Sotto le Onde, il Suono Esplorare l

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Sotto le Onde, il SuonoEsplorare lOceano con
Delfini Artificiali

• Henrik Schmidt
• Massachusetts Institute of Technology
• NATO Undersea Research Centre

Festival della Scienza La Spezia Oct 25, 2007
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Le OndeCosa sono?
Leonardo da Vinci ha notato che un oggetto
gettato in mare oscilla su e giu, ma non si
muove insieme alle onde che ha creato
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Le Onde Un Esempio

• La Onda Messicana
• Un disturbo che va in giro nello stadio, ma le
  persone stanno nello stesso posto
• 2. Il movimento di ogni persona e molto meno del
  movimento della onda
• 3. Le onde sone periodiche nel senso che si
  ripetono con un certo periodo

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Onde Meccaniche Esempio una Molla
Pressione
Pressione
Onde Longitudinali Acoustiche, Sismiche Onde
Trasverse Sismiche
Tensione
Propagazione
Riflessione
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Onde Acustiche Il Suono
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Onde Acustiche Il Suono Sottomarino
Comunicazione
Percezione Ambientale
Navigazione
Gli animali che vivono nella atmosfera e sono
attivi durante il giorno (uomo) dipendono dalle
onde elettromagnetiche (luce, radio) Quelli
notturni (pipistrelli) e gli animali sottomarini
(balene) usano il suono
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La Visione nell Mare

• Onde Eletromagnetiche
• Alta frequenza 3x1014 Hz
• Alta velocita 3x108 m/s
• Alta risoluzione
• Distanze molto corte (lt 10-20 m)
• Suono
• Bassa frequenza lt 105 Hz
• Bassa Velocita 1500 m/s
• Risoluzione bassa
• Lunghe distanze (1 m 5000 km)

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La velocita del Suono
Onde Elletromagnetiche Quasi costante 300.000
km/s
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Velocita del Suono Sottomarino Variabilita
Globale
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Acustica MarinaIl Principio Fondamentale
Al suono piace la velocita minore
c
Raggio di Suono
Rifrazione
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Acustica Sottomarina
Mid latitudes
polar latitudes
Layers of constant sound speed
SOSUS array
Radiated noise
Depth 10000 ft
Ray trapped in the Deep Sound Channel (DSC)
Sea mountain or continental shelf
Typical northern sound speed profile
Typical mid-latitude sound speed profile
C (m/s)
Box 1
Range 1000 miles
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Acoustica Sottomarina Cammini di Propagazione
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Applicazioni della Acustica Sottomarina
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SONAR
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Mappatura Acustica del Fondo
Echosounder
Multibeam Sonar
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Tomografia Acustica

Piu lento
Piu veloce
Tomografia Determinazione della distribuzione
della velocita acustica dalla sequenza dei tempi
di arrivo della energia acustica.
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Mappatura AcusticoRisoluzione

• A 100 m distanza
• Occhio humano
• 1 mm
• L 3 mm
• Dz 3 cm
• Sonar 100 kHz
• 1.5 cm
• L 1 m
• Dz 1.5 m

L
R
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Mappatura del FondoNave Romana
675 kHz Pencil-Beam Sonar
Mosaico Fotografico
Images Courtesy of H. Singh, WHOI
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Robotica SottomarinaVeicoli Sottomarini Autonomi
MIT Odyssey II (1995)
MIT/Bluefin Odyssey III (2002)

• Applicazioni dei Robot Sottomarini
• Mappatura del fondo.
• Ricerca delle mine e oggetti archeologici
• Ricerca di petrolio nel mare profondo
• Osservatori delloceano

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Side Scan Sonar
Range
Angle

• Frequency 200-800 kHz
• High range resolution
• Wide horizontal aperture
• Narrow horizontal beam
• High angular resolution

Aspect 270o
Aspect 000o
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GOATS2000Side-scan Sonar Mappatura
Side Scan Tiled Images
Bottom classification
OEX
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Il Sonar dei Delfini - Risoluzione
Wide beam -gt Low angle resolution
Figures from The Sonar of Dolphins by W. Au
(Springer Verlag, 1993)
23
Il Sonar dei Delfini - Frequenze
Wide frequency band gt Accurate ranging
Figures from The Sonar of Dolphins by W. Au
(Springer Verlag, 1993)
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Il Sonar DelfinoReflezioni dagli Oggetti
Figures from The Sonar of Dolphins by W. Au
(Springer Verlag, 1993)
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GOATS98Odyssey II Low-Frequency Sonar
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GOATS98 ExperimentRicerca Oggetti Fondali
Super-critical Insonification
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NavigazioneIl Sonar del Pipistrello
Wide beam -gt Range only
Figures from The Sonar of Dolphins by W. Au
(Springer Verlag, 1993)
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MIT- NURC SAS Sonar
16-element Linear Array (15kHz)
Source and Acquisition Payload Section
2x8-element Linear Array (7.5kHz)
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GOATS2002BP02 MASAI02
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BP02 - MASAI02SAS Zamboni Surveys
Navigation Sensors

• GPS (surface)
• Sonardyne LBL
• DVL
• Compass

SAS Sonar

• 4-16 kHz SBP Source
• 2x8 element nose array

Movie
Klein 5000 (GESMA)
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Controllo Robotico Adattamento allAmbiente
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Il Sonar dell PipistrelloControllo adattivo
Figures from The Sonar of Dolphins by W. Au
(Springer Verlag, 1993)
1
2
5
3
4
4
3
5
2
1
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Ricerca degli Oggetti Adattiva
Simulated Acoustic Data
Signal to Reverb (SRR)
Adaptive
Planned
Adapt path
Detection made
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Mobilita, Propulsione and Manovrabilita
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Come nuotano i pesci
Cylinder wake Karman vortex street, induced jet
flow towards the body, causing drag force
Fish wake reverse Karman vortex street, induced
jet flow away from the body, causing thrust force
(Karman Burges 1937)
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Robo-Tuna Research
Skin
Hydrodynamics
Skeleton
Tendons
Muscles
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Robo-Pike
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Sistemi robotici per losservazione
dellambiente
Conclusioni I sistemi convenzionali non sono
adeguati per esplorare il 95 del volume
delloceano che rimane ignoto alluomo, e per
operare nellambiente costiero che e pieno di
insidie Robot sottomarini che cooperano tra loro
hanno un grande potenziale per esplorare loceano
profondo e la costa. Serve pero una nuova
tecnologia che sfrutti meglio lintelligenza a
bordo dei veicoli. Questa e la sfida per i
ricercatori, le industrie e gli enti pubblici I
mammiferi marini e i pesci sono i padroni
dellambiente marino e ci insegnano come
percepire lambiente, come navigare, comunicare e
cooperare sottacqua