Гидрофон: принцип работы и история создания

Введение

Подводный микрофон

Гидрофон (ὕδωρ + φωνή) — это микрофон, разработанный для использования под водой для записи или прослушивания подводных звуков. Большинство гидрофонов основаны на пьезоэлектрическом преобразователе, который генерирует электрический потенциал при изменении давления, например, при воздействии звуковой волны. Гидрофон способен улавливать воздушные звуки, но будет малочувствителен, поскольку он предназначен для согласования с акустическим импедансом воды – среды, более плотной, чем воздух. Звук распространяется в воде в 4,3 раза быстрее, чем в воздухе, а звуковая волна в воде оказывает давление в 60 раз большее, чем волна той же амплитуды в воздухе. Аналогично, обычный микрофон можно закопать в землю или погрузить в воду, поместив его в водонепроницаемый корпус, но его производительность будет низкой из-за несоответствия акустических импедансов.

История

Первые гидрофоны состояли из трубки с тонкой мембраной, закрывающей погруженный конец, и ухо наблюдателя на другом конце. Конструкция эффективных гидрофонов должна учитывать акустическое сопротивление воды, которое в 3750 раз превышает акустическое сопротивление воздуха; следовательно, давление, оказываемое волной той же интенсивности в воздухе, увеличивается в воде в 3750 раз. Американская подводная сигнальная компания разработала гидрофон для обнаружения подводных колоколов, звонивших с маяков и огненных кораблей. Корпус представлял собой толстый, полый латунный диск диаметром. На одной стороне находилась толстая латунная диафрагма, соединенная коротким латунным стержнем с угольным микрофоном.

Первая мировая война

В начале войны президент Франции Раймонд Пуанкаре предоставил Полу Ланжевену необходимые средства для разработки метода определения местоположения подводных лодок по эхосигналам звуковых импульсов. Они разработали пьезоэлектрический гидрофон, увеличив мощность сигнала с помощью лампового усилителя; высокое акустическое сопротивление пьезоэлектрических материалов облегчило их использование в качестве подводных преобразователей. Ту же пьезоэлектрическую пластину можно было заставить вибрировать электрическим генератором для создания звуковых импульсов. Первой подводной лодкой, обнаруженной и потопленной с использованием примитивного гидрофона, стала немецкая подводная лодка UC 3 23 апреля 1916 года. UC 3 была обнаружена противолодочным траулером Cheerio, когда Cheerio находился непосредственно над ней; затем UC 3 попала в стальную сеть, задрагиваемую траулером, и затонула после мощного подводного взрыва. Позднее в ходе войны британское Адмиралтейство запоздало созвало научную комиссию для консультаций по вопросам борьбы с подводными лодками. В нее вошли австралийский физик Уильям Генри Брэгг и новозеландский физик сэр Эрнест Резерфорд. Они пришли к выводу, что лучшей надеждой является использование гидрофонов для прослушивания подводных лодок. Исследования Резерфорда привели к его единственному патенту на гидрофон. В июле 1916 года Брэгг возглавил работу и перешел в исследовательское учреждение Адмиралтейства по гидрофонам в Хоккрайге, расположенное на Ферт-оф-Форте. Ученые поставили перед собой две задачи: разработать гидрофон, способный обнаруживать подводную лодку, несмотря на шум, создаваемый патрульным кораблем, несущим гидрофон, и разработать гидрофон, способный определять направление на подводную лодку. Двунаправленный гидрофон был изобретен в Восточном Лондонском колледже. Они установили микрофон с каждой стороны диафрагмы в цилиндрическом корпусе; когда звуки, воспринимаемые обоими микрофонами, имеют одинаковую интенсивность, микрофон направлен на источник звука. Лаборатория Брэгга сделала такой гидрофон направленным, установив преграду перед одной стороной диафрагмы. Потребовались месяцы, чтобы выяснить, что эффективные преграды должны содержать воздушный слой. В 1918 году дирижабли Королевской военно-морской авиационной службы, участвовавшие в борьбе с подводными лодками, экспериментировали с использованием опущенных гидрофонов. Брэгг испытал гидрофон с захваченной немецкой подводной лодки и обнаружил, что он уступает британским образцам. К концу войны у британцев было 38 офицеров-гидрофонистов и 200 квалифицированных слушателей, которым выплачивалось дополнительно 4 пенса в день. С конца Первой мировой войны до внедрения активного гидролокатора в начале 1920-х годов гидрофоны были единственным методом обнаружения целей подводными лодками в погруженном положении; они остаются полезными и сегодня.

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.

Гидрофоны направленные

Небольшой одноцилиндровый керамический преобразователь может достичь почти идеального всенаправленного приема. Направленные гидрофоны повышают чувствительность с одного направления, используя две основные техники:

Фокусные преобразователи

Это устройство использует один пьезоэлемент с тарелкообразным или коническим звукоотражателем для фокусировки сигналов, подобно рефлекторному телескопу. Этот тип гидрофона может быть изготовлен из недорогого всенаправленного датчика, но его следует использовать в неподвижном состоянии, так как отражатель затрудняет его перемещение в воде. Новым способом обеспечения направленности является использование сферического корпуса вокруг гидрофона. Преимущество направляющих сфер заключается в том, что гидрофон может перемещаться в воде, устраняя помехи, создаваемые коническим элементом.

Массивы

Несколько гидрофонов могут быть расположены в виде массива таким образом, чтобы усиливать сигналы с нужного направления и подавлять сигналы с других направлений. Управление массивом может осуществляться с помощью формирователя луча. Чаще всего гидрофоны располагают в виде "линейного массива", но их расположение может быть различным в зависимости от измеряемых параметров. Например, в статье об измерении шума гребных винтов флота кораблей описывается использование сложных систем гидрофонных массивов для получения полезных измерений. Гидрофоны системы SOSUS, размещенные на морском дне и соединенные подводными кабелями, с 1950-х годов использовались ВМС США для отслеживания перемещения советских подводных лодок в период холодной войны вдоль линии, соединяющей Гренландию, Исландию и Соединенное Королевство, известной как GIUK gap. Они способны четко регистрировать инфразвук крайне низких частот, включая множество необъяснимых океанских шумов.