Acustica marina: importante per i fondali, ma anche per la salute dell'uomo e dei cetacei

Perhè è importante studiare la propagazione del suono nell'acqua? L'acustica marina ha applicazioni molteplici: dal monitoraggio e la mappatura dei fondali oceanici alla diagnostica medica, passando per gli impieghi bellici.

Ne parliamo con Giovanni Bosco Cannelli, responsabile del laboratorio di acustica subacquea del CNR di Roma.

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La storia
Come spesso avviene, lo studio di un particolare dispositivo bellico ha poi permesso di utilizzare lo stesso per scopi pacifici: è il caso del SONAR (Sound Navigation and Ranging) progettato inizialmente per rivelare i sottomarini e oggi ampiamente utilizzato per la visualizzazione dei fondali marini, dei banchi di pesce ed per altre applicazioni nel campo dell'ambiente marino. Sebbene per lo studio delle strutture geologiche su larga scala, siano impiegati i metodi gravitazionali e magnetici e per le informazioni di ambito locale si ricorra soprattutto ai carotaggi, tra questi due estremi, il metodo di gran lunga più usato è quello che fa uso delle onde acustiche, le quali vengono fatte propagare attraverso le strutture d'interesse e poi rilevate in riflessione o rifrazione mediante opportuni sensori di tipo sonar. Infatti, rispetto alle onde elettromagnetiche, che nel mezzo marino si attenuano fortemente con la profondità, le onde sonore a bassa frequenza sono in grado di percorrere anche centinaia di chilometri prima di attenuarsi e portare il segnale utile d'informazione.

Il laboratorio di Acustica Subacquea
Sebbene gran parte della ricerca in geoacustica marina si svolga direttamente in mare e impieghi dispositivi che vanno dai tradizionali sonar ad alta risoluzione, che lavorano a qualche centinaio di kHz ed oltre, ai trasduttori a più bassa frequenza fino a poche decine di Hz, è anche indispensabile poter usufruire di laboratori opportunamente attrezzati con vasca di taratura dove si misurano con grande precisione i parametri dei vari dispositivi sonar, nonché si effettuano test per lo studio delle caratteristiche di propagazione delle onde acustiche attraverso materiali aventi caratteristiche diverse. In particolare, è possibile mettere a punto metodi adatti per studiare la diffusione delle onde in mezzi stratificati che simulino le condizioni degli strati sedimentari presenti sul fondo marino. Oltre che nel settore geologico, le tecniche acustiche sono utilizzate vantaggiosamente per le ricerche di archeologia subacquea e per le comunicazioni subacquee prendendo ispirazione da alcuni mammiferi marini, come la balena che riesce ad inviare i propri segnali acustici a bassa frequenza anche a distanze dell'ordine di parecchie centinaia di metri, o il delfino (Tursiops truncatus) che è fornito di un sofisticato "biosonar" in grado di rivelare con grande risoluzione prede e ostacoli, potendo focalizzare i propri segnali acustici a diverse distanze. Una ricerca poco sviluppata in Italia, ma che invece presenta notevoli potenzialità di sviluppo per i suoi risvolti industriali ed economici, riguarda le tecniche acustiche di ausilio alla pesca e alla maricoltura.E' notevole il moderno Laboratorio di Acustica Subacquea realizzato dal CNR nell'Area della Ricerca di Roma-Tor Vergata, presso l'Istituto di Acustica "O.M.Corbino". Questo laboratorio presenta caratteristiche di innovatività tali da renderlo unico in Europa. Il laboratorio è dotato di una vasca di taratura di 6x4 mq (foto 1) e con una profondità di 5 m ed è attrezzato con le più moderne strumentazioni (foto 2), che permettono di svolgere un'ampia gamma di ricerche, per esempio, nel campo più propriamente metrologico, la taratura e certificazione di dispositivi sonar per ricavarne le curve di risposta e i diagrammi di direttività, nonché l'analisi delle forme d'onda e le misure di potenza di vari trasduttori.

Foto 1: Vasca di taratura del laboratorio

Foto 2: Stanza di controllo del laboratorio

Il laboratorio è anche equipaggiato con un interferometro laser e una sofisticata apparecchiatura per la cinematografia veloce che consente di riprendere i fenomeni fisici subacquei fino ad una velocità di 10.000 fotogrammi al secondo; ciò permette, ad esempio, di visualizzare e caratterizzare i fenomeni di cavitazione nei trasduttori ad alta potenza. Un particolare ecografo marino, realizzato e brevettato presso l'Istituto di Acustica sfrutta, appunto, il fenomeno di cavitazione che avviene in un trasduttore sparker paraboloidale. Il meccanismo di generazione del segnale acustico, indotto dall'implosione di una bolla di vapore provocata dallo sparker nel fuoco del paraboloide, sarebbe analogo a quello generato dal delfino all'interno del cosiddetto melone, ovvero una massa di tessuto frontale abbastanza consistente, ricco di sostanze oleose, che svolge la funzione di lente acustica in grado di focalizzare il fascio acustico, nonché di adattatore d'impedenza acustica per ottenere la massima efficienza possibile. Tra tutti gli strumenti finora costruiti per le ricerche marine, i sistemi sonar costituiscono tipici esempi di dispositivi il cui ulteriore avanzamento potrebbe avere una decisiva svolta solo quando gli scienziati svelassero perfettamente i segreti del "biosonar" del delfino.

31.05.08