IT9048608A1

IT9048608A1 - DEVICE FOR THE TRANSMISSION AND RECEPTION OF HIGH RESOLUTION ACOUSTIC SGNALS, PARTICULARLY FOR SUBMARINE APPLICATIONS, WITH PARABOLOID RECEIVER TRANSDUCER SURROUNDED BY PARABOLID TRANSMISSION TRANSDUCERS WITH EXCITATION DIFFERENCE

Info

Publication number: IT9048608A1
Application number: IT048608A
Authority: IT
Inventors: Giovanni Bosco Cannelli; Ottavi Enrico D
Original assignee: Consiglio Nazionale Ricerche
Priority date: 1990-12-21
Filing date: 1990-12-21
Publication date: 1992-06-22
Also published as: AU9157691A; WO1992011546A1; IT9048608A0; IT1241558B

Description

Descrizione dell'Invenzione avente per titolo: "DISPOSITIVO PER LA TRASMISSIONE E LA RICEZIONE DI SEGNALI ACUSTICI AD ALTA RISOLUZIONE,PARTICOLARE Description of the Invention entitled: "DEVICE FOR THE TRANSMISSION AND RECEPTION OF HIGH RESOLUTION ACOUSTIC SIGNALS, PARTICULAR

TE PER APPLICAZIONI SOTTOMARINE,CON TRASDUTTORE PARABOLOIDALE DI RICEZIONE CIRCONDATO DA TRASDUTTORI PARABOLOIDALI DI TRASMISSIONE A ECCITAZIONE DIFFEREN ZIATA" TE FOR SUBMARINE APPLICATIONS, WITH PARABOLOIDAL RECEIVING TRANSDUCER SURROUNDED BY PARABOLOIDAL TRANSDUCERS WITH DIFFERENT EXCITATION "

RIASSUNTO SUMMARY

E’ descritto un dispositivo per la trasmissione e la ricezione di segnali acustici,particolarmente per la esplorazione sottomarina, costituito da un gruppo di trasduttori elettroacustici di trasmissione disposti intorno ad un trasduttore elettroacustico di ricezione. Tutti i trasduttori sono del tipo a riflettore paraboloìdale e sono disposti con gli assi paralleli tra loro e le aperture su uno stesso piano ortogonale agli assi. I trasduttori di trasmissione hanno ciascuno una coppia di elettrodi,posti in prossimità del fuoco,che so no collegati ad un alimentatore di energia elettrosta tica per ricevere contemporaneamente da esso una quan tità di energia prefissata,diversa per ogni trasduttore, in modo da generare una scarica elettrica e,in conseguenza,un Impulso acustico.il trasduttore di ricezio ne ha,in prossimità del fuoco,un rivelatore elettroacustico che è collegato a circuiti e apparecchiature per l'elaborazione dei segnali ricevuti. A device for the transmission and reception of acoustic signals is described, particularly for underwater exploration, consisting of a group of electro-acoustic transmission transducers arranged around an electro-acoustic receiving transducer. All the transducers are of the parabolic reflector type and are arranged with the axes parallel to each other and the openings on the same plane orthogonal to the axes. The transmission transducers each have a pair of electrodes, placed near the focus, which are connected to an electrostatic power supply to simultaneously receive from it a predetermined amount of energy, different for each transducer, so as to generate a electric discharge and, consequently, an acoustic impulse. the receiving transducer has, near the fire, an electro-acoustic detector which is connected to circuits and equipment for processing the received signals.

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione si riferisce alla tecniche acu etiche por l'esplorazione sottomarina,per le comunica zioni subacquee a grande distanza e per le prospezioni geofisiche sul terreno a bassa profondità e,più in particolare,ad un dispositivo trasmittente e riceven te ad alta definizione utilizzabile nell'applicazione di tali tecniche. The present invention relates to the acu ethical techniques for underwater exploration, for underwater communications at great distances and for geophysical prospecting on the ground at low depth and, more particularly, to a high-definition transmitting and receiving device that can be used. in the application of these techniques.

I dispositivi acustici tradizionali di tipo SONAR ai prestano a fornire "Immagini acustiche" della superficie del fondo marino con sufficiente risoluzione, ma sono assai carenti per quanto concerne la capacità di penetrare sotto il fondo marino o di trasmettere segnali acustici subacquei a grande distanza. Conventional SONAR-type acoustic devices lend themselves to providing "acoustic images" of the seafloor surface with sufficient resolution, but are severely lacking in the ability to penetrate beneath the seafloor or to transmit underwater acoustic signals over great distances.

Negli ultimi anni sono stati fatti alouni progressi nel campo del trasduttori acustici ad alta potenza e ad alta risoluzione per l'esplorazione del sottosuolo e del fondo marino.Per esempio,nel brevetto italiano 1.173.206 concesso il 9/10/1987 alla richiedente In recent years, some progress has been made in the field of high-power and high-resolution acoustic transducers for the exploration of the subsoil and the seabed.For example, in the Italian patent 1.173.206 granted on 9/10/1987 to the applicant

dal titolo "Sorgente elettroacustica impulsiva per prospezioni sismiche ad alta risoluzione”,6 descritto un traeduttore elettroacustico comprendente un riflettore metallico paraboloidale,avente In prossimità del fuoco una coppia di elettrodi,e un generatore di ener già elettrostatica a condensatori collegato agli elettrodi per provocare tra essi una scarica elettrica e per generare,pertanto,un'onda acustica nel mezzo con cui il trasduttore è in contatto.Con tale dispositivo si ottengono segnali acustici impulsivi di grande poten za e di grande direttività,le cui caratteristiche di potenza e di frequenza possono essere modificate in larga misura variando la capacità dei condensatori del generatore e la posizione degli elettrodi all’interno del riflettore. entitled "Impulsive electroacoustic source for high resolution seismic prospecting", 6 describes an electroacoustic transducer comprising a paraboloidal metal reflector, having a pair of electrodes in the vicinity of the focus, and an already electrostatic capacitor energy generator connected to the electrodes to cause an electric discharge and to generate, therefore, an acoustic wave in the medium with which the transducer is in contact.With this device, impulsive acoustic signals of great power and great directivity are obtained, whose power and frequency characteristics can be modified to a large extent by varying the capacitance of the generator capacitors and the position of the electrodes within the reflector.

In un successivo brevetto italiano 1.211.963 rilasciato alla richiedente l’8/11/1989 In a subsequent Italian patent 1,211,963 issued to the applicant on 8/11/1989

,dal titolo "Metodo ecografico perfezionato per la prospezione del sottosuolo e del fondo marino ed apparecchiatura per la sua attuazione", è descritta un’apparecchiatura per la trasmissione e per la ricezione di segnali acustici che comprende una parte trasmittente,costituita da un trasduttore elet tro-acustico del tipo descritto nel brevetto 1.178.206 sopra citato, e una parte ricevente costituita da un apparato avente un riflettore paraboloidale simile a quello di trasmissione e un rivelatore piezoelettrico in prossimità del fuoco del riflettore,nonché mezzi per regolare la posizione del rivelatore nel punto di focalizzazione ottima del fascio acustico ricevuto. Tale apparecchiatura è caratterizzata da una buona direttività e da una buona capacità di adattamento a diverse conformazioni del terreno da esplorare.Essa, tuttavia,ha una risoluzione verticale llmitata,per il fatto che il segnale generato dal paraboloide di tra smissione è affetto dal fenomeno della cavitazione acustica,che,come é noto,allunga notevolmente la dura ta dell’impulso acustico di prospezione,e una risolu zione orizzontale che,in molte applicazioni,è considerata insufficiente. , entitled "Improved ultrasound method for subsoil and seabed prospecting and equipment for its implementation", describes an apparatus for the transmission and reception of acoustic signals which includes a transmitting part, consisting of an electronic transducer. tro-acoustic of the type described in the aforementioned patent 1.178.206, and a receiving part consisting of an apparatus having a paraboloidal reflector similar to the transmission one and a piezoelectric detector in proximity to the focus of the reflector, as well as means for adjusting the position of the detector in the optimal focus point of the received acoustic beam. This equipment is characterized by good directivity and a good ability to adapt to different conformations of the terrain to be explored, however it has a limited vertical resolution, due to the fact that the signal generated by the transmission paraboloid is affected by the phenomenon of acoustic cavitation, which, as is known, considerably lengthens the duration of the prospecting acoustic pulse, and a horizontal resolution which, in many applications, is considered insufficient.

Per rendere minimo l'effetto dell'impulso di cavita zione,nella domanda di brevetto italiano 48370-A/89 depositata dalla richiedente il 15/9/1989 To minimize the effect of the cavitation pulse, in the Italian patent application 48370-A / 89 filed by the applicant on 15/9/1989

ed avente per titolo "Metodo per l'esplorazione sottomarina ad alta risolu zione e dispositivo accordato di trasduttori elettro acustici parabololdali per la realizzazione di tale metodo",viene proposto l'impiego di una molteplicità di trasduttori,alimentati ciascuno con una diversa quantità di energia elettrostatica e eccitati contempo raneamente.Con questo metodo si ottiene un segnale acu stlco avente un impulso primario,dato dalla somma de gli impulsi primari contemporanei dei singoli trasdut tori, e una serie di impulsi di cavitazione,dovuti ciascuno ad uno dei trasduttori,sfalsati nel tempo a causa della dipendenza dalla potenza di emissione del ritardo tra impulso primario e impulso di cavitazione, cosicché il rapporto tra l'ampiezza dell'impulso pri marlo complessivo e l'ampiezza dell'Impulso di cavita zione é grande, ciò che conaente una migliore risoluzione verticale. and having as title "Method for the high resolution submarine exploration and tuned device of parabololdal electro-acoustic transducers for the realization of this method", the use of a multiplicity of transducers is proposed, each fed with a different quantity of energy electrostatic and excited at the same time.With this method an acoustic signal is obtained having a primary pulse, given by the sum of the simultaneous primary pulses of the individual transducers, and a series of cavitation pulses, each due to one of the transducers, staggered in the time due to the dependence on the emission power of the delay between the primary pulse and the cavitation pulse, so that the ratio between the total primary pulse amplitude and the cavitation pulse amplitude is large, which results in a better vertical resolution.

E' stato anche proposto,come risulta dal lavoro presentato nel 18° Simposio internazionale sulla for inazione di immagini acustiche (lbth International Symposium on Acouetical Imaging) nel settembre del 1989 da G.B. Cannelli e E. D'Ottavi,dal tìtolo "Gruppo accordato di trasduttori paraboloidali per prospezione sottomarina ad alta risoluzione" (Tuned Array of Paraboloidal Transducers for high resolution marine prospecting) ,dl disporre 1 trasduttori secondo una geometria circolare, cioè con gli assi del riflettori paraboloidali paralleli tra loro e passanti per una circonferenza di un piano ortogonale agli assi,per dimo strare sperimentalmente l'efficacia di un gruppo di trasduttori accordati secondo il metodo descritto nel la domanda di brevetto 48370-A/89 sopra citata.In quel lavoro,tuttavia,non viene presentata alcuna applicazione pratica della struttura di trasmissione deserit ta. It has also been proposed, as shown in the work presented in the 18th International Symposium on Acouetical Imaging (lbth International Symposium on Acouetical Imaging) in September 1989 by G.B. Cannelli and E. D'Ottavi, from the title "Tuned Array of Paraboloidal Transducers for high resolution marine prospecting", from the title "Tuned Array of Paraboloidal Transducers for high resolution marine prospecting). paraboloidal reflectors parallel to each other and passing through a circumference of a plane orthogonal to the axes, to experimentally demonstrate the effectiveness of a group of transducers tuned according to the method described in the above-cited patent application 48370-A / 89. however, no practical application of the deser ted transmission structure is presented.

Uno scopo della presente invenzione è di mettere a disposizione un dispositivo per la trasmissione e la ricezione di segnali acustici che,utilizzando gli In segnamenti delle tecniche note sopra citate,per quanto riguarda la struttura dei trasduttori di trasmissione e la loro eccitazione differenziata,abbia prestazioni migliori dell'ecografo descritto nel brevetto 1.211.963 sopra citato,non solo per quanto riguarda la risoluzione verticale,ma anche per la sua risoluzione orlzzon tale. An object of the present invention is to provide a device for the transmission and reception of acoustic signals which, by using the teachings of the above-mentioned known techniques, as regards the structure of the transmission transducers and their differentiated excitation, has performances better than the ultrasound machine described in the aforementioned patent 1,211,963, not only as regards the vertical resolution, but also for its orlzzon resolution.

Un altro scopo è di realizzare un dispositivo per la trasmissione e la ricezione dì segnali acustici che sia in grado di generare un'onda acustica di gran de intensità e abbia un elevato rapporto segnale/rumore. Another object is to provide a device for the transmission and reception of acoustic signals which is capable of generating an acoustic wave of great intensity and has a high signal / noise ratio.

Un altro scopo ancora è di realizzare un dispositi vo per la trasmissione e la ricezione di segnali acustici che consenta di ottenere "immagini acustiche" delle strutture presenti nel mezzo di propagazione dei segnali acustici trasmessi. Yet another object is to provide a device for the transmission and reception of acoustic signals which allows to obtain "acoustic images" of the structures present in the propagation medium of the transmitted acoustic signals.

Tali scopi sono conseguiti realizzando il disposi tivo definito e caratterizzato nelle rivendicazioni che concludono la presente Invenzione e descritto In dettaglio nel seguito In relazione ad una sua forma di esecuzione esemplificativa, e quindi in nessun modo limitativa, con riferimento agli uniti disegni,In cui: la fig.l è una rappresentazione schematica di una forma di esecuzione del dispositivo secondo l'invenzione, These objects are achieved by realizing the device defined and characterized in the claims which conclude the present invention and described in detail below in relation to an exemplary embodiment thereof, and therefore in no limiting way, with reference to the accompanying drawings, in which: Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention,

la fig.2 è uno schema utile per illustrare una rap presentazione matematica della radiazione di un radia tore acustico, Fig. 2 is a diagram useful for illustrating a mathematical representation of the radiation of an acoustic radiator,

la fig.3a è uno schema utile per illustrare una rappresentazione matematica della risposta impulsiva di un sistema ecografico del tipo descritto nel brevetto 1.211.963 sopra citato, Figure 3a is a diagram useful for illustrating a mathematical representation of the impulse response of an ultrasound system of the type described in the aforementioned patent 1,211,963,

la fig.3b é un grafico che rappresenta l'ampiezza relativa, in funzione della distanza orizzontale rela tiva,di un segnale ricevuto secondo lo schema della fig.3a, Fig.3b is a graph representing the relative amplitude, as a function of the relative horizontal distance, of a signal received according to the scheme of Fig.3a,

la flg.4a è uno schema,corrispondente a quello del la flg-3a,di un dispositivo secondo la presente inven zlone, Figure 4a is a diagram, corresponding to that of Figure 3a, of a device according to the present invention,

la fig.4b é un grafico che rappresenta l'ampiezza relativa, in funzione della distanza orizzontale relativa,di un segnale ricevuto secondo lo schema della flg.4a, le flgg.5a e 5b sono del grafici che rappresentano l'ampiezza relativa, in funzione del tempo,di un segnale ricevuto, rispettivamente, da un sistema ecografico del tipo descritto nel brevetto 1.211.963 sopra cita to e da un dispositivo secondo l'invenzione,e Figure 4b is a graph which represents the relative amplitude, as a function of the relative horizontal distance, of a signal received according to the scheme of Figure 4a, Figures 5a and 5b are graphs representing the relative amplitude, in a function of time, of a signal received, respectively, by an ultrasound system of the type described in the aforementioned patent 1,211,963 and by a device according to the invention, and

la fig.6 rappresenta in sezione longitudinale un gruppo porta-elettrodi per un trasduttore elettroacustico di trasmissione utilizzato in una forma d’esecuzio ne preferita dell'invenzione. Fig. 6 represents in longitudinal section an electrode holder group for an electro-acoustic transmission transducer used in a preferred embodiment of the invention.

Nella forma d'esecuzione preferita dell'Invenzione, rappresentata schematicamente nella fig.l,si distinguono essenzialmente quattro parti:un sistema elettro acustico e meccanico rice-trasmittente, indicato nel complesso con l,un alimentatore di energia elettrosta tlca con controllo elettronico di trasmissione 3,cir cuiti elettronici di ricezione 5 e un sistema di eia borazlone del segnale 7,11 sistema ricetrasmittente é immerso in acqua,per esempio per la prospezione del fondo marino,e mantenuto, con mezzi meccanici adatti, non rappresentati, ad una distanza media prefissata dalla superficie dell'acqua 9.Nella fig.l é rappreseli tato con una linea 11 il fondo marino e con linee 13 e 15 le interfacce tra strati di diversa impedenza acustica sotto il fondo marino. In the preferred embodiment of the invention, schematically represented in Fig. 1, essentially four parts are distinguished: an electro-acoustic and mechanical receiver-transmitting system, indicated as a whole with 1, an electrostatic energy supply with electronic transmission control 3, electronic receiving circuits 5 and a signal eia borazlone system 7,11 transceiver system is immersed in water, for example for the prospecting of the seabed, and kept, by suitable mechanical means, not shown, at an average distance predetermined by the surface of the water 9. In Fig. 1 the seabed is represented with a line 11 and with lines 13 and 15 the interfaces between layers of different acoustic impedance under the seabed.

Il sistema ricetrasmittente 1 è costituito da un gruppo di trasduttori di trasmissione 17 e da un tra sduttore di ricezione 18,nontati su un telaio di sostegno,non rappresentato per non complicare inutilmen te il disegno.il gruppo di trasduttori 17 comprende nove trasduttori elettroacustici con riflettore parabo loidale disposti in modo da avere gli assi paralleli tra loro,le aperture del riflettori su uno stesso piano ortogonale agli assi e il centro di tali aperture ai vortici di un poligono regolare il cui centro C si trova sull’asse di simmetria del sistema.Ogni trasdut tore 17 ha una ooppia di elettrodi 20,disposti in pros simità del fuoco del relativo riflettore,ed è costituito sostanzialmente come è descritto nel brevetti sopra citati,ma presenta,in una forma di realizzazio ne preferita,degli elettrodi modificati per ottenere una maggiore potenza utile del segnale trasmesso,come sarà descritto più in dettaglio nel seguito in relazione alla figura 6.Le coppie di elettrodi dei nove trasduttori 17 sono collegate in parallelo tramite ap positi cavi 19,all’alimentatore 3,che comprende,come è descritto in dettaglio nella domanda di brevetto 48370-A/89,gruppi di condensatori collegati alle coppie di elettrodi e dimensionati in modo da fornire ad ogni trasduttore una diversa quantità di energia elettrostatica e circuiti di controllo elettronico per provocare contemporaneamente tra gli elettrodi di ogni coppia una scarica elettrica.Le scariche elettriche di diversa Intensità provocano,a loro voltategli impulsi acustici di brevissima durata che si propaga no nell'acqua principalmente In direzione parallela all'asse dei riflettori.Nella fig.l le direzioni di propagazione sono indicate convergenti verso l'asse centrale del dispositivo solo per una più intuitiva rappresentazione dell'ottimizzazione assiale dell'emissione acustica. The transceiver system 1 consists of a group of transmission transducers 17 and of a reception transducer 18, not mounted on a support frame, not shown in order not to complicate the drawing unnecessarily. The group of transducers 17 comprises nine electro-acoustic transducers with parabo-loidal reflector arranged in such a way as to have the axes parallel to each other, the reflector openings on the same plane orthogonal to the axes and the center of these openings to the vortices of a regular polygon whose center C is on the symmetry axis of the system Each transducer 17 has a pair of electrodes 20, arranged in proximity to the focus of the relative reflector, and is substantially constituted as described in the aforementioned patents, but has, in a preferred embodiment, electrodes modified to obtain a greater useful power of the transmitted signal, as will be described in more detail in the following in relation to Figure 6. and transducers 17 are connected in parallel by means of suitable cables 19, to the power supply 3, which comprises, as described in detail in the patent application 48370-A / 89, groups of capacitors connected to the pairs of electrodes and sized so as to provide to each transducer a different amount of electrostatic energy and electronic control circuits to simultaneously cause an electric discharge between the electrodes of each pair. mainly in a direction parallel to the axis of the reflectors. In fig. 1 the directions of propagation are indicated converging towards the central axis of the device only for a more intuitive representation of the axial optimization of the acoustic emission.

Il trasduttore di ricezione 18 è montato sullo stesso telalo di sostegno al quale sono fissati i tra sduttori di trasmissione tramite mezzi di fissaggio e di accoppiamento acustico,non rappresentati,per evi tare fenomeni di diafonìa.Esso è costruito in modo analogo al trasduttore di ricezione descritto nel bre vetto 1.211.963 sopra citato: presenta,cioè,un rlflettoro paraboloidale con un rivelatore elettroacustico 21 disposto in prossimità del fuoco.Secondo l'invenzione, tale trasduttore è montato nello spazio delimitato dal trasduttori dì trasmissione e,precisamente,col suo asse coincidente con l'asse di simmetrìa del gruppo di trasduttori di trasmissione 17 e con la sua apertura sullo stesso piano di quella di questi ultimi. The receiving transducer 18 is mounted on the same support sheet to which the transmission transducers are fixed by means of fixing and acoustic coupling means, not shown, to avoid crosstalk phenomena. It is constructed in a similar way to the receiving transducer described in the aforementioned patent 1,211,963: it has, that is, a paraboloidal reflector with an electro-acoustic detector 21 arranged near the focus. axis coinciding with the symmetry axis of the group of transmission transducers 17 and with its opening on the same plane as that of the latter.

Il rivelatore 21 è collegato,tramite un cavo 23»ai circuiti elettronici di ricezione 5 che comprendono dei filtri e un convertirore analogico/digitale,indicati nel complesso con 25,che non sono descritti in dettaglio perchè noti agli esperti di progettazione elet tronica.L·'uscita dei circuiti 25 di filtro e di conver sione analogico/digitale,costituita da segnali numeri ci,è applicata in ingresso al sistema 7 di elaborazio ne del segnale.Qui il segnale viene elaborato preliminarmente da un processore "dedicato" DSP e poi invia to ad un calcolatore per usi generali PC programmato per eseguire elaborazioni grafiche in due e in tre di mensloni e per rappresentare su uno schermo DY,sotto forma di "immagini acustiche",i segnali ricevuti corri, spondentl a strati o oggetti di diversa densità che si trovano sul o sotto il fondo marino. The detector 21 is connected, by means of a cable 23, to the electronic reception circuits 5 which comprise filters and an analog / digital converter, indicated as a whole with 25, which are not described in detail because they are known to those skilled in the electronic design. The output of the filter and analog / digital conversion circuits 25, consisting of digital signals, is applied at the input to the signal processing system 7. Here the signal is preliminarily processed by a "dedicated" DSP processor and then sent to a computer for general purposes PC programmed to carry out graphic processing in two and three shelves and to represent on a DY screen, in the form of "acoustic images", the received signals run, spread in layers or objects of different density found on or under the seabed.

In una realizzazione pratica del dispositivo,i nove riflettori dei singoli trasduttori di trasmissione ave vano un'altezza interna di 21 cm,un diametro interno dell'apertura di 20 cm e una distanza focale di 1,2 cm e il riflettore del trasduttore di ricezione aveva un'altezza interna di 52,1 cm,un diametro interno dell'apertura di 50 cm e una distanza focale di 3 cm.La circonferenza contenente i centri delle aperture del riflettori di trasmissione aveva un raggio di 45 cm. In a practical embodiment of the device, the nine reflectors of the individual transmitting transducers had an internal height of 21 cm, an internal diameter of the aperture of 20 cm and a focal distance of 1.2 cm and the reflector of the receiving transducer. it had an internal height of 52.1 cm, an internal diameter of the aperture of 50 cm and a focal distance of 3 cm. The circumference containing the centers of the transmission reflector apertures had a radius of 45 cm.

Naturalmente,questo dimensioni possono variare in larga misura secondo l'impiego a cui il dispositivo é destinato.In particolare ,11 numero del trasduttori di trasmissione viene scelto in modo che il rapporto tra il segnale primario complessivo e il segnale di cavitazione sia abbastanza grande da consentire un si curo riconoscimento del segnale utile in ogni caso pratico. Nell ’esempio di esecuzione dell’invenzione so pra descritto si sono ottenuti buoni risultati con un rapporto pari a 6:1.Tuttavia,in qualche applicazione possono risultare accettabili anche rapporti più bassi, per esemplo fino a 3:1,e in altre possono essere vantaggiosi rapporti anche più alti di 6:1.Le dimensioni dei trasduttori vengono scelte in base alle bande di frequenza di trasmissione e di ricezione delle onde acustiche in gioco in ogni particolare applicazione. Of course, this dimensions can vary widely according to the use for which the device is intended.In particular, the number of transmission transducers is chosen so that the ratio between the overall primary signal and the cavitation signal is large enough to allow a sure recognition of the signal useful in any practical case. In the example of embodiment of the invention described above, good results have been obtained with a ratio equal to 6: 1. However, in some applications even lower ratios may be acceptable, for example up to 3: 1, and in others they may ratios even higher than 6: 1 are advantageous. The dimensions of the transducers are chosen on the basis of the transmission and reception frequency bands of the acoustic waves involved in each particular application.

Nell’esempio sopra descritto,l ’apertura del riflettori di trasmissione fu scelta in modo da risultare compara bile con la lunghezza d’onda corrispondente all’incirca alla frequenza centrale (f = 7500 Hz) della banda di trasmissione (0,1 15kHz ), cio λ=0,20 m, e quella del riflettore di ricezione fu scelta opportunamente maggio re di quella di trasmissione per poter ricevere anche segnali caratterizzati da frequenza relativamente più basse di quella centrale di trasmissione;in questo caso tale apertura corrisponde ad una frequenza di 3000 Hz. In the example described above, the aperture of the transmission reflectors was chosen so as to be comparable with the wavelength corresponding approximately to the center frequency (f = 7500 Hz) of the transmission band (0.1 15kHz) , that is λ = 0.20 m, and that of the receiving reflector was suitably chosen greater than the transmission one in order to also receive signals characterized by relatively lower frequencies than the central transmission one; in this case this opening corresponds to a frequency of 3000 Hz.

In generale,è utile ohe l'apertura del trasduttore di ricezione sia la più grande possibile,per cui conviene sfruttare tutto lo spazio delimitato dai trasduttori di trasmissione. Inoltre,la distanza tra i trasduttori di trasmissione adiacenti e il loro nume ro vengono scelti in modo da rendere minimi gli effetti dei segnali spuri che vengono emessi lateralmente, noti come "grating lobes". In general, it is useful for the opening of the receiving transducer to be as large as possible, so that it is advisable to use all the space delimited by the transmission transducers. Furthermore, the distance between adjacent transmission transducers and their number are chosen so as to minimize the effects of spurious signals emitted laterally, known as "grating lobes".

Viene descritta sommariamente nel seguito una tecnica, sviluppata dagli autori della presente invenzio ne,per mostrare perchè e in quale misura il dispositi vo secondo l'invenzione consente una risoluzione late rale maggiore di quella di un dispositivo noto del ti po descritto nel brevetto 1.211.963* A technique developed by the authors of the present invention is briefly described below to show why and to what extent the device according to the invention allows a lateral resolution greater than that of a known device of the type described in patent 1.211. 963 *

Questa tecnica si basa sul concetto di "risposta impulsiva" di un sistema ecografico.Tale concetto può essere illustrato a partire dal semplice schema della figura 2 che rappresenta un trasduttore circolare assimilabile ad un pistone perfetto di raggio d,vibran te in uno schermo lnfinitamonte rigido.La pressione acustica generata dal sistema in un punto This technique is based on the concept of "impulse response" of an ultrasound system. This concept can be illustrated starting from the simple diagram of figure 2 which represents a circular transducer similar to a perfect piston of radius d, vibrating in an infinitely rigid screen. The sound pressure generated by the system at a point

situato in campo lontano pud essere calcolata come la derivata temporale della convoluzione della velocità di spostamento V(t) dell’onda acustica per una funzio ne h (Q,t) chiamata "risposta impulsiva del sistema": located in the far field can be calculated as the time derivative of the convolution of the displacement speed V (t) of the acoustic wave for a function h (Q, t) called "system impulse response":

La funzione h(Q,t) è direttamente legata alla "funzio ne di direttività” del sistema e quindi la sua deter minazlone permette dì dare una valutazione della riso luzlone laterale dello stesso. The function h (Q, t) is directly linked to the "directivity function" of the system and therefore its determination allows to give an evaluation of the lateral resolution of the system.

Mei caso più complesso di un sistema costituito da due distinti trasduttori,uno in trasmissione e l'altro in ricezione,si può fare l'ipotesi semplificativa di eccitazione in onda continua monocromatica,senza togliere generalità ai risultati del confronto tra l'arte nota e l'invenzione. In the more complex case of a system consisting of two distinct transducers, one in transmission and the other in reception, the simplifying hypothesis of excitation in monochromatic continuous wave can be made, without taking away generality from the results of the comparison between the prior art and the invention.

SI consideri dapprima il caso,rappresentato nella fig.3a,di due trasduttori paraboloidali,uno per la trasmissione (T) e l'altro per la ricezione (R),entrain bi assimilabili,in prima approssimazione,a due piato ni perfetti entrambi di raggio d e posti alla stessa distanza xo dall’origine degli assi di un sistema di coordinate (x,y,z).Questo caso corrisponde al sistema Geografico descritto nel brevetto 1.211.963 sopra ci tato. Consider first the case, represented in fig. 3a, of two paraboloidal transducers, one for transmission (T) and the other for reception (R), which can be assimilated, as a first approximation, to two perfect plates both of radius d and placed at the same distance xo from the origin of the axes of a coordinate system (x, y, z). This case corresponds to the Geographical system described in the aforementioned patent 1,211,963.

La risposta impulsiva dì questo sistema pud essere calcolata tenendo conto che essa è proporzionale al prodotto della funzione di distribuzione del trasduttoro di trasmissione per la funzione di direttività di quello di ricezione (si veda l’articolo di G.B. Can nelli, E. D'Ottavi e L. Pitolli "Ruolo della risposta impulsiva dei sistemi ecografici ad onde acustiche", The impulse response of this system can be calculated taking into account that it is proportional to the product of the distribution function of the transmission transducer by the directivity function of the reception one (see the article by G.B. Can nelli, E. D'Ottavi and L. Pitolli "Role of the impulse response of acoustic wave ultrasound systems",

Rivista It. di Acustica, 2, pag.33-^l»1987): It. Review of Acoustics, 2, p. 33- ^ l »1987):

dove C è una costante,λ è la lunghezza d’onda, fi la funzione di Bessel di prima specie e di ordine 1, r1,r2 e θ1,θ2 hanno il significato indicato nella fig.3a. where C is a constant, λ is the wavelength, fi the Bessel function of the first kind and of order 1, r1, r2 and θ1, θ2 have the meaning indicated in Fig.3a.

11 calcolo della funzione h della relazione (2) è 3tato effettuato nelle condizioni standard prefissate y =0, z= 4m e coi seguenti valori degli altri pararne tri: ottenendo la curva riportata nella fig-3b che presenta in ordinata l'ampiez za relativa AR del segnale acustico e in ascissa la distanza orizzontale relativa DOR.A questa curva si pud dare il seguente significato fisico: essa rappresenta l'andamento del valore di picco del segnale,ri levabile all'uscita del trasduttore di ricezione,che si otterrebbe ponendo un diffusore puntiforme sul pun to Qo (0,0,4) ed effettuando una scansione lungo l'as se x,mantenendo fiesa la distanza 2xo tra i centri dei due trasduttori.Dalla stessa curva si pud determinare il valore relativo della risoluzione laterale R1 del sistema come distanza,sull'asse delle ascisse, tra i due punti aventi ordinata pari alla metà del valore massimo della curva.Si ottiene cosi R1= 0,65· The calculation of the function h of relation (2) was carried out under the standard pre-established conditions y = 0, z = 4m and with the following values of the other three parameters: obtaining the curve shown in fig-3b which presents the relative amplitude in ordinate AR of the acoustic signal and on the abscissa the relative horizontal distance DOR. This curve can be given the following physical meaning: it represents the trend of the peak value of the signal, detectable at the output of the receiving transducer, which would be obtained by placing a point diffuser on the point Qo (0,0,4) and scanning along the axis x, keeping fiesa the distance 2xo between the centers of the two transducers. From the same curve it is possible to determine the relative value of the lateral resolution R1 of the system as the distance, on the abscissa axis, between the two points having an ordinate equal to half of the maximum value of the curve, thus obtaining R1 = 0.65

si consideri ora il caso di un gruppo di trasdutto ri parabololdali In trasmissione (TA) e di un trasdut now consider the case of a group of transmitting parabololdal transducers (TA) and of a transducer

tore paraboloidale di ricezione (RA) posto al centro reception paraboloidal tor (RA) placed in the center

del gruppo TA come é rappresentato nella fig.4a,che illustra in modo schematico il dispositivo secondo l'invenzione rappresentato nella flg.l.. of the TA unit as shown in Fig. 4a, which schematically illustrates the device according to the invention shown in Fig.

Facendo le ipotesi sernpllficative che 1 trasduttori siano assimilabili a due pistoni perfetti e usando Making the sernpllficative hypotheses that the transducers are comparable to two perfect pistons and using

una relazione analoga alla (2) nella quale sono stati Introdotti 1 parametri relativi alla diversa apertura a relationship similar to (2) in which 1 parameters relating to the different opening have been introduced

dei trasduttori (rispettivamente of the transducers (respectively

e alla loro mutua distanza ,si ottiene la curva della flg.4b.Anche In questo caso la curva δ stata cal colata per Analogamente al caso precedente, si pud determinare la risoluzione laterale,che è in questo caso E’ evidente quindi che il dispositivo della presente invenzione ha una migliore risoluzione laterale, cioè è in grado di distinguere oggetti poeti and at their mutual distance, the curve of Figure 4b is obtained. In this case too the curve δ has been calculated for of the present invention has a better lateral resolution, that is, it is able to distinguish poetic objects

su un piano orizzontale a distanza ravvicinata meglio on a horizontal plane at close range better

di quanto non faccia il sistema ecografico noto descritto nel brevetto 1.211.962. than the known ultrasound system described in patent 1,211,962 does.

Si è constatato,inoltre, che il dispositivo secondo l'invenzione presenta anche una risoluzione verticale migliore di quella che ci si sarebbe aspettata dall'ap plicazione del metodo descritto nella domanda di bre It has also been found that the device according to the invention also has a better vertical resolution than that which would have been expected from the application of the method described in the patent application.

vetto 48370-A/89.Tale effetto sembra dovuto principalmente alla capacità del sistema di discriminare in ricezione i segnali privilegiando,esaltandoli.quel li provenienti da direzioni "assiali",cioè quelli caratterizzati da una durata più breve,essendo meno influenzati dal fenomeno della cavitazione acustica. 48370-A / 89 This effect seems to be mainly due to the system's ability to discriminate signals in reception by favoring and enhancing those coming from "axial" directions, that is, those characterized by a shorter duration, being less influenced by the phenomenon of acoustic cavitation.

Per quanto riguarda il rapporto segnale/rumore,il dispositivo secondo l'Invenzione,grazie soprattutto alla direttività sia del trasduttori di trasmissione che del trasduttore di ricezione,fi sostanzialmente insensibile alle sorgenti di rumore che agiscono in direzione trasversale al suo asse.In particolare,nel caso di una sua applicazione per l’esplorazione sotto marina,esso é meno sensibile dei dispositivi noti al rumore dovuto alla riverberazione delle onde acustiche riflesse in successione dal fondo e dalla superficie di separazione acqua-aria ed a quello prodotto dalla diffusione ("scattering") delle onde acustiche da par te di piccole disomogeneità del fondo marino,ì quali contribuiscono a limitare la capacità di discriminare segnali acustici provenienti da punti del fondo mari no a distanza orizzontale assai ravvicinata. As far as the signal / noise ratio is concerned, the device according to the invention, thanks above all to the directivity of both the transmission transducer and the receiving transducer, is substantially insensitive to noise sources which act in a direction transverse to its axis. in the case of its application for underwater exploration, it is less sensitive than known devices to noise due to the reverberation of the acoustic waves reflected in succession from the bottom and from the water-air separation surface and to that produced by diffusion ("scattering ") of the acoustic waves from small inhomogeneities of the seabed, which contribute to limiting the ability to discriminate acoustic signals coming from points of the seabed at a very close horizontal distance.

E' riportato,infine,un test (flgg.5a,5b) che mette a confronto la risposta del sistema ecografico già noto (fig.5a) con quella del sistema oggetto della pre sente invenzione (fig.5b). Finally, a test is reported (fig.5a, 5b) which compares the response of the already known ultrasound system (fig.5a) with that of the system object of the present invention (fig.5b).

L'esperimento è stato effettuato in un bacino ma -rlno profondo circa 5m,nelle stesse condizioni speri mentali e con energia di sparo (elettrostatica) pari a circa 1000 joule. The experiment was carried out in a basin about 5m deep, under the same experimental conditions and with a firing energy (electrostatic) of about 1000 joules.

Entrambi 1 diagrammi,che rappresentano l'ampiezza relativa AR In funzione del tempo t,mostrano un primo segnale corrispondente all'impulso di trasmissione e un secondo segnale che reca l'Informazione relativa al fondo marino,Intorno al tempo ta 6,5 ms,rilevati sui rispettivi ricevitori. Both diagrams, which represent the relative amplitude AR as a function of time t, show a first signal corresponding to the transmission pulse and a second signal bearing the information relating to the seabed, around the time ta 6.5 ms, detected on the respective receivers.

Dal confronto si vede chiaramente che il sistema ecografico noto non riesce a discriminare il segnale riflesso dal fondo marino dagli altri segnali attribuibili, in parte,al fenomeno della cavitazione acusti ca,e in parte a vari rumori ambientali sottomarini. From the comparison it is clear that the known ultrasound system is unable to discriminate the signal reflected from the seabed from the other signals attributable, in part, to the phenomenon of acoustic cavitation, and in part to various underwater environmental noises.

Al contrarlo, il sistema della presente invenzione mostra chiaramente un segnale riflesso dal fondo dopo un tempo di circa 6,5 ms che corrisponde senza ombra di dubbio al tempo che impiega un'onda sonora a percor rere, alla velocità di circa 1500 m/s,il tragitto noto di andata e ritorno,pari a 10 metri.Si nota,inoltre, ohe il segnale di prospezione ha caratteristiche di durata, ampiezza e contenuto in componenti armoniche ad alta frequenza,tali da garantire un notevole miglio ramento della risoluzione verticale e orizzontale del sistema secondo l’invenzione rispetto a quello noto. Allo scopo di ottenere la massima efficienza dei trasduttori di trasmissione,cioè una maggiore intensi tà dell’onda acustica emessa da un riflettore parabololdale,secondo una forma d'esecuzione preferita dell'in venzione,gli elettrodi,anziché essere disposti trasver esimente all'asse del paraboloide,come è descritto nei brevetti sopra citati,sono orientati coassialmente ad esso,in modo da rendere minimo l'effetto scherman te dovuto alle loro dimensioni e alla loro struttura di sostegno. On contraction, the system of the present invention clearly shows a signal reflected from the bottom after a time of about 6.5 ms which undoubtedly corresponds to the time it takes for a sound wave to travel, at a speed of about 1500 m / s. , the known round trip distance, equal to 10 meters. It is also noted that the prospecting signal has characteristics of duration, amplitude and content in high frequency harmonic components, such as to guarantee a considerable improvement of the vertical resolution and horizontal of the system according to the invention with respect to the known one. In order to obtain the maximum efficiency of the transmission transducers, i.e. a greater intensity of the acoustic wave emitted by a parabolic reflector, according to a preferred embodiment of the invention, the electrodes, instead of being arranged transversely to the axis of the paraboloid, as described in the aforementioned patents, are oriented coaxially thereto, so as to minimize the shielding effect due to their dimensions and their supporting structure.

Piti in particolare,come é mostrato nella fig.6,gli elettrodi,indicati con 30,sono disposti l'uno sull'al tro lungo l'asse della struttura porta-elettrodi,che coincide con l'asse del riflettore paraboloidale (non rappresentato).L'elettrodo inferiore é tenuto in posizione da un conduttore elettrico 32 relativamente sot tile piegato a U,cosicché,tra il punto in cui avviene la scarica elettrica e le pareti interne del rifletto re non ci sono praticamente ostacoli. In particular, as shown in Fig. 6, the electrodes, indicated with 30, are arranged on each other along the axis of the electrode-holder structure, which coincides with the axis of the paraboloidal reflector (not shown The lower electrode is held in position by a relatively thin U-bent electrical conductor 32 so that there are practically no obstacles between the point where the electrical discharge occurs and the inner walls of the reflector.

Per quanto sia 3tata illustrata e descritta una so la forma di esecuzione della presente invenzione,é ovvio che numerosi varianti e modifiche possono esse re apportate senza uscire dall'ambito del concetto Inventivo definito,nelle sue caratteristiche essenzia li,nella prima rivendicazione. Per esempio,i riflettori dei trasduttori di trasmissione, anziché essere tutti uguali e alimentati con quantità diverse di energia elettrostatica, potrebbero essere diversi tra loro e alimentati con la stessa energia,cioè dimensionati in modo da emettere impulsi acustici di diversa intensità,pur con la stessa energia elettrostloa di alimenta zione.In questo caso è conveniente che l'apertura del riflettore di ricezione sia almeno uguale a quella del pili grande dei riflettori di trasmissione. Although only one embodiment of the present invention has been illustrated and described, it is obvious that numerous variations and modifications can be made without departing from the scope of the inventive concept defined, in its essential characteristics, in the first claim. For example, the reflectors of the transmission transducers, instead of being all the same and fed with different amounts of electrostatic energy, could be different from each other and fed with the same energy, that is, sized so as to emit acoustic pulses of different intensity, even with the same power supply electrostyle. In this case it is convenient that the opening of the receiving reflector is at least equal to that of the largest of the transmitting reflectors.

Claims

CLAIMS 1.Device for transmitting and receiving acoustic signals in a propagation medium, including: - a support frame, - a plurality of electro-acoustic transmission transducers, fixed to the support frame, each comprising a paraboloidal reflector having a pair of electrodes near the focus, - an electro-acoustic receiving transducer, - electrostatic energy supply means, electrically connected to the pairs of electrodes of the paraboloidal reflectors of the transmission transducers, capable of supplying each pair of electrodes simultaneously with a predetermined amount of electrostatic energy, to cause an electric discharge between them and thus to generate a acoustic pulse in the propagation medium, the intensity of the acoustic pulse being different for each transmission transducer, e - electric reception circuits electrically connected to the electroacoustic reception transducer, characterized by the fact - that the transmission transducers are arranged with the axes of the respective parabolic reflectors substantially parallel to each other, with the openings of the same reflectors on the same plane substantially orthogonal to the axes and with the centers of these openings at the vertices of a polygon, and - that the receiving transducer comprises a paraboloidal reflector, with an electro-acoustic detector near the focus, arranged in a fixed position with respect to the reflectors of the transmission transducers, with the axis of its reflector substantially parallel to the axes of the transmission reflectors, with its opening substantially on the same plane as the apeir tures of the same transmission reflectors and with the center of its aportura around the aforementioned polygon. 2. A device according to claim 1, characterized in that the transmission transducers are substantially identical to each other. The polygon is a regular polygon and the axis of the receiving reflector passes through the center of the polygon and by the fact that the amount of electrostatic energy supplied by the power supply means to the transmission transducers is different for each transducer. 3.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the number of the transmission transducers fi such that the ratio between the overall primary signal, given by the constructive contribution of the primary signals of the individual transmission transducers, and the cavitation signal fi at least 2: 1. 4. A device according to claim 3, characterized in that the number of transmission transducers fi such that the ratio between the overall primary signal and the cavitation signal fi is 6: 1. 5. A device according to any one of the preceding claims, characterized in that the aperture of the receiving paraboloidal reflector is at least equal to that of the largest of the transmitting paraboloidal reflectors. 6. Device according to any of the preceding claims, characterized in that the distance between adjacent transmission reflectors is less than the distance at which the effects of the spurious signals emitted laterally, known as "grating lobes", significantly interfere with the main acoustic signal emitted from adjacent transducers. 7 - Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the receiving circuits comprise electronic circuits for the analog / digital conversion of the received signals and digital signal processing devices suitable for presenting the information associated with the received signals in the form of "acoustic images". 8.Device according to any of the preceding claims, characterized in that the receiving paraboloidal transducer is fixed to the support frame by means of acoustic decoupling