Un quattro analitico

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8727 (2022) Citare questo articolo

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L'articolo presenta un nuovo modello analitico di dipolo elettrico orizzontale a quattro strati (aria-acqua-fondo-strato non conduttivo) che consente un'approssimazione accurata del potenziale elettrico sottomarino (UEP) della nave da una profondità sufficiente in acque marine costiere poco profonde. I metodi numerici, solitamente il metodo degli elementi finiti (FEM) o il metodo degli elementi al contorno (BEM), vengono generalmente utilizzati per stimare il campo elettrico e la distribuzione dei componenti elettrici statici dell'UEP attorno alla nave. Questi metodi consentono analisi con elevata precisione ma, rispetto ad altri metodi con elettrodo puntiforme e al modello analitico proposto, sono relativamente complessi e richiedono tempi di calcolo elevati. Il modello analitico sviluppato proposto in questo documento consente calcoli in tempo reale senza perdita significativa di accuratezza delle stime UEP. Nel modello, il problema dei valori al contorno ai confini dei singoli strati viene risolto utilizzando il metodo riflessione/immagine e applicando l'idea di continuità del potenziale elettrico ad un dato confine tra due strati adiacenti. La sua accuratezza è verificata sulla base dei dati sintetici forniti da pacchetti software specializzati che utilizzano metodi numerici FEM e BEM. Viene inoltre fornita un'analisi quantitativa adimensionale delle relazioni tra i parametri di base del modello analitico a quattro strati proposto e il loro impatto sull'accuratezza della rappresentazione dei singoli componenti dell'intensità del campo elettrico. Vengono studiate e descritte le relazioni tra l'acqua e la conduttività del fondale e tra la profondità dell'acqua e lo spessore del fondale. I risultati ottenuti mostrano che il modello sviluppato consente un'analisi dettagliata e affidabile del campo elettrico, soprattutto in acque costiere poco profonde.

Per anni, le tecnologie legate al campo elettrico sono state oggetto di interesse in vari campi della scienza e della tecnologia come la geofisica, l’archeologia, il monitoraggio dei processi industriali e chimici e l’ingegneria biomedica. Applicazioni significative di queste tecnologie possono essere trovate nei sistemi utilizzati nella tomografia a impedenza elettrica (EIT)1,2, nella tomografia a resistività elettrica (ERT)3 o nella tomografia a polarizzazione indotta (IPT)4. In tali applicazioni, all'oggetto analizzato vengono solitamente applicate correnti con forma d'onda sinusoidale o rettangolare. Le tensioni risultanti vengono misurate utilizzando gli elettrodi di superficie per valutare la distribuzione della conduttività interna e la distribuzione della permettività. Non solo i dispositivi tecnici realizzati dall’uomo utilizzano le tecnologie del campo elettrico. Ad esempio, nel mondo naturale, tecniche simili vengono utilizzate dai pesci debolmente elettrici. Per l’acquisizione del cibo e per la navigazione, questi pesci possono generare un campo elettrico e utilizzare l’analisi dell’eco con i recettori posizionati sui loro corpi. Questo fenomeno naturale, chiamato elettrosenso biologico, è ampiamente studiato da numerosi ricercatori. Ad esempio, i modelli matematici per i pesci debolmente elettrici in termini di elettrolocalizzazione attiva si trovano in5, mentre quelli riguardanti il ​​riconoscimento e la classificazione della forma in6. Nella scienza vengono utilizzati metodi avanzati di ottimizzazione o test di discontinuità per trovare la struttura e i parametri di tali modelli. Tuttavia, è difficile aspettarsi che gli organismi viventi agiscano in questo modo. Gli articoli7 e8 presentano un approccio semplificato e un quadro matematico sotto forma di tensore di polarizzazione del primo ordine ai fini dell'elettrorilevamento degli oggetti, mentre9 mostra l'implementazione di un algoritmo per stimare la dimensione, la forma, l'orientamento e la posizione di un oggetto ellissoidale a breve distanza gamma nel sistema robotico di elettrosenso attivo.

In questo articolo, gli autori si concentrano sull'applicazione delle tecniche relative al potenziale elettrico sottomarino nell'industria marina. La misura del potenziale elettrico sottomarino (UEP) è ampiamente utilizzata in applicazioni marine civili e militari per diversi scopi. Ad esempio, viene utilizzato per monitorare la corrosione dello scafo di una nave e la sua protezione contro la corrosione10,11,12,13,14,15, nella previsione delle firme UEP per valutare un possibile rischio di inclinazione della nave rilevato da mine navali16, nelle indagini geofisiche per ottenere informazioni sulla struttura del fondale marino17,18, nell'esplorazione dei giacimenti di petrolio e gas situati nel fondale marino19,20 nei compiti di tracciamento delle navi21 e localizzazione di oggetti sotto la linea di galleggiamento22, o nella classificazione delle navi23.