Cos’è il sonar e come individua gli oggetti sott’acqua

Cos'hanno in comune animali come delfini, balene o pipistrelli con una nave o un sottomarino? Apparentemente nulla. Ma mavi e sommergibili, così come alcuni animali, usano il sonar come strumento di ausilio alla navigazione. Questo strumento si basa sulla propagazione del suono sott’acqua e viene impiegato per comunicare, misurare distanze sotto il livello del mare e per captare la presenza di oggetti artificiali, ma anche per aiutare la pesca e per scopi scientifici e militari.

Cos'è il SONAR

Il sonar, acronimo di Sound NAvigation And Ranging, è uno strumento presente a bordo dei sommergibili, di imbarcazioni ma anche elicotteri (utilizzato per scopi militari nelle fasi di ricerca di sommergibili). Il suo principio di funzionamento si basa su due passaggi:

1. l’emissione di un segnale acustico che si propaga attraverso l’ambiente marino;
2. la ricezione dell’eco prodotta quando il segnale incontra un ostacolo, naturale o artificiale. In pratica, il suono viene riflesso e torna indietro, un po' come l’eco della nostra voce in una stanza vuota.

Il fatto di ricevere un'eco indica la presenza di un oggetto, di cui si può misurare la distanza a partire dal tempo intercorso dall'emissione del segnale sonoro e la ricezione dell'eco.

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In linea di massima è un principio abbastanza semplice che la nostra tecnologia ha preso in prestito dalla natura: si chiama ecolocalizzazione. Mammiferi marini come delfini e balene, ma anche i pipistrelli, impiegano un sonar sia per poter individuare e cacciare le prede che per orientarsi nell’ambiente circostante. Pensate infatti ai pipistrelli: possono volare al buio senza “urtare” contro gli ostacoli.

Come funziona e a cosa serve un sonar

La scoperta subacquea di ostacoli e oggetti tramite ecolocalizzazione avviene sostanzialmente grazie a tre fattori fondamentali:

1. la presenza di un ostacolo (naturale o artificiale) che genera una discontinuità dell’ambiente marino;
2. la natura diversa del materiale di cui è composto l'ostacolo rispetto all'acqua circostante si traduce in una variazione di densità e questo genera una riflessione dell'onda sonora che lo colpisce;
3. ogni oggetto in movimento emette rumore. Navi, piccole imbarcazioni, sommergibili ecc.: ognuno genera rumore, con il movimento delle eliche, con il rombo dei motori o con l'attrito stesso dello scafo che fende l'acqua. Questi fattori sono molto importanti nel campo militare.

Immaginiamo di salire a bordo di un sommergibile e di poter "vedere" effettivamente l’onda acustica generata dal sonar: la vedremo propagarsi attraverso l’acqua di mare fintanto che non incontri un ostacolo. A questo punto, l’onda sonora rimbalza e torna indietro verso il nostro battello, dove è "raccolta" e analizzata dal nostro sonar. Avremo quindi i dati per poter affermare almeno 3 cose:

1. la presenza di un ostacolo;
2. la direzione (il rilevamento) dell’ostacolo rispetto al nostro battello;
3. la distanza dell’ostacolo.

Praticamente potremo navigare. Ovviamente non è tutto così semplice: esistono molti fattori da tenere in conto per poter valutare quei tre aspetti di cui abbiamo elencato sopra. Temperatura dell’acqua e presenza di altri rumori possono influenzare la velocità di propagazione del suono in acqua, la distanza di propagazione e la capacità di discriminare l’eco ricevuta.

Tipologie di sonar: attivi e passivi

I sonar possono essere raggruppati in due grandi categorie: quelli attivi e quelli passivi.

I sonar attivi sono strumenti in grado di emettere un segnale sonoro: il classico “ping” che si sente in molti film ambientati sott'acqua. Al loro interno hanno un sistema di trasmissione detto trasduttore, che genera il segnale sonoro. Oltre a questa parte attiva, sono presenti i sensori in grado di ricevere l'eco del segnale inviato e analizzarlo.

I sonar passivi, detti idrofoni, funzionano invece come delle grandi “orecchie” in continuo ascolto al di sotto della superficie del mare: non emettono alcun tipo di suono ma ricevono anche il minimo rumore. Spesso sono organizzati in lunghe catene di sensori dette cortine idrofoniche per massimizzare la loro efficienza. Per questo motivo, rappresentano un fattore importante soprattutto in contesti militari.

Un sommergibile, infatti, nasce come un mezzo che fa della discrezione il suo punto di forza. Evitare di farsi intercettare è fondamentale. In particolari contesti, nei quali occorre essere occulti, vengono effettuati dei controlli minuziosi, detti noise hygene, allo scopo di individuare ed eliminare ogni possibile fonte di rumore fortuita che potrebbe smascherare il battello.

La differenza tra sonar e radar

Sonar e radar sfruttano gli stessi principi e operano in modo concettualmente simile. La differenza principale sta nel fatto che i radar emettono (e ricevono) onde elettromagnetiche invece di onde sonore. Mentre i sonar vengono impiegati soprattutto sott'acqua (ma non solo), i radar trovano applicazione per lo più a terra o in aria.

Un'applicazione medica: l'ecografia

Un’ambito in cui vengono usate le onde sonore per scopi del tutto differenti da quelli descritti, è la medicina. Le ecografie, infatti, usano onde sonore per visualizzare i vari organi all’interno del corpo, oppure durante la gravidanza. Basandosi sullo stesso principio dei sonar, sfruttando la diversa densità dei tessuti all’interno del corpo, rendendo possibile visualizzarli.