Hydrofon -Hydrophone

Hydrofon ( starogrecki : ὕδωρ + φωνή , dosł . „woda + dźwięk”) to mikrofon przeznaczony do użytku pod wodą do nagrywania lub słuchania podwodnego dźwięku. Większość hydrofonów opiera się na przetworniku piezoelektrycznym, który pod wpływem zmiany ciśnienia, takiej jak fala dźwiękowa, generuje potencjał elektryczny. Niektóre przetworniki piezoelektryczne mogą również służyć jako projektor dźwięku, ale nie wszystkie mają taką możliwość, a niektóre mogą ulec zniszczeniu, jeśli są używane w taki sposób.

Hydrofon może wykrywać dźwięki w powietrzu, ale będzie nieczuły, ponieważ został zaprojektowany tak, aby dopasować impedancję akustyczną wody, płynu gęstszego niż powietrze. Dźwięk przemieszcza się 4,3 razy szybciej w wodzie niż w powietrzu, a fala dźwiękowa w wodzie wywiera ciśnienie 60 razy większe niż fala o tej samej amplitudzie w powietrzu. Podobnie, standardowy mikrofon może być zakopany w ziemi lub zanurzony w wodzie, jeśli zostanie umieszczony w wodoszczelnym pojemniku, ale będzie miał słabą wydajność z powodu podobnie złego dopasowania impedancji akustycznej.

Historia

Hydrofon opuszczany na Północny Atlantyk

Pierwsze hydrofony składały się z rurki z cienką membraną zakrywającą zanurzony koniec i ucha obserwatora na drugim końcu. Projekt skutecznych hydrofonów musi uwzględniać oporność akustyczną wody, która jest 3750 razy większa niż powietrza; stąd ciśnienie wywierane przez falę o tym samym natężeniu w powietrzu wzrasta o współczynnik 3750 w wodzie. Firma American Submarine Signaling Company opracowała hydrofon do wykrywania podwodnych dzwonów emitowanych przez latarnie morskie i statki morskie. Obudowa była grubym, wydrążonym mosiężnym dyskiem o średnicy 35 centymetrów (14 cali). Z jednej strony znajdowała się mosiężna membrana o grubości 1 milimetra (0,039 cala), połączona krótkim mosiężnym prętem z mikrofonem węglowym .

Pierwsza Wojna Swiatowa

Na początku wojny prezydent Francji Raymond Poincaré zapewnił Paulowi Langevinowi urządzenia potrzebne do opracowania metody lokalizowania okrętów podwodnych za pomocą echa impulsów dźwiękowych. Opracowali hydrofon piezoelektryczny , zwiększając moc sygnału za pomocą wzmacniacza lampowego ; wysoka impedancja akustyczna materiałów piezoelektrycznych ułatwiła ich zastosowanie jako przetworników podwodnych. Ta sama płyta piezoelektryczna może być wibrowana przez elektryczny oscylator, aby wytworzyć impulsy dźwiękowe. 

Pierwszym okrętem podwodnym, który został wykryty i zatopiony przy użyciu prymitywnego hydrofonu, był niemiecki okręt podwodny UC-3 23 kwietnia 1916 roku. UC-3 został wykryty przez trawler Cheerio , który znajdował się bezpośrednio nad UC-3, UC- 3 został następnie złapany w stalową sieć ciągniętą przez trawler i zatonął po dużej podwodnej eksplozji.

Hydrofony i hydrofony kierunkowe z wykorzystaniem przegrody.

Później w czasie wojny Admiralicja Brytyjska z opóźnieniem zwołała panel naukowy, aby doradzić, jak zwalczać U-booty. W jej skład weszli australijski fizyk William Henry Bragg i nowozelandzki fizyk Sir Ernest Rutherford . Doszli do wniosku, że największą nadzieją jest wykorzystanie hydrofonów do nasłuchiwania okrętów podwodnych. Badania Rutherforda zaowocowały jego jedynym patentem na hydrofon. Bragg objął prowadzenie w lipcu 1916 roku i przeniósł się do admiralickiego ośrodka badawczego hydrofonów w Hawkcraig w zatoce Firth of Forth . 

Naukowcy postawili sobie dwa cele: opracowanie hydrofonu, który mógłby słyszeć łódź podwodną pomimo hałasu generowanego przez statek patrolowy przewożący hydrofon, oraz opracowanie hydrofonu, który mógłby ujawnić położenie łodzi podwodnej. W East London College wynaleziono dwukierunkowy hydrofon . Zamontowali mikrofon po obu stronach membrany w cylindrycznej obudowie; gdy dźwięki słyszane z obu mikrofonów mają taką samą intensywność, mikrofon jest zgodny ze źródłem dźwięku. 

Laboratorium Bragga wykonało taki hydrofon kierunkowy, montując przegrodę przed jedną stroną membrany. Miesiące zajęło odkrycie, że skuteczne przegrody muszą zawierać warstwę powietrza. W 1918 sterowce Królewskiej Służby Powietrznej Marynarki Wojennej zaangażowały się w walkę z okrętami podwodnymi, eksperymentując z wleczonymi zanurzonymi hydrofonami. Bragg przetestował hydrofon z przechwyconej niemieckiej łodzi podwodnej i stwierdził, że jest gorszy od modeli brytyjskich. Pod koniec wojny Brytyjczycy mieli 38 oficerów hydrofonów i 200 wykwalifikowanych słuchaczy, płacąc dodatkowo 4 pensy dziennie. 

Od końca I wojny światowej aż do wprowadzenia aktywnego sonaru na początku lat dwudziestych, hydrofony były jedyną metodą wykrywania celów przez okręty podwodne w zanurzeniu; pozostają przydatne do dziś.

Hydrofony kierunkowe

Mały pojedynczy cylindryczny przetwornik ceramiczny może osiągnąć niemal doskonały odbiór dookólny. Hydrofony kierunkowe zwiększają czułość z jednego kierunku za pomocą dwóch podstawowych technik:

Przetworniki skupione

Urządzenie to wykorzystuje pojedynczy element przetwornika z czaszą lub stożkowym odbłyśnikiem dźwięku do ogniskowania sygnałów, podobnie jak teleskop zwierciadlany. Ten typ hydrofonu może być wykonany z niedrogiego typu dookólnego, ale musi być używany podczas postoju, ponieważ reflektor utrudnia jego ruch w wodzie. Nowym sposobem kierowania jest użycie kulistego korpusu wokół hydrofonu. Zaletą sfer kierunkowych jest to, że hydrofon może poruszać się w wodzie, uwalniając go od zakłóceń wytwarzanych przez element w kształcie stożka.

Tablice

Wiele hydrofonów można ustawić w szyku tak, aby dodawał sygnały z pożądanego kierunku, jednocześnie odejmując sygnały z innych kierunków. Macierz może być sterowana za pomocą kształtownika wiązki . Najczęściej hydrofony są rozmieszczone w „szyku liniowym”, ale mogą być w wielu różnych układach w zależności od tego, co jest mierzone. Na przykład w artykule pomiar hałasu śmigieł statków flotowych wymagał złożonych systemów zestawów hydrofonów w celu uzyskania praktycznych pomiarów.

Hydrofony SOSUS , ułożone na dnie morskim i połączone podwodnymi kablami, były używane od lat 50. XX wieku przez marynarkę wojenną Stanów Zjednoczonych do śledzenia ruchu sowieckich okrętów podwodnych podczas zimnej wojny wzdłuż linii z Grenlandii , Islandii i Wielkiej Brytanii , znanej jako GIUK luka . Są one w stanie wyraźnie rejestrować infradźwięki o bardzo niskich częstotliwościach , w tym wiele niewyjaśnionych dźwięków oceanicznych .

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki