Гидрофон -Hydrophone

Гидрофон ( древнегреческий : ὕδωρ + φωνή , букв. «вода + звук») представляет собой микрофон , предназначенный для использования под водой для записи или прослушивания подводного звука. Большинство гидрофонов основано на пьезоэлектрическом преобразователе, который генерирует электрический потенциал при изменении давления, например звуковой волны. Некоторые пьезоэлектрические преобразователи также могут служить звуковым проектором, но не все имеют эту возможность, а некоторые могут быть разрушены при таком использовании.

Гидрофон может улавливать звуки в воздухе, но он нечувствителен, потому что он спроектирован так, чтобы соответствовать акустическому импедансу воды, более плотной жидкости, чем воздух. Звук распространяется в воде в 4,3 раза быстрее, чем в воздухе, а звуковая волна в воде оказывает давление в 60 раз больше, чем волна той же амплитуды в воздухе. Точно так же стандартный микрофон можно закопать в землю или погрузить в воду, если он помещен в водонепроницаемый контейнер, но он будет плохо работать из-за такого же плохого соответствия акустического импеданса.

История

Гидрофон опускают в Северную Атлантику.

Первые гидрофоны представляли собой трубку с тонкой мембраной, закрывающей погружной конец и ухо наблюдателя на другом конце. Конструкция эффективных гидрофонов должна учитывать акустическое сопротивление воды, которое в 3750 раз больше сопротивления воздуха; следовательно, давление волны той же интенсивности в воздухе увеличивается в 3750 раз в воде. Компания American Submarine Signaling Company разработала гидрофон для обнаружения подводных колоколов, звонящих с маяков и плавучих маяков. Корпус представлял собой толстый полый латунный диск диаметром 35 сантиметров (14 дюймов). На одной стороне была латунная диафрагма толщиной 1 миллиметр (0,039 дюйма), которая была соединена коротким латунным стержнем с угольным микрофоном .

Первая Мировая Война

В начале войны президент Франции Раймон Пуанкаре предоставил Полю Ланжевену оборудование, необходимое для работы над методом определения местоположения подводных лодок по эху от звуковых импульсов. Они разработали пьезоэлектрический гидрофон, увеличив мощность сигнала с помощью лампового усилителя; высокое акустическое сопротивление пьезоэлектрических материалов облегчало их использование в качестве подводных преобразователей. Та же самая пьезоэлектрическая пластина может вибрировать с помощью электрического генератора для создания звуковых импульсов. 

Первой подводной лодкой, которая была обнаружена и потоплена с помощью примитивного гидрофона, была немецкая подводная лодка UC-3 23 апреля 1916 года. UC-3 был обнаружен противолодочным траулером Cheerio , поскольку Cheerio находился прямо над UC-3, UC-3. Затем № 3 попал в стальную сеть, затянутую траулером, и затонул после сильного подводного взрыва.

Гидрофоны и направленные гидрофоны с использованием дефлектора.

Позже во время войны британское адмиралтейство с опозданием созвало научную группу, чтобы дать рекомендации о том, как бороться с подводными лодками. В него входили австралийский физик Уильям Генри Брэгг и новозеландский физик сэр Эрнест Резерфорд . Они пришли к выводу, что лучше всего использовать гидрофоны для прослушивания подводных лодок. Исследования Резерфорда привели к его единственному патенту на гидрофон. Брэгг взял на себя инициативу в июле 1916 года и перешел в исследовательское учреждение гидрофонов Адмиралтейства в Хоккрейге на Ферт-оф-Форт . 

Ученые поставили перед собой две цели: разработать гидрофон, который мог бы слышать подводную лодку, несмотря на шум, создаваемый патрульным кораблем, несущим гидрофон, и разработать гидрофон, который мог бы определять пеленг подводной лодки. Двунаправленный гидрофон был изобретен в Ист-Лондонском колледже . Они установили микрофон по обе стороны от диафрагмы в цилиндрическом корпусе; когда звуки, слышимые из обоих микрофонов, имеют одинаковую интенсивность, микрофон находится на одной линии с источником звука. 

Лаборатория Брэгга сделала такой гидрофон направленным, установив перегородку перед одной стороной диафрагмы. Потребовались месяцы, чтобы обнаружить, что эффективные перегородки должны содержать слой воздуха. В 1918 году дирижабли Королевской военно-морской авиации, участвовавшие в борьбе с подводными лодками , экспериментировали с тянущимися гидрофонами. Брэгг испытал гидрофон с захваченной немецкой подводной лодки и обнаружил, что он уступает британским моделям. К концу войны у британцев было 38 офицеров-гидрофонистов и 200 квалифицированных слушателей, которым платили дополнительно 4 пенса в день. 

С конца Первой мировой войны и до появления активного гидролокатора в начале 1920-х годов гидрофоны были единственным методом обнаружения подводных лодок под водой; они остаются полезными и сегодня.

Направленные гидрофоны

Небольшой одиночный цилиндрический керамический преобразователь может обеспечить почти идеальный всенаправленный прием. Направленные гидрофоны повышают чувствительность с одного направления с помощью двух основных методов:

Сфокусированные преобразователи

В этом устройстве используется один элемент преобразователя с тарелкой или звуковым отражателем конической формы для фокусировки сигналов аналогично телескопу-рефлектору. Этот тип гидрофона может быть изготовлен из недорогого всенаправленного типа, но его необходимо использовать в стационарном состоянии, так как отражатель препятствует его движению в воде. Новый способ наведения - использование сферического тела вокруг гидрофона. Преимущество сфер направленности заключается в том, что гидрофон можно перемещать в воде, избавляя его от помех, создаваемых элементом конической формы.

Массивы

Несколько гидрофонов можно расположить в виде массива , чтобы он добавлял сигналы с нужного направления и вычитал сигналы с других направлений. Массив может управляться с помощью формирователя луча . Чаще всего гидрофоны располагаются в виде «линейного массива», но могут быть и по-разному, в зависимости от того, что измеряется. Например, в статье для измерения шума гребного винта кораблей флота требовались сложные системы с массивом гидрофонов для получения действенных измерений.

Гидрофоны SOSUS , уложенные на морское дно и соединенные подводными кабелями, использовались, начиная с 1950-х годов, ВМС США для отслеживания движения советских подводных лодок во время холодной войны по линии из Гренландии , Исландии и Великобритании , известной как GIUK. разрыв . Они способны четко записывать инфразвук чрезвычайно низкой частоты , в том числе многие необъяснимые океанские звуки .

Смотрите также

Заметки

использованная литература

внешние ссылки