Гидрофон ( др.-греч . ὕδωρ + φωνή , букв. «вода + звук») — микрофон , предназначенный для использования под водой для записи или прослушивания подводного звука. Большинство гидрофонов основаны на пьезоэлектрическом преобразователе, который генерирует электрический потенциал при воздействии изменения давления, например, звуковой волны.
Гидрофон может обнаруживать воздушные звуки, но будет нечувствительным, поскольку он разработан для соответствия акустическому импедансу воды, более плотной жидкости, чем воздух. Звук распространяется в 4,3 раза быстрее в воде, чем в воздухе, а звуковая волна в воде оказывает давление в 60 раз большее, чем волна той же амплитуды в воздухе. Аналогично, стандартный микрофон можно закопать в землю или погрузить в воду, если он помещен в водонепроницаемый контейнер, но он будет давать плохие результаты из-за столь же плохого соответствия акустического импеданса.
Первые гидрофоны состояли из трубки с тонкой мембраной, покрывающей подводный конец и ухо наблюдателя на другом конце. [1] Конструкция эффективных гидрофонов должна учитывать акустическое сопротивление воды, которое в 3750 раз больше, чем у воздуха, и поэтому давление, оказываемое волной той же интенсивности в воздухе, увеличивается в 3750 раз в воде. Американская подводная сигнальная компания 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 была соединена коротким латунным стержнем с угольным микрофоном .
В начале войны президент Франции Раймон Пуанкаре предоставил Полю Ланжевену оборудование, необходимое для работы над методом обнаружения подводных лодок с помощью эха от звуковых импульсов. Они разработали пьезоэлектрический гидрофон, увеличив мощность сигнала с помощью усилителя на вакуумной лампе ; высокое акустическое сопротивление пьезоэлектрических материалов способствовало их использованию в качестве подводных преобразователей. Та же пьезоэлектрическая пластина могла вибрировать с помощью электрического осциллятора для создания звуковых импульсов. [3]
Первой подводной лодкой, обнаруженной и потопленной 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 попала в стальную сеть, которую тащил траулер, и затонула после сильного подводного взрыва. [4] [5]
Позже в ходе войны Британское Адмиралтейство с опозданием созвало научную группу для консультаций по борьбе с подводными лодками. В ее состав вошли австралийский физик Уильям Генри Брэгг и новозеландский физик сэр Эрнест Резерфорд . Они пришли к выводу, что наилучшая надежда — использовать гидрофоны для прослушивания подводных лодок. Исследования Резерфорда привели к его единственному патенту на гидрофон. Брэгг взял на себя руководство в июле 1916 года и перешел в исследовательский центр гидрофонов Адмиралтейства в Хоукрейге на заливе Ферт-оф-Форт . [6]
Ученые поставили две цели: разработать гидрофон, который мог бы слышать подводную лодку, несмотря на шум, создаваемый патрульным кораблем, перевозящим гидрофон, и разработать гидрофон, который мог бы выявить пеленг подводной лодки. Двунаправленный гидрофон был изобретен в колледже Ист-Лондона . Они установили микрофоны по обе стороны диафрагмы в цилиндрическом корпусе; когда звуки, слышимые с обоих микрофонов, имеют одинаковую интенсивность, микрофон находится на одной линии с источником звука. [7]
Лаборатория Брэгга сделала такой направленный гидрофон, 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 авиационной службы, участвовавшие в противолодочной войне, экспериментировали с использованием волочащихся погруженных гидрофонов. [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 пенса в день. [10]
С конца Первой мировой войны и до появления активных сонаров в начале 1920-х годов гидрофоны были единственным средством обнаружения целей подлодками под водой; они остаются полезными и сегодня.
Маленький одиночный цилиндрический керамический преобразователь может достичь почти идеального всенаправленного приема. Направленные гидрофоны увеличивают чувствительность с одного направления, используя два основных метода:
Это устройство использует один элемент преобразователя с тарелкой или коническим отражателем звука для фокусировки сигналов, подобно рефлекторному телескопу. Этот тип гидрофона может быть изготовлен из недорогого всенаправленного типа, но должен использоваться в неподвижном состоянии, так как отражатель препятствует его движению в воде. Новый способ направления заключается в использовании сферического тела вокруг гидрофона. Преимущество сфер направленности заключается в том, что гидрофон можно перемещать в воде, избавляя его от помех, создаваемых коническим элементом.
Несколько гидрофонов могут быть расположены в массиве так, что он будет добавлять сигналы с желаемого направления, вычитая сигналы с других направлений. Массив может управляться с помощью формирователя луча . Чаще всего гидрофоны располагаются в «линейном массиве» [11] , но могут быть расположены во многих различных расположениях в зависимости от того, что измеряется. Например, в статье [12] измерение шума гребного винта с судов флота требовало сложных систем массивов гидрофонов для достижения действенных измерений.
Гидрофоны SOSUS , уложенные на морское дно и соединенные подводными кабелями, использовались, начиная с 1950-х годов, ВМС США для отслеживания передвижения советских подводных лодок во время Холодной войны вдоль линии, соединяющей Гренландию , Исландию и Соединенное Королевство, известной как GIUK-разрыв . [13] Они способны четко регистрировать крайне низкочастотный инфразвук , включая множество необъяснимых океанских звуков .
