Кіріспе

Су асты микрофоны

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.

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.

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.

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:

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.

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.