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SEAmPhonia e il campo acustico sottomarino

PRIN-SEAmPhonia

Programme: PRIN: PROGETTI DI RICERCA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE – Bando 2022

Project title: SEAmPhonia – An innovative enlightening approach to enable the modelling of marine ecosystems by the acoustic 3D field – 2022AWXT3K

Acronym: SEAmPhonia

Duration: dal 28/09/2023 al 28/02/2026

Project budget: € 273.540,00

ISMAR budget: € 161.357,00

Web site: https://www.ismar.cnr.it/seamphonia/

Contact person in ISMAR: angela.pomaro@cnr.it (Principal Investigator)

Partnership:

  1. Consiglio Nazionale delle Ricerche (Italy)
  2. Sapienza Università di Roma (Italy)
  3. Università degli Studi di Padova (Italy)


Sommario:

L’ambiente marino è modellato da complesse interazioni tra variabili fisiche, chimiche e biologiche, a cui si aggiunge l’influenza delle attività umane. Sebbene siano disponibili modelli fisici avanzati e tecniche di assimilazione dati, i modelli ecosistemici completi risultano ancora limitati dalla difficoltà di integrare variabili eterogenee e molteplici processi interconnessi.

SEAmPhonia propone un nuovo approccio osservativo basato sull’analisi del campo acustico sottomarino 3D, ispirato a metodologie innovative sviluppate nell’ambito dell’eliosismologia. Attraverso una matrice di sensori dispiegata in mare e ampliando l’analisi dagli spettri di frequenza classici a metodi cross‑spettrali (fase, coerenza, wavelet), il progetto mira a identificare i contributi della dinamica del moto ondoso, dell’attività biologica e del rumore antropico.

Questa metodologia viene testata in un bacino ben caratterizzato utilizzando una configurazione osservativa rara e difficilmente disponibile altrove. Ciò consente di collegare la variabilità acustica locale a processi ambientali su scala più ampia.

Gli obiettivi del progetto comprendono:

  • Trasferire conoscenze dalla fisica solare all’acustica marina per identificare processi che accoppiano componenti fisiche, biologiche e antropiche.
  • Sviluppare e adattare tecnologie in fibra ottica per applicazioni marine.
  • Dotare e testare una piattaforma di osservazione a lungo termine nell’Adriatico.
  • Acquisire e confrontare dati raccolti in differenti configurazioni geometriche e regimi ecosistemici.
  • Aprire una nuova linea di ricerca basata sull’analisi dei regime shift nel campo acustico 3D.
  • Progettare una strategia osservativa marina efficiente ed economicamente sostenibile basata sull’acustica.


Perchè SEAmPhonia

L’oceano è un ambiente dinamico in cui numerose variabili interagiscono su molteplici scale. Nonostante i progressi della modellistica fisica, le previsioni su scala ecosistemica risultano ancora incomplete a causa della difficoltà di assimilare dati molto diversi tra loro e di rappresentare processi accoppiati.

SEAmPhonia affronta questa sfida utilizzando il campo acustico sottomarino 3D come descrittore ambientale integrato, sfruttando la natura continua e ricca di informazioni del suono subacqueo.
Questo approccio trae ispirazione dall’eliosismologia, che permette di inferire la dinamica interna del Sole a partire dalle oscillazioni osservate in superficie. Analogamente, l’acustica marina offre un accesso indiretto a processi dell’ambiente oceanico che non sono direttamente osservabili.

Cosa facciamo

  • Dispiegare una matrice di idrofoni presso la Piattaforma Oceanografica Acqua Alta (Alto Adriatico).
  • Estendere l’analisi acustica dagli spettri di potenza tradizionali a strumenti cross‑spettrali (fase, coerenza, wavelet).
  • Sviluppare e adattare tecnologie acustiche in fibra ottica per il 3D marino.
  • Testare strategie osservative a lungo termine in un bacino ben caratterizzato.


Linee di lavoro e Risultati

1. Scienza

Nell’ambito del pacchetto scientifico, SEAmPhonia ha realizzato un programma sperimentale strutturato per valutare come il campo acustico sottomarino possa rivelare processi chiave dell’ambiente marino. Sono stati condotti sei esperimenti in mare presso la Torre Oceanografica Acqua Alta, supportati da misure multi‑idrofoni ad alta risoluzione, con frequenze di campionamento fino a 128 kHz. Questi dataset sono stati sottoposti a un’analisi approfondita per estrarre indicatori acustici robusti.

L’analisi ha portato a due risultati principali. È stato identificato un indicatore dello stato del sistema dal contenuto spettrale ad alta frequenza dei segnali acustici, ipotizzando una correlazione con l’attività biologica. Parallelamente è stato individuato un indicatore dello stato del mare, riconoscendo firme acustiche associate ai processi di interazione aria–mare.

I risultati sono stati presentati in conferenze internazionali, tra cui MetroSea 2024 (Portorož), Euronoise 2025 (Málaga) e MetroSea 2025 (Genova), con diversi articoli già sottomessi o in preparazione. Il progetto ha inoltre ottenuto visibilità nella comunità acustica nazionale attraverso la partecipazione al Convegno AIA di Taormina, che ha portato a un invito per una presentazione dedicata il 17 marzo 2026. SEAmPhonia ha inoltre contribuito come special session chair a MetroSea 2025 (Genova).

2. Tecnologia

La linea di ricerca tecnologica ha avuto due obiettivi principali: testare le procedure di sincronizzazione per matrici di idrofoni, calibrare idrofoni commerciali e co‑progettare un sensore a basso rumore con un partner industriale; e sviluppare un nuovo sistema in fibra ottica per l’acquisizione del campo acustico 3D. A tal fine, il team ha eseguito test di sincronizzazione utilizzando toni acustici identificabili e ha effettuato ampie calibrazioni nel laboratorio acustico del CNR‑INM e in mare. Le attività sono state supportate da analisi multi‑strumento e da una validazione di laboratorio in corso per i componenti in fibra ottica, seguita dai primi test in campo.

Il lavoro ha prodotto risultati significativi. I toni di sincronizzazione sono stati rilevati con successo, ma gli esperimenti hanno anche mostrato la presenza di drift della base dei tempi negli idrofoni remoti e di instabilità a lungo termine in alcuni emettitori acustici, legata a limiti meccanici delle membrane. Questi risultati hanno portato alla raccomandazione di utilizzare più sorgenti di emissione per rendere più robusta la sincronizzazione. Il team ha inoltre prodotto e confrontato curve di calibrazione dettagliate, migliorando l’affidabilità della rete di sensori.

I risultati sono stati presentati in eventi di rilievo come Euronoise 2025 (Málaga) e MetroSea 2025 (Genova), contribuendo al raggiungimento degli obiettivi tecnici del progetto. Attività esplorative aggiuntive includono la proposta di utilizzare microscopi a forza atomica come idrofoni a scala cellulare e la realizzazione di uno speriment di campo al Lago di Bracciano per testare tecnologie emergenti. Sono inoltre state avviate procedure di brevettazione relative agli sviluppi in fibra ottica.

3. Supporto alla Politica (Science‑to‑Policy)

La componente science‑to‑policy di SEAmPhonia ha mirato a rafforzare il contributo europeo alla Marine Strategy Framework Directive (MSFD), con particolare attenzione al descrittore del rumore sottomarino. Le attività hanno incluso un coinvolgimento continuativo con iniziative chiave di JPI Oceans — Science for Good Environmental Status (S4GES) e Underwater Noise in the Marine Environment — oltre alla partecipazione a workshop dedicati con istituzioni europee ed esperti di acustica marina. Il progetto ha contribuito ai dibattiti sull’integrazione dei descrittori e sull’identificazione di proprietà emergenti dell’ecosistema.

Questo lavoro è stato presentato a livello europeo. L’approccio metodologico di SEAmPhonia è stato riconosciuto come innovativo, facilitando l’ingresso del team in reti strategiche di esperti. Il progetto ha proposto un cambio di paradigma nel monitoraggio del rumore sottomarino, promuovendo l’uso delle dinamiche relative in sostituzione dei tradizionali SPL fissi a 63–125 Hz, e l’inclusione di bande ad alta frequenza più sensibili ai segnali biologici. Tali contributi hanno portato a un invited talk alla conferenza JPI Oceans sul rumore sottomarino ad Alicante (2025), e i membri del team sono stati successivamente nominati advisor nel progetto JPI Oceans BluEcho.

Il progetto ha inoltre organizzato un workshop internazionale a Gaeta (2024) con MSFD TG Noise, JPI Oceans, industria e comunità scientifica. I risultati sono stati presentati a S4GES (Bruxelles, 2025) e alla Conferenza Underwater Noise (Alicante, 2025), e diffusi tramite una pubblicazione a MetroSea 2025 (Genova) intitolata “Acoustic Underwater Noise: the Segregation of Frequency Bands for Science‑to‑Policy Advise”.

Rapporti Tecnici:

  • D1_PHYSICS_SPACE-TIME-DIAGRAM-TRADITIONAL: Space-time diagram from traditional hydrophones
  • D2_INSTRUMENT_FBG-DESIGN: Fibre-optic hydrophone design and implementation
  • D3_INSTRUMENT_FBG-MTF: Modulation transfer function of the fibre-optic hydrophone
  • D4_PHYSICS-SPACE-TIME-DIAGRAM-FBG: Space-time diagram from fibre-optic multiple-hydrophone station developed within the project 
  • D5_INSTRUMENT_COMPARATIVE-ANALYSYS: Comparative analysis of data acquired with different sensors and configurations
  • D6_INSTRUMENT_ANCILLARY: Analysis of acquired data for different regimes with support of ancillary measurements
  • D7_MANAGEMENT_FEASIBILITY-STUDY: Feasibility study for an observational system with fibre-optic sensors and cost-benefit analysis
  • DN1_PHYSICS_TL: Transmission Loss Model 
  • DN2_PHYSICS_NANO: Hydrophones calibration: an experimental approach to study the underwater acoustic field


Pubblicazioni:

  • P. F. Moretti, A. Pomaro and S. Buogo, “Metrology for Underwater Acoustics: Rethinking Measurement Strategies for the Assessment of the Environmental Status,” 2024 IEEE International Workshop on Metrology for the Sea; Learning to Measure Sea Health Parameters (MetroSea), Portorose, Slovenia, 2024, pp. 546-551, doi: 10.1109/MetroSea62823.2024.10765621
  • A. Pomaro, and P. F. Moretti, “Acoustic indicators of ecosystems’ and energy dynamics in marine environments,” in Proceedings of Forum Acusticum Euronoise 2025, Malaga, 2025
  • D. Nazarpour, P. F. Moretti, S. Buogo, & A. Pomaro, “Time synchronization of long-term underwater acoustic observations: the challenge of autonomous hydrophones without global clock baseline”, in Proceedings of Forum Acusticum Euronoise 2025, Malaga, 2025
  • A. Pomaro et al., “SEAmPhonia: a 3D acoustic field approach to marine ecosystem modelling,” 2025 IEEE International Workshop on Metrology for the Sea; Learning to Measure Sea Health Parameters (MetroSea), Genoa, Italy, 2025, pp. 442-447, doi: 10.1109/MetroSea66681.2025.11245768
  • P. F. Moretti and A. Pomaro, “Acoustic underwater noise: the segregation of frequency bands for science-to-policy advise,” 2025 IEEE International Workshop on Metrology for the Sea; Learning to Measure Sea Health Parameters (MetroSea), Genoa, Italy, 2025, pp. 448-453, doi: 10.1109/MetroSea66681.2025.11245668
  • P. F. Moretti, S. Buogo, and A. Pomaro, “Scale Invariance in the High-Frequency Marine Soundscape: Diel Oscillations as a Proxy for Ecosystem State,” Frontiers in Marine Science, (submitted)


Riconoscimenti:

Le attività sono state svolte nell’ambito del progetto PRIN 2022 “SEAmPhonia – An innovative enlightening approach to enable the modelling of marine ecosystems by the acoustic 3D field” (codice progetto: 2022AWXT3K) finanziato dall’Unione Europea – Next Generation EU. Ringraziamo il Nucleo Sommozzatori della Polizia di Stato di Venezia per tutte le installazioni sperimentali subacquee presso l’AAOT e l’Istituto Nautico “G. Caboto” di Gaeta per il loro supporto nell’ambito del progetto “Laboratori verdi sostenibili e innovativi”, finanziato dal FESR PON 13.1.4A-LA-2022-28.