Гидрофон - Hydrophone

Не путать с гидроулофон, музыкальный инструмент.

Гидрофон

А гидрофон (Древнегреческий: ὕδωρ + φωνή, горит  «вода + звук») - 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, таком как звуковая волна. Некоторые пьезоэлектрические преобразователи также могут служить в качестве звукового прожектора, но не все имеют такую ​​возможность, а некоторые могут быть разрушены при таком использовании.

Гидрофон может улавливать звуки в воздухе, но он будет нечувствителен, потому что он разработан с учетом акустический импеданс воды, более плотной жидкости, чем воздух. Звук в воде распространяется 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 его характеристики будут плохими из-за такого же плохого согласования акустического импеданса. Также считается датчиком.

История

Гидрофон спускают в Северную Атлантику

Первые гидрофоны состояли из трубки с тонкой мембраной, закрывающей погруженный конец, и ухо наблюдателя на другом конце.[1] При проектировании эффективных гидрофонов необходимо учитывать акустическое сопротивление воды, которое в 3750 раз больше, чем у воздуха; следовательно, давление, создаваемое волной той же интенсивности в воздухе, увеличивается в воде в 3750 раз. Компания American Submarine Signaling Company разработала гидрофон для обнаружения подводных звонков с маяков и плавучих маяков.[2] 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 угольный микрофон.

Первая Мировая Война

В начале войны президент Франции Раймон Пуанкаре, сам физик, при условии Поль Ланжевен со средствами, необходимыми для работы над методом обнаружения подводных лодок по эхам от звуковых импульсов. Они разработали пьезоэлектрический гидрофон за счет увеличения мощности сигнала с вакуумная труба усилитель мощности; высота акустический импеданс пьезоэлектрических материалов облегчили их использование в качестве подводных преобразователей. Та же самая пьезоэлектрическая пластина может вибрировать с помощью электрического генератора для создания звуковых импульсов.[3]

Первой подводной лодкой, обнаруженной и потопленной с помощью примитивного гидрофона, была немецкая подводная лодка. UC-3 23 апреля 1916 г. УК-3 обнаружен противолодочным траулером. Cheerio как Cheerio находился прямо над UC-3, затем UC-3 был пойман в стальную сеть, которую тащил траулер, и затонул после большого подводного взрыва.[4][5]

Гидрофоны и направленные гидрофоны с перегородкой.

Позже во время войны Британское Адмиралтейство с опозданием созвало научную комиссию, чтобы посоветовать, как бороться с подводными лодками. В его состав входил австралийский физик. Уильям Генри Брэгг и новозеландский физик сэр Эрнест Резерфорд. Они пришли к выводу, что лучшая надежда - использовать гидрофоны для прослушивания подводных лодок. В результате исследования Резерфорда был получен единственный патент на гидрофон. Брэгг взял на себя инициативу в июле 1916 года и перешел в исследовательский центр Адмиралтейского гидрофона в г. Hawkcraig на Ферт-оф-Форт. [6]

Ученые поставили две цели: разработать гидрофон, который мог бы слышать подводную лодку, несмотря на шум, производимый патрульным кораблем, несущим гидрофон, и разработать гидрофон, который мог бы определять пеленг подводной лодки. Двунаправленный гидрофон был изобретен в Колледж Восточного Лондона. Они установили микрофон на каждой стороне диафрагмы в цилиндрическом корпусе; когда звуки, издаваемые обоими микрофонами, имеют одинаковую интенсивность, микрофон находится на одной линии с источником звука.[7]

Лаборатория Брэгга сделала такой гидрофон направленным, установив перегородку перед одной из сторон диафрагмы. Потребовались месяцы, чтобы обнаружить, что эффективные перегородки должны содержать слой воздуха.[8] В 1918 году дирижабли Королевской военно-морской авиации занимались противолодочная война экспериментировал с подводными гидрофонами ближнего света.[9] Брэгг испытал гидрофон на захваченной немецкой подводной лодке и обнаружил, что он уступает британским моделям. К концу войны у британцев было 38 гидрофонистов и 200 квалифицированных слушателей, доплаченных 4.d в день.[10]

С конца Первой мировой войны до введения активных сонар в начале 1920-х годов гидрофоны были единственным методом подводных лодок для обнаружения целей в подводном положении; они остаются полезными и сегодня.

Направленные гидрофоны

Небольшой одиночный цилиндрический керамический преобразователь можно добиться почти идеального всенаправленного приема. Направленные гидрофоны увеличивают чувствительность в одном направлении, используя два основных метода:

Сфокусированные преобразователи

В этом устройстве используется один преобразователь элемент с тарелкой или коническим отражателем звука для фокусировки сигналов аналогично отражающему телескопу. Этот тип гидрофона может быть изготовлен из недорогого всенаправленного типа, но его следует использовать в неподвижном состоянии, поскольку отражатель препятствует его движению в воде. Новый способ управления - 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 разместить в одном массив так что он будет складывать сигналы с желаемого направления, вычитая сигналы с других направлений. Массивом можно управлять с помощью формирователь луча. Чаще всего гидрофоны располагаются в виде «линейной решетки».[11] но могут быть двух- или трехмерными.

СОСУС гидрофоны, укладываемые на морское дно и соединенные подводными кабелями, использовались с 1950-х гг. ВМС США отслеживать движение Советский подводные лодки во время Холодная война по линии от Гренландия, Исландия и объединенное Королевство известный как ГИУК разрыв.[12] Они способны четко записывать чрезвычайно низкие частоты. инфразвук, в том числе многие необъяснимые звуки океана.

Смотрите также

Заметки

  1. ^ Вуд, А. Б. (1930). Учебник звука. Лондон: Дж. Белл и сыновья. С. 446–461.
  2. ^ Ван дер Клоот, Уильям (2014). Великие ученые ведут Великую войну. Страуд: Фонтхилл. п. 104.
  3. ^ Ван дер Клоот, 2014, с. 110-112.
  4. ^ Томас, Лоуэлл (июль 1929 г.). «Борьба с подводной лодкой». Популярная механика.
  5. ^ Броди, Бернард; Броди, Фаун М. (1973). От арбалета до водородной бомбы: эволюция тактики и ведения войны (Первое изд. Мидленда). Издательство Индианского университета. п. 184. ISBN  0253201616.
  6. ^ Вуд 1930, стр. 457.
  7. ^ Вуд 1930, стр. 457.
  8. ^ Ван дер Клоот 2014, стр. 110.
  9. ^ Отчет AIR 1/645/17/122/304 - Национальный архив Кью. Эксперименты с дирижаблем и гидрофоном.
  10. ^ Ван дер Клоот 2014, стр. 125.
  11. ^ Абрахам, Дуглас А. (14 февраля 2019 г.). Обработка подводных акустических сигналов: моделирование, обнаружение и оценка. Springer. ISBN  978-3-319-92983-5.
  12. ^ Маккей, Д. "Шотландия Храбрая? Стратегическая политика США в Шотландии 1953-1974 гг. ". Университет Глазго, магистерская диссертация (исследование). 2008. По состоянию на 12 октября 2009 г.

использованная литература

внешние ссылки