Гидрофон ( древнегреческий : ὕδωρ + φωνή , букв. «вода + звук») — это микрофон , предназначенный для использования под водой для записи или прослушивания подводного звука . Большинство гидрофонов основаны на пьезоэлектрическом преобразователе, который генерирует электрический потенциал при изменении давления, например звуковой волне.
Гидрофон может улавливать звуки, передающиеся по воздуху, но он будет нечувствителен, поскольку его конструкция соответствует акустическому сопротивлению воды, жидкости 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 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 он будет работать плохо из-за такого же плохого согласования акустического импеданса.
Первые гидрофоны представляли собой трубку с тонкой мембраной, закрывавшей погруженный конец и ухо наблюдателя на другом конце. [1] При проектировании эффективных гидрофонов необходимо учитывать акустическое сопротивление воды, которое в 3750 раз превышает сопротивление воздуха; следовательно, давление, оказываемое волной той же интенсивности в воздухе, увеличивается в воде в 3750 раз. Американская компания по сигнализации подводных лодок разработала гидрофон для обнаружения подводных колоколов, звонящих с маяков и плавучих маяков. [2] Корпус представлял собой толстый полый латунный диск диаметром 35 сантиметров (14 дюймов). На одной стороне находилась латунная диафрагма толщиной 1 миллиметр (0,039 дюйма), которая соединялась коротким латунным стержнем с угольным микрофоном .
В начале войны президент Франции Раймон Пуанкаре предоставил Полю Ланжевену средства, необходимые для работы над методом обнаружения подводных лодок по эху звуковых импульсов. Они разработали пьезоэлектрический гидрофон, увеличив мощность сигнала с помощью лампового усилителя; высокий акустический импеданс пьезоэлектриков облегчил их использование в качестве подводных преобразователей. Ту же пьезоэлектрическую пластину можно было бы вибрировать с помощью электрического генератора, создавая звуковые импульсы. [3]
Первой подводной лодкой, которая была обнаружена и потоплена с помощью примитивного гидрофона, была немецкая подводная лодка UC-3 23 апреля 1916 года. UC-3 была обнаружена противолодочным траулером Cheerio , когда Cheerio находился прямо над UC-3 ; Затем UC -3 зацепился за стальную сеть, которую тащил траулер, и затонул после сильного подводного взрыва. [4] [5]
Позже во время войны британское Адмиралтейство с опозданием созвало научную комиссию, чтобы дать рекомендации по борьбе с подводными лодками. В ее состав входили австралийский физик Уильям Генри Брэгг и новозеландский физик сэр Эрнест Резерфорд . Они пришли к выводу, что лучше всего использовать гидрофоны для прослушивания подводных лодок. Исследования Резерфорда привели к его единственному патенту на гидрофон. Брэгг взял на себя инициативу в июле 1916 года и перешел в исследовательское учреждение Адмиралтейства по исследованию гидрофонов в Хоккрейге на заливе Ферт-оф-Форт . [6]
Ученые поставили две цели: разработать гидрофон, который мог бы слышать подводную лодку, несмотря на шум, создаваемый патрульным кораблем, несущим гидрофон, и разработать гидрофон, который мог бы определять пеленг подводной лодки. Двунаправленный гидрофон был изобретен в колледже Восточного Лондона . Они установили микрофон с каждой стороны диафрагмы в цилиндрическом корпусе; когда звуки, слышимые из обоих микрофонов, имеют одинаковую интенсивность, микрофон находится на одной линии с источником звука. [7]
Лаборатория Брэгга создала такой гидрофон направленного действия, установив перегородку перед одной стороной диафрагмы. Потребовались месяцы, чтобы обнаружить, что эффективные перегородки должны содержать слой воздуха. [8] В 1918 году дирижабли Королевской военно-морской авиации, участвовавшие в противолодочной войне, экспериментировали с прицепными погруженными гидрофонами. [9] Брэгг испытал гидрофон с захваченной немецкой подводной лодки и обнаружил, что он уступает британским моделям. К концу войны у британцев было 38 офицеров-гидрофонистов и 200 квалифицированных слушателей, которым платили дополнительно 4 дня в день. [10]
С конца Первой мировой войны и до появления активных гидролокаторов в начале 1920-х годов гидрофоны были единственным методом подводных лодок для обнаружения целей в подводном положении; они остаются полезными и сегодня.
Небольшой одиночный цилиндрический керамический преобразователь может обеспечить практически идеальный всенаправленный прием. Направленные гидрофоны повышают чувствительность с одного направления, используя два основных метода:
В этом устройстве используется один преобразовательный элемент с тарелкой или звуковым отражателем конической формы для фокусировки сигналов, аналогично телескопу-рефлектору. Этот тип гидрофона может быть изготовлен из недорогого всенаправленного типа, но его необходимо использовать в стационарном состоянии, поскольку отражатель препятствует его движению в воде. Новый способ направления – использование сферического корпуса вокруг гидрофона. Преимущество сфер направленности заключается в том, что гидрофон можно перемещать в воде, избавляя его от помех, создаваемых элементом конической формы.
Несколько гидрофонов можно расположить в массиве так, чтобы он добавлял сигналы с нужного направления и вычитал сигналы с других направлений. Массивом можно управлять с помощью формирователя луча . Чаще всего гидрофоны располагаются в виде «линейной решетки» [11] , но их расположение может быть различным в зависимости от того, что измеряется. Например, в статье [12] для измерения шума гребных винтов кораблей флота потребовались сложные системы гидрофонов для достижения практических результатов.
Гидрофоны SOSUS , уложенные на морское дно и соединенные подводными кабелями, использовались, начиная с 1950-х годов, ВМС США для отслеживания движения советских подводных лодок во время холодной войны по линии из Гренландии , Исландии и Соединенного Королевства, известной как ГИУК. зазор . [13] Они способны четко записывать инфразвук чрезвычайно низкой частоты , в том числе многие необъяснимые звуки океана .
