Rugh, D.J., Withrow,D.E., and Hobbs, R.C. “Evaluation of aerial photogrammetric length measurements of the Bearing-Chukchi-Beaufort Seas stock of bowhead whales (Balaena mysticetus)”, Rep. Int. Whal. Comm, 45:313 ÷ 324, 1995. [AOSW] Advanced Orientation System website: http://www.aositilt.com/ [ASK57] [BAC66] G. Askarjan, “Atomnaya Energia”, n° 3, pag. 153, 1957. Backus, R. H., and Schevill, W. E., “Physeter Clicks, in Whales, Dolphinsis and Porepoises”, edited by K. S. Norris (University of California Press, Berkeley), pp 510 ÷ 527, 1966. [BEZ73] H. F. Bezdek, “Pressure Dependence of Sound Attenuation in the Pacific Ocean”, JASA, n° 53, p. 782, 1973. [BOW77] T. Bowen et al., in “Proceedings of the 1976 DUMAND Summer Workshop”, Honolulu. Edited by A. (Fermilab, Batavia, Illinois, p.547, 1977. 152 Roberts BIBLIOGRAFIA [BRA99] M. S. Brandstein, “Time-delay estimation of reverberated speech exploiting harmonic structure”, J. Acoust. Soc. Am. 105 (5), May 1999. [BRA01] M. S. Brandstein, D. B. Ward “Microphones Array: Signal Processing Techniques and Applications”, Springer Verlag 2001. [BRO68] D.G. Browning and others, “Attenuation of Low Frequency Sound in Fresh Water”, Science, 162, 1120, 1968. [CIBRAw] CIBRA web page: www.unipv.it/webcib [CRA99] Cranford, T. W. , “The sperm whale’s nose: Sexual selection on a grand scale”, Marine Mamma l Sci, 15, 1133 ÷ 1157, 1999. [CRO98] Malcolm J. Crocker, “Handbook of Acoutics”, Ed. John Wiley& Sons, 1998. [CRYw] Cirrus-Crystal website: www.cirrus.com/ [DIS07] C. Distefano, for the NEMO Collaboration, “Sensitivity of an underwater Cherenkov km3 telescope to Tev neutrinos from Galactic Microquasars”, astr-ph/0608053, 2007. [DOS06] Discovery of Sound in the Sea, Office of Marine Programs Graduate School of Oceanography – University of Rhode Island, 2006. 153 BIBLIOGRAFIA [ELCw] ELCOMMTECH CORPORATION web site: http://www.elcommtech.com [ESONETw] European Sea Floor Observatory Network website: www.oceanlab.abdn.ac.uk/research/esonet.html [FIS77] F. H. Fisher and V. P. Simmons, “Sound Absorption in Sea Water”, JASA 62, 558, 1977. [FOX41] F. E. Fox and G. D. Rock, “Ultrasonic Absorption in Water”, JASA 12, p. 505, 1941. [GMESw] Global Monitoring for Enviroment and Security website: www.gmes.it/ [GOO95] Goold, J.C., and Jones, S.E. “Time and frequency domain charcteristics of sperm whale clicks”, J. Acoust. Soc. Am. 98 : 1279 ÷ 1291, 1995. [GOO96] Goold, J.C., “Signal processing techniques for acoustic measurement of sperm whale body lengths”. J. Acoust. Soc. Am., 100 : 3431 ÷ 3441, 1996. [GOO99] Goold, J. C. 1999. “Behavioural and acoustic observations of sperm whales in Scapa Flow, Orkney Islands”, Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom 79:541-550. [GOR87] Gordon, J.C.D., “Behavior and ecology of sperm whale off Sri Lanka”. PhD dissertation, Cambridge, UK: 347 pp., 1987. 154 University of Cambridge, BIBLIOGRAFIA [GOR91] Gordon, J.C.D., “Evaluation of a method for determining the length of sperm whales (Physeter catodon) from their vocalizations”, J. Zool. Lond. 224: 301 ÷ 314. 1991. [GOR92] Gordon, J. C. D., and L. Steiner. “Ventilation and dive patterns in sperm whales, Physeter macrocephalus, in the Azores”. Report of the International Whaling Commission 42:561-65, 1992. [GUS03] F. Gustafsson, F. Gunnars5son, “Positioning using timedifference of arrival measurements”, IoCASSP, Vol. 6, pp. 553÷556, 2003. [HAL48] L. Hall, “The Origin of Ultrasonic Absorption in Water”, Phys. Rev., n° 73, p. 775, 1948. [HEC03] Eugene Hecht, “Fisica1 – Meccanica, Onde, termodinamica”, Ed. Zanichelli, 2003. [HOR86] J.H Horn, S.L. Baliunas - Astrophysical Journal – “A prescription for period analysis of unevenly sampled time series”, n° 302, p. 757, 1986. [IFA04] International Fund for Animal Welfare & NRDC The Earth’s Best Defense, “Underwater noise – A harmful unregulated form of Pollution”, report prepared for the Stakeholder Meeting on the European Marine Strategy, novembre 2004. [JENw] Jensen-Transformer website: www.jensen-transformers.com/ 155 BIBLIOGRAFIA [JON69] E.N. Jones and others, “Effect of Temperature on low Frequency Sound Attenuation in Fresh and Salt Water”, USL Memo 2213435-68, Dec 1968. Abstract in JASA 45, 306, 1969. [KLU] Kluwer – The Language of Science, ‘Aspects of Signal Processing - Whith Emphasis on Underwater Acoustics Part 1’, Ed. G. Tacconi, ISBN 9027707995 su: [KNA76] C. H. Knapp, G. C. Carter, “The generalized correlation method for estimation of time delay”, IEEE Trans. Acoust. Speech Signal Process., vol. ASSP-24, pp. 320÷327, August 1976. [KOS93] Koski, W.R., Davis, R.A., Miller, G. W., and Withrow, D.E., Reproduction, In: Burns JJ, Montague JJ, Cowles CJ (eds) “The bowheaqd whale”, Soc. Mar. Mamm., Lawrence, KS, pp.239-274, 1993. [LEW07] T. Lewis et al., J. Mar. Biol. Ass. U.K., vol. 87, pp. 353-357, Printed in the United Kingdom, 2007. [LIE46] L. N. Liebermann‚ “Origin of Sound Absorption in Water and in Sea Water”, JASA, n° 20, p. 868, 1946. [LIE49] L. N. Liebermann‚ “Sound Propagation in Chemically Active Media”, Phis. Rev., n° 76, p. 1520, 1949. [MAC81] K.V. Mackenzie, “Nine-term equation for the sound speed in the oceans’Acoust”. Soc. Am., vol.70(3), pp.807-812,1981. 156 BIBLIOGRAFIA [McC04] Elena McCarthy, “International Regulation Of Underwater Sound: Establishing Rules and Standards to Address Ocean Noise Pollution” , Ed. Kluwer Academic Publishers, 2004. [MAD2003] Madsen, P. T., Carder, D. A., Au, W. W., Nachtigall, P. E., Mohl. B., and Ridgway, S. H. (2003). “ Sound production in Neonate spem whales”, J. Acoust. Soc. Am. 113, 2988 ÷ 2991. [MATw] MATLAB® web site: http://www.mathworks.com [MEL74] R. H. Mellen, D. G. Browning and J. M. Ross, “Attenuation in Randomly Inhomogeneous Sound Channels”, JASA 56, 80, 1974. [MEL76] R.H. Mellen and others, “Diffisuion Loss in a Stratified Sound Channel”, JASA 60, 1054, 1976. [MOH01] Mohl, B., “Sound transmission in the nose of the sperm whale Physeter catodon. A post mortem study”, J. Comp. Physiol. [A] 187, 335 ÷ 340, 2001. [MOH02] Mohl, B., Madsen, P. T., Wahlberg, M., Au, W. W. L., Nachtigall, P. E., and Ridgway, S. “Sound transmission in the spermaceti, Complex of a recently expired sperm whale calf,’ ARLO 4, 19 ÷ 24.,2002. 157 BIBLIOGRAFIA [MOH03] Mohl, B, Wahlberg, M., Madsen, P. T., Heerfordt, A., and Lund, A. , “The monopulsed nature of sperm whale clicks”, J. Acoust. Soc. Arm. 114, 1143 ÷ 1154. 2003. [MUN95] Munk, W., Worcester, P. and Wunsch, C., “Ocean Acoustic Tomography”, Cambridge University Press, 1995. [NAUTw] Nautilus website: http://www.nautilus-gmbh.de/ [NEMO] NEMO Collaboration Proposal [NOR72] Norris, K.S., and Harvey, G. W., “A theory for function of the spermaceti organ of the sperm whale (Physter catodon L.)”, In: Galler SR, Schmidt-Koening K, Jacobs GJ (eds) Animal Orientation and Navigation. Washington DC, pp. 397-417, 1972 [NRC] NUMERICAL RECIPIES IN C: THE ART OF SCIOENTIFIC COMPUTING, Cambridge University Press. [NRC03] National Research Council of the National Academies, “Ocean noise and marine mammals” , Ed. The National Academies Press Whashington, D.C., 2003. [OFF58] C. B. Officer, ‘Introduction to the theory of Sound Transmission, with Applications to the Ocean’, McGraw-Hill, New York, 1958. [OP-SC] A. V. Oppenheim, R. W. Schafer “Discrete-Time Signal Processing” II edition, Prentice Hall Signal Processing Series, A. V. Oppenheim, series editor. 158 BIBLIOGRAFIA [PAP89] Papastavrou, V., S. C. Smith and H. Whitehead, ‘Diving behavior of the sperm whale, Physeter macrocephalus, off the Galapagos Islands’, Canadian Journal of Zoology, 67:839-846. [PAV97] Pavan, G., Priano, M., Manghi, M., and Fossati, C. ‘Software tools for real-time IPI measurements on sperm whale sounds. Proceedings IOA’, Loughborough, UK 19:157-164, 1997. [PAV00] Pavan, G., Hayward, T. J., Borsani, J. F., Priano, M., Manghi, M., Fossati, C., and Gordon, J.C.D.. “Time patterns of sperm whale codas recorded in the Mediterranean Sea”, 1985 ÷ 1996. J. Acoust. Soc.Am. 107: 3487 ÷ 3495, 2000 [PAV07] [PR-MA] G. Pavan, ‘Comunicazione interna alla collaborazione (2007)’. J. G. Proakis, D. G. Manolakis, “DIGITAL SIGNAL PROCESSING, priciples, algorithms, and application” III edition, Prentice Hall International Edition. [RAYL] Lord Rayleigh, ‘Theory of Sound’, vol. II, p. 316. [RESw] RESON web site: http://www.reson.com [RIC06] G. Riccobene, G.Casentino, G.Pavan, F. Speziale, the NEMO Collaboration, ‘Acoustic background measurements whit NEMO-ONDE’, LNS Activity Report 2006. [RIC07] G. Riccobene, for the NEMO Collaboration, “Deep seawater inherent optical properties in the Southern Ionian Sea”, astr-ph/0603701, Vol. 27, Issue 1, pp. 1÷9, February 2007. 159 BIBLIOGRAFIA [RMEw] RME DIGI96/8-PAD web site: http://www.rme-audio.com [SCA82] J.D. Scargle – Astrophysical Journal – Studies in astronomical time series analysis. II Statistical aspects of spectral analysis of unevenly spaced data, n° 263, p. 835, 1982. [SCI07] Random Samples, Science, Vol. 315, n° 5816, pag. 1199, March 2007. [SCH62] M. Schulkin and H. Marsh, ‘Absorption of Sound in Sea Water’, J. Brit. I.R.E., n° 23, p. 493, 1963. [SCH63] M. Schulkin, ‘Eddy Viscosity as a Possible Acoustic Absorption Mechanism in the Ocean’, JASA 35, 263, 1963. [TDS03] Luise Vitetta, “Teoria dei Segnali”, seconda edizione, McGraw-Hill, 2003. [THO02] Thode A, Mellinger DK, Stienessen S, Martinez A, Mullin K. “Depth-dependent acoustic features of diving sperm whales (Physeter macrocephalus) in the Gulf of Mexico”. J Acoust Soc Am 2002;112(1):308-21. [TRE02] H. L. Van Trees, “Detection, Estimation, and Modulation Theory, part IV, Optimum Array Processing” John Wiley & Sons 2002. [UAN07] Underwater Ambient Noise, H. Dahl et al. su Acoustics Today vol. 3, n° 1, gennaio 2007. 160 BIBLIOGRAFIA [URI82] Robert J. Urick, “Sound Propagation In The Sea”, Ed. Peninsula Publishing, 1982 [WDCS04] Whale and Dolphin Conservation Society, ‘‘Oceans of Noise 2004 – A WDCS Science Report’’, Ed. Mark Simmonds, Sarah Dolman and Lindy Weilgart [WHI03] Whitehead H. Sperm whales: social evolution in the ocean. University of Chicago Press; 2003. [YEA73] E. Yeager, et al, Origin of the Low Frequency Sound Absorption in Sea Water, JASA 53, 1705, 1973. 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