Су асты микрофоны: Гидрофон – су асты дыбысын жазуға арналған құрал. Пьезоэлектрлік түрлендіргіштер негізінде жұмыс істейді, судың қарсылық импедансына бейімделген.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Су асты микрофоны
Underwater microphone
Гидрофон (ὕδωρ + φωνή) – су асты дыбыстарын жазу немесе тыңдау үшін судың астында қолданылатын микрофон. Көптеген гидрофондар пьезоэлектрлік түрлендіргішке негізделген, ол қысым өзгерген кезде, мысалы, дыбыс толқынына тап болғанда, электр потенциалын тудырады. Гидрофон ауадағы дыбыстарды да анықтай алады, бірақ судың акустикалық кедергісіне сәйкес келетіндей етіп жасалғандықтан, ол сезімтал болмайды – су ауадан тығыз сұйықтық. Дыбыс суда ауадағыдан 4,3 есе жылдам таралады, ал судағы дыбыс толқыны ауадағы бірдей амплитудалы толқынға қарағанда 60 есе көп қысым түсіреді. Сол сияқты, стандартты микрофонды жерге көміп немесе су өткізбейтін контейнерге салып суға батыруға болады, бірақ акустикалық кедергінің дұрыс келмеуіне байланысты нашар жұмыс істейді.
A hydrophone (ὕδωρ + φωνή) is a microphone designed to be used underwater for recording or listening to underwater sound. Most hydrophones are based on a piezoelectric transducer that generates an electric potential when subjected to a pressure change, such as a sound wave. A hydrophone can detect airborne sounds, but will be insensitive because it is designed to match the acoustic impedance of water, a denser fluid than air. Sound travels 4.3 times faster in water than in air, and a sound wave in water exerts a pressure 60 times that exerted by a wave of the same amplitude in air. Similarly, a standard microphone can be buried in the ground, or immersed in water if it is put in a waterproof container, but will give poor performance due to the similarly bad acoustic impedance match.
Тарих
Алғашқы гидрофондар су астындағы ұшын жұқа мембранамен жабатын түтікшеден және екінші ұшындағы бақылаушының құлағынан тұратын. Тиімді гидрофонды жобалау кезінде судың акустикалық кедергісі ескерілуі тиіс, ол ауаға қарағанда 3750 есе артық; сондықтан ауадағы бірдей қарқынды толқынның тудыратын қысым суда 3750 есеге жоғарылайды. Америкалық Су асты кемелерінің сигнализация компаниясы маяктар мен шам кемелерінен естілетін су асты дыбылдарын анықтау үшін гидрофон жасады. Корпусы диаметрі белгілі, қалың қуыс мыс дискі болды. Бір жағында қалың мыс диафрагма орналасқан, ол қысқа мыс таяқ арқылы көміртек микрофонымен байланыстырылған.
The first hydrophones consisted of a tube with a thin membrane covering the submerged end and the observer's ear on the other end. The design of effective hydrophones must take into account the acoustic resistance of water, which is 3750 times that of air; hence the pressure exerted by a wave of the same intensity in air is increased by a factor of 3750 in water. The American Submarine Signaling Company developed a hydrophone to detect underwater bells rung from lighthouses and lightships. The case was a thick, hollow brass disc in diameter. On one face was a thick brass diaphragm which was coupled by a short brass rod to a carbon microphone.
Бірінші дүниежүзілік соғыс
Соғыстың басында француз президенті Реймонд Пуанкаре Поль Ланжевенге дыбыс импульстарының эхосы арқылы су асты кемелерін табу әдісін әзірлеуге қажетті құралдарды ұсынды. Олар вакуумдық түтік күшейткішімен сигналдың қуатын арттыра отырып, пьезоэлектрлік гидрофонды жасады; пьезоэлектрлік материалдардың жоғары акустикалық кедерісі оларды су астындағы түрлендіргіштер ретінде пайдалануға мүмкіндік берді. Сол пьезоэлектрлік тақтаны электр осцилляторымен тербеліске келтіріп, дыбыс импульстарын тудыруға болатын. Гидрофонды алғаш рет пайдаланып табылған және батырылған су асты кемесі – 1916 жылғы 23 сәуірдегі неміс UC 3 су асты кемесі болды. UC 3 су астына қарсы күрестің Cheerio траулері анықтады, себебі Cheerio тікелей UC 3 үстінде болды; содан кейін UC 3 траулер сүйреген болат торға ілініп, су астындағы күшті жарылыстан кейін батып кетті. Соғыстың кешігіп қалған кезенінде британдық Әскери-теңіз министрлігі U кемелерімен күресу жолдары туралы кеңес беру үшін ғылыми комиссияны шақырды. Оған австралиялық физик Уильям Генри Брэгг және жаңа зеландиялық физик сэр Эрнест Резерфорд кірді. Олар гидрофондарды қолданып су асты кемелерін тыңдау – ең үміткер жол деген қорытындыға келді. Резерфордтың зерттеулері оның гидрофонға жасаған жалғыз патентына әкелді. Брэгг 1916 жылдың шілдесінде жетекшілікке ие болып, Форт-фертке қарасты Хоккрайгтегі Әскери-теңіз министрлігінің гидрофондық зерттеу орталығына көшті. Ғалымдар екі мақсат қойды: гидрофонды таситын патрульдік кеменің шуына қарамастан су асты кемесін ести алатын гидрофон жасау және су асты кемесінің бағытын анықтайтын гидрофон жасау. Екі бағытты гидрофон Шығыс Лондон колледжінде ойлап табылды. Олар цилиндрлі корпустағы диафрагманың екі жағына микрофондарды орнатты; екі микрофоннан естілетін дыбыстардың қарқындылығы бірдей болғанда, микрофон дыбыс көзімен бір бағытта болады. Брэггтің зертханасы диафрагманың бір жағына барьер орнату арқылы мұндай гидрофонды бағытталған етіп жасады. Тиімді барьерлерде ауа қабаты болуы керектігін анықтауға айлар кетті. 1918 жылы Корольдік әскери-әуе күштерінің дирижабльдері су астына қарсы күресте суға батырылған гидрофондарды сүйреп тәжірибе жүргізді. Брэгг тұтқынға алынған неміс су асты кемесінен гидрофонды сынап көрді және оны британдық үлгілерге қарағанда нашар деп тапты. Соғыс аяқталған кезде британдықтарда 38 гидрофон офицері және 200 білікті тыңдаушы болды, оларға күніне қосымша 4 пенни төленді. Бірінші дүниежүзілік соғыстың соңынан бастап 1920 жылдардың басында белсенді сонардың енгізілуіне дейін су астындағы нысаналарды анықтау үшін гидрофондар – су асты кемелерінің жалғыз құралы болды; олар бүгінгі күні де пайдалы болып қала береді.
Early in the war, French President Raymond Poincaré provided Paul Langevin with the facilities needed to work on a method to locate submarines by the echos from sound pulses. They developed a piezoelectric hydrophone by increasing the power of the signal with a vacuum tube amplifier; the high acoustic impedance of piezoelectric materials facilitated their use as underwater transducers. The same piezoelectric plate could be vibrated by an electrical oscillator to produce the sound pulses. The first submarine to be detected and sunk using a primitive hydrophone was the German submarine UC 3 on 23 April 1916. UC 3 was detected by the anti submarine trawler Cheerio as the Cheerio was directly over the UC 3; the UC 3 was then caught in a steel net dragged by the trawler, and sank after a large underwater explosion. Later in the war, the British Admiralty belatedly convened a scientific panel to advise on how to combat U boats. It included the Australian physicist William Henry Bragg and the New Zealand physicist Sir Ernest Rutherford. They concluded that the best hope was to use hydrophones to listen for submarines. Rutherford's research produced his sole patent for a hydrophone. Bragg took the lead in July 1916 and he moved to the Admiralty hydrophone research establishment at Hawkcraig on the Firth of Forth. The scientists set two goals: to develop a hydrophone that could hear a submarine despite the noise generated by the patrol ship carrying the hydrophone, and to develop a hydrophone that could reveal the bearing of the submarine. A bidirectional hydrophone was invented at East London College. They mounted a microphone on each side of a diaphragm in a cylindrical case; when the sounds heard from both microphones have the same intensity, the microphone is in line with the sound source. Bragg's laboratory made such a hydrophone directional by mounting a baffle in front of one side of the diaphragm. It took months to discover that effective baffles must contain a layer of air. In 1918, airships of the Royal Naval Air Service engaged in anti submarine warfare experimented by trailing dipped hydrophones. Bragg tested a hydrophone from a captured German U boat and found it inferior to British models. By the end of the war, the British had 38 hydrophone officers and 200 qualified listeners, paid an additional 4d per day. From late in World War I until the introduction of active sonar in the early 1920s, hydrophones were the sole method for submarines to detect targets while submerged; they remain useful today.
Бағыттауыш гидрофондар
Кішкентай, цилиндр пішіндес керамикалық түрлендіргіш дерлік толыққанды көп бағытты қабылдауға қол жеткізе алады. Бағытталған гидрофондар екі негізгі техниканы қолданып, бір бағыттан сезімталдықты арттырады:
A small single cylindrical ceramic transducer can achieve near perfect omnidirectional reception. Directional hydrophones increase sensitivity from one direction using two basic techniques:
Фокустық түрлендіргіштер
Бұл құрылғы сигналдарды шоғырландыру үшін бір трансдьюсер элементін, тарелка немесе конус пішіндес дыбыс қайтаратын элементпен қолданады, бұл рефлекторлы телескоп сияқты жұмыс істейді. Гидрофонның осы түрін төмен бағалы, барлық бағытта қабылдайтын түрден жасауға болады, бірақ оны қозғалмай тұрып пайдалану керек, себебі қайтаратын элемент су арқылы қозғалысына кедергі келтіреді. Гидрофонды бағыттаудың жаңа тәсілі – гидрофонның айналасына шар тәрізді дене орнату. Бағыттылық сфералардың артықшылығы – гидрофонды суда еркін жылжытуға және конус пішіндес элементтерден туындайтын бөгде сигналдардан құтылуға мүмкіндік береді.
This device uses a single transducer element with a dish or conical shaped sound reflector to focus the signals, in a similar manner to a reflecting telescope. This type of hydrophone can be produced from a low cost omnidirectional type, but must be used while stationary, as the reflector impedes its movement through water. A new way to direct is to use a spherical body around the hydrophone. The advantage of directivity spheres is that the hydrophone can be moved within the water, ridding it of the interferences produced by a conical shaped element.
Массивтер
Бірнеше гидрофонды массивке орналастыруға болады, осылайша ол қажетті бағыттан сигналдарды күшейтіп, басқа бағыттардан келетін сигналдарды әлсідетеді. Массивті сәуле түзетуші (beamformer) арқылы басқаруға болады. Гидрофондар көбінесе "сызықтық массивте" орналасады, бірақ өлшенетін нысанға байланысты әртүрлі конфигурацияларда да болуы мүмкін. Мысалы, мақалада флот кемелерінің винттерінен шығатын шуды өлшеу үшін пайдалы мәліметтер алуға мүмкіндік беретін күрделі гидрофондық массив жүйелері қажет болды. 1950 жылдары қолданысқа енген SOSUS гидрофондары теңіз түбіне орналастырылып, су асты кабельдерімен байланыстырылды. АҚШ Әскери-теңіз күштері оларды 1950 жылдардан бастап Гренландия, Исландия және Ұлыбритания арасындағы GIUK аймағында кеңестік суасты кемелерінің қозғалысын қадағалау үшін пайдаланды. Бұл құрылғылар өте төмен жиілікті инфрадыбыстарды, соның ішінде түсіндірілмейтін көптеген мұхит дыбыстарын да анық тіркеуге қабілетті.
Multiple hydrophones can be arranged in an array so that it will add the signals from the desired direction while subtracting signals from other directions. The array may be steered using a beamformer. Most commonly, hydrophones are arranged in a "line array" but may be in many different arrangements depending on what is being measured. As an example, in the article measuring propeller noise from fleet ships required complex hydrophone array systems to achieve actionable measurements. SOSUS hydrophones, laid on the seabed and connected by underwater cables, were used, beginning in the 1950s, by the U. S. Navy to track movement of Soviet submarines during the Cold War along a line from Greenland, Iceland and the United Kingdom known as the GIUK gap. These are capable of clearly recording extremely low frequency infrasound, including many unexplained ocean sounds.