هیدروفون یک میکروفون زیر آب است که برای نظارت بر سر و صدای زیر آب طراحی شده است. یک هیدروفون معمولی با تشخیص تغییرات فشار در محیط اطراف، موج صوتی را به ولتاژ الکتریکی تبدیل می کند. سرعت و مسافتی که موج صوتی در آب طی می کند متناسب با تغییرات فشار خواهد بود که ماهیت خروجی الکتریکی را تعیین می کند.
تاریخچه :
اولین هیدروفون ها شامل یک لوله با یک غشای نازک که انتهای غوطه ور شده و گوش ناظر در انتهای دیگر را می پوشاند. در طراحی هیدروفون های موثر باید مقاومت صوتی آب که 3750 برابر هوا است در نظر گرفته شود. از این رو فشار اعمال شده توسط موجی با همان شدت در هوا به میزان 3750 در آب افزایش می یابد. شرکت سیگنالینگ زیردریایی آمریکا یک هیدروفون برای تشخیص زنگ های زیر آب که از فانوس های دریایی و کشتی های فانوس دریایی به صدا در می آیند ساخته است.کیس یک دیسک برنجی ضخیم و توخالی به قطر 35 سانتی متر (14 اینچ) بود. در یک طرف یک دیافراگم برنجی ضخیم 1 میلی متری (0.039 اینچ) وجود داشت که توسط یک میله کوتاه برنجی به یک میکروفون کربنی متصل شده بود.
جنگ جهانی اول:
در اوایل جنگ، ریموند پوانکاره، رئیس جمهور فرانسه، امکانات مورد نیاز برای کار بر روی روشی برای مکان یابی زیردریایی ها توسط پژواک پالس های صوتی را به پل لانژوین ارائه داد. آنها یک هیدروفون پیزوالکتریک را با افزایش قدرت سیگنال با تقویت کننده لوله خلاء ایجاد کردند. امپدانس صوتی بالای مواد پیزوالکتریک استفاده از آنها را به عنوان مبدل های زیر آب تسهیل کرد. همان صفحه پیزوالکتریک را می توان توسط یک نوسانگر الکتریکی برای تولید پالس های صوتی ارتعاش داد. اولین زیردریایی که با استفاده از یک هیدروفون اولیه کشف و غرق شد، زیردریایی UC-3 آلمانی در 23 آوریل 1916 بود. UC-3 سپس در یک تور فولادی که توسط ترالر کشیده شده بود گرفتار شد و پس از یک انفجار بزرگ زیر آب غرق شد. بعداً در جنگ، دریاسالاری بریتانیا با تأخیر یک هیئت علمی برای مشاوره در مورد نحوه مبارزه با یوبوت ها تشکیل داد. این شامل فیزیکدان استرالیایی ویلیام هنری براگ و فیزیکدان نیوزلندی سر ارنست رادرفورد بود. آنها به این نتیجه رسیدند که بهترین امید استفاده از هیدروفون برای گوش دادن به زیردریایی ها است. تحقیقات رادرفورد تنها حق اختراع او را برای هیدروفون ایجاد کرد. براگ رهبری را در ژوئیه 1916 بر عهده گرفت و به موسسه تحقیقاتی هیدروفون دریاسالاری در هاوککریگ در فرث فورت نقل مکان کرد. دانشمندان دو هدف را تعیین کردند: ساخت هیدروفونی که بتواند صدای زیردریایی را با وجود سر و صدای تولید شده توسط کشتی گشتی حامل هیدروفون بشنود، و توسعه هیدروفونی که بتواند بلبرینگ زیردریایی را آشکار کند. یک هیدروفون دو طرفه در کالج شرق لندن اختراع شد. آنها یک میکروفون در هر طرف دیافراگم در یک محفظه استوانه ای نصب کردند. هنگامی که صداهای شنیده شده از هر دو میکروفون دارای شدت یکسانی هستند، میکروفون در یک راستا با منبع صدا قرار می گیرد. آزمایشگاه براگ با نصب یک بافل در جلوی یک طرف دیافراگم، چنین هیدروفونی را جهت دهی کرد. ماه ها طول کشید تا کشف شود که بافل های موثر باید حاوی لایه ای از هوا باشند.در سال 1918، کشتیهای هوایی سرویس هوایی نیروی دریایی سلطنتی که درگیر جنگ ضد زیردریایی بودند، با دنبال کردن هیدروفونهای غوطهور شده آزمایش کردند. براگ یک هیدروفون را از یک U-boat آلمانی آزمایش کرد و آن را پایینتر از نمونههای بریتانیایی یافت. در پایان جنگ، بریتانیایی ها 38 افسر هیدروفون و 200 شنونده واجد شرایط داشتند که 4 روز اضافی در روز پرداخت می کردند.
از اواخر جنگ جهانی اول تا معرفی سونارهای فعال در اوایل دهه 1920، هیدروفون ها تنها روش زیردریایی ها برای شناسایی اهداف در هنگام غوطه وری بودند. آنها امروز مفید باقی می مانند.
هیدروفون ها و هیدروفون های جهت دار با استفاده از بافل:
مبدل های متمرکز:
این دستگاه از یک عنصر مبدل منفرد با یک بشقاب یا بازتابنده صدا به شکل مخروطی برای متمرکز کردن سیگنالها، به روشی مشابه تلسکوپ بازتابی استفاده میکند. این نوع هیدروفون را می توان از یک نوع همه جهته ارزان قیمت تولید کرد، اما باید در حالت ثابت استفاده شود، زیرا بازتابنده حرکت آن در آب را مختل می کند. یک راه جدید برای هدایت استفاده از یک جسم کروی در اطراف هیدروفون است. مزیت کره های جهت دهی این است که هیدروفون را می توان در داخل آب حرکت داد و آن را از تداخل ایجاد شده توسط یک عنصر مخروطی شکل خلاص کرد.
آرایه ها:
چندین هیدروفون را می توان در یک آرایه مرتب کرد به طوری که سیگنال ها را از جهت مورد نظر اضافه می کند در حالی که سیگنال ها را از جهات دیگر کم می کند. آرایه ممکن است با استفاده از یک پرتوساز هدایت شود. معمولاً، هیدروفون ها در یک “آرایه خط” مرتب می شوند، اما بسته به آنچه اندازه گیری می شود، ممکن است در آرایش های مختلفی باشند. به عنوان مثال، در مقاله اندازهگیری صدای پروانه از کشتیهای ناوگان برای دستیابی به اندازهگیریهای عملی، به سیستمهای آرایه هیدروفون پیچیده نیاز داشت.
هیدروفونهای SOSUS که در بستر دریا گذاشته شده و توسط کابلهای زیر آب به هم متصل میشوند، در آغاز در دهه 1950 توسط نیروی دریایی ایالات متحده برای ردیابی حرکت زیردریاییهای شوروی در طول جنگ سرد در امتداد خطی از گرینلند، ایسلند و بریتانیا به نام GIUK مورد استفاده قرار گرفت. شکاف.[13] اینها قادرند به وضوح صداهای فروصوت با فرکانس بسیار پایین، از جمله بسیاری از صداهای غیرقابل توضیح اقیانوس را ضبط کنند.
مواد پیزوالکتریک برای ساخت هیدروفون ایده آل است. آنها می توانند شکل خود را تغییر دهند و به تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به تغییرات فشار مکانیکی یا خارجی کمک کنند. هنگامی که یک ولتاژ الکتریکی به مواد سرامیکی کریستالی اعمال می شود، ساختار کریستالی هم تراز می شود، ناهمسانگرد می شود و بار الکتریکی حمل می کند.
یک هیدروفون معمولی یک مبدل دارد. این مبدل برای تبدیل امواج صوتی ورودی به ولتاژ الکتریکی بسیار مهم است. استفاده از مبدل پیزوالکتریک به عنوان جایگزینی برای مواد کریستالی در حال حاضر یک گزینه محبوب در فناوری هیدروفون مدرن است.
یک هیدروفون با یک مبدل منفرد، یک شکل مخروطی دایره ای دارد که امواج صوتی ورودی را منعکس می کند که به نوبه خود اجازه می دهد تا هیدروفون در مکان ها و عمق های مختلف قرار گیرد. شکل 1 نشان می دهد که چگونه یک هیدروفون معمولی در زیر آب برای ردیابی امواج صوتی از منابع مختلف استفاده می شود.
تنها مشکل یک مبدل منفرد این است که سیگنالهایی از جهات دیگر که با سیگنال اصلی تداخل دارند، قابل تفریق نیستند و این میتواند دادههای مربوط به مکان سیگنال مورد نظر را مبهم کند. در حالی که یک هیدروفون می تواند امواج صوتی را در هوا تشخیص دهد، اما به صداهای موجود در هوا حساس نیست زیرا امپدانس صوتی آن به طور خاص برای تشخیص صدا در آب طراحی شده است.
هیدروفون های آرایه ای:
هیدروفون های آرایه ای (استریمرها – ساخته شده از مبدل های متعدد) همگی برای دریافت یک سیگنال صوتی بزرگ به طور جمعی سیمی شده اند. مبدل ها در یک لوله با روغن بسته بندی شده اند که به جمع آوری امواج فشار وارد شده به هیدروفون کمک می کند. پیش تقویت کننده ها اغلب برای تقویت سیگنال الکتریکی و محدود کردن پتانسیل آلودگی نویز از اجزای اضافی به هیدروفون استفاده می شوند.
تغییر دما و حساسیت هیدروفون:
لازم به یادآوری است که صدای آب تحت تأثیر دمای آب است. آب های سطحی گرم تراکم کمتری دارند و بنابراین صدایی که از طریق آب به سطح می رسد شکسته شده و به دام می افتد، پدیده ای که به عنوان مجرای سطحی شناخته می شود.
از آنجایی که بیشتر هیدروفون ها در محیط های آب باز استفاده می شوند، معمولاً در معرض تغییرات دما و فشار قرار می گیرند و از این رو، این فناوری باید سیم کشی شود تا تغییرات را در نظر بگیرد و بنابراین تصویر دقیقی از مکان صدا ارائه دهد.
حساسیت هیدروفون ها را می توان با ولتاژ تولید شده توسط یک موج فشار هیدرواستاتیک تعیین کرد. یک پارامتر مفید در انتخاب مواد پیزوالکتریک برای استفاده در هیدروفون ها، ضریب ولتاژ است که میدان الکتریکی و کرنش هیدرواستاتیک اعمال شده را به هم مرتبط می کند. یکی دیگر از پارامترهای پرکاربرد ضریب کرنش هیدرواستاتیک است که به قطبش ناشی از تغییرات تنش اشاره دارد.
روش های کالیبراسیون مانند مقایسه یا جایگزینی نیز می تواند اعمال شود. با این حال، این روش نیاز به کالیبره کردن مبدل ها در طیف کاملی از شرایط محیطی دارد.
کاربردهای هیدروفون:
کاربردهای هیدروفون معمولاً شامل قرار دادن هیدروفون در کف دریا یا موازی با قایق زیر آب است. امواج صوتی که از فواصل مختلف به داخل حرکت میکنند در زمانهای مختلف به هیدروفون میرسند و این اختلاف زمانی به تعیین منبع یک موج سیگنال کمک میکند.
تحقیقات محیط زیست دریایی اغلب از هیدروفون های آرایه ای برای ردیابی حیات دریایی زیر آب و الگوهای رفتاری آنها استفاده می کند. نظارت زیر آب را می توان با استفاده از هیدروفون های آرایه ای نیز مدیریت کرد. به عنوان مثال، سیستم نظارت صوتی نیروی دریایی ایالات متحده متشکل از مجموعه ای از آرایه های هیدروفون در اقیانوس اطلس در دهه 1950 برای نظارت بر فعالیت زیردریایی ها در طول جنگ سرد قرار گرفت.
زیردریاییها همچنین از هیدروفون برای ردیابی موقعیت یک وسیله نقلیه ورودی از راه دور (ROV) برای جلوگیری از برخورد استفاده میکنند. این هیدروفون در بالای یک زیردریایی، رو به پایین با زاویه 25 تا 30 درجه قرار می گیرد تا امکان ردیابی دقیق صدا را فراهم کند. با ردیابی محل یک قایق ورودی، خدمه زیردریایی می توانند در یک موقعیت امن زیر آب بمانند تا زمانی که منطقه اطراف به اندازه کافی ایمن باشد تا خدمه بتوانند بدون برخورد با ROV به سطح بروند.
کاربردهای اضافی هیدروفون شامل موارد زیر است:
.پایش محیط زیست
.سیستم های ناوبری/موقعیت یابی
.اکتشاف زیر آب
.عملیات اعماق اقیانوس
هیدروفون ها برای ردیابی الگوهای ریززلزله ها و فعالیت های آتشفشانی زیرزمینی بسیار مفید هستند. انتشار اخیر توسط Dziak R.P. و همکاران. (2012) نشان داده است که چگونه استفاده از هیدروفون های کف اقیانوس به اندازه گیری افزایش فعالیت لرزه ای در طی چندین سال کمک کرد تا جایی که یک فوران آتشفشانی در آوریل 2011 مشاهده شد.
مطالعات همچنین به توسعه یک هیدروفون مستقل به نام هیدروفون شبه اویلری یا QUEphone اشاره کرده است. این یک هیدروفون شناور بدون تتر است که می تواند موقعیت تقریباً ثابتی را در آب اقیانوس حفظ کند و رویدادهای صوتی را در زمان واقعی تشخیص دهد. این می تواند به طور مداوم صدا را نظارت کند و با حرکت مکرر بین کف دریا و سطح دریا، داده ها را منتقل کند.
نصب سنسور هیدروفون آکوستیک Aquarius Spectrum
آینده سنسورهای هیدروفون، به ویژه با پیشرفت فناوری، احتمالات هیجان انگیزی را در بر خواهد داشت. بیایید برخی از پیشرفتها و روندهای اخیر مربوط به هیدروفونهای فیبر نوری (FOH) را بررسی کنیم:
آرایههای FOH در مقیاس بزرگ: محققان در حال توسعه آرایههای بزرگتری از FOH هستند که امکان پوشش فضایی بهتر و اندازهگیریهای صوتی دقیقتر زیر آب را فراهم میکند. این آرایه ها می توانند برای کاربردهایی مانند تشخیص هدف زیر آب و نظارت بر محیط زیست مفید باشند.
تشخیص فرکانس بسیار پایین: FOHها برای تشخیص سیگنالهای صوتی با فرکانس بسیار پایین بهینهسازی میشوند. این قابلیت برای پایش فعالیت های لرزه ای، ارتباطات زیر آب و مطالعه حیات دریایی ضروری است.
هیدروفون های بردار فیبر نوری (FOVH): FOVH ها اطلاعات جهت را همراه با شدت آکوستیک ارائه می دهند. آنها می توانند جهت امواج صوتی ورودی را تعیین کنند و آنها را برای ناوبری و نظارت در زیر آب با ارزش می کنند.
آرایه های خطی بکسل شده: این آرایه ها از هیدروفون های متعددی تشکیل شده اند که پشت یک کشتی بکسل می شوند. آنها برد تشخیص و دقت محلی سازی را به ویژه در محیط های اعماق دریا افزایش می دهند.
انتقال از اعماق دریا و مسافت طولانی: محققان در حال کار بر روی بهبود قابلیتهای انتقال FOHها در فواصل طولانی، حتی در شرایط چالش برانگیز اعماق دریا هستند. این پیشرفت ارتباطات و نظارت بهتر را در مناطق دورافتاده اقیانوسی امکان پذیر می کند.به طور خلاصه، آینده حسگرهای هیدروفون در توسعه مداوم، افزایش حساسیت و کاربردهای گسترده تر در حوزه های نظامی، علمی و غیرنظامی نهفته است. با پیشرفت فناوری، میتوان انتظار داشت که سیستمهای هیدروفون پیچیدهتر و همهکارهتر ظاهر شوند.
در اینجا خلاصه ای از کاربرد آنها آمده است:
تحقیقات زمینشناسی و بیولوژیکی دریایی: هیدروفونها در تحقیقات دریایی برای مطالعه مناظر صوتی زیر آب، نظارت بر حیات دریایی و بررسی فرآیندهای زمینشناسی در زیر کف اقیانوس استفاده میشوند.
نقشه برداری و ناوبری زیر دریا: هیدروفون ها نقش مهمی در نقشه برداری و سیستم های ناوبری زیر آب دارند. آنها به شناسایی و مکان یابی اشیاء زیر آب، مانند خرابه ها، خطوط لوله، و سازندهای زمین شناسی کمک می کنند.
پایش محیطی: هیدروفون ها برای نظارت بر محیط زیست در اکوسیستم های آبی استفاده می شوند. آنها به دانشمندان کمک می کنند تا آلودگی صوتی زیر آب را مطالعه کنند، حرکات پستانداران دریایی را ردیابی کنند و تأثیر فعالیت های انسانی بر محیط های دریایی را ارزیابی کنند.
آرایه های بکسل شده: آرایه های هیدروفون (شامل چندین هیدروفون جداگانه) را می توان پشت کشتی یا زیردریایی یدک کشید. این آرایه ها حساسیت را افزایش می دهند و به محققان این امکان را می دهند که به طور همزمان به صداهای زیر آب از جهات مختلف گوش دهند.
عملیات های اعماق اقیانوس: هیدروفون ها در محیط های اعماق اقیانوس برای نظارت بر فعالیت های لرزه ای، فوران های آتشفشانی و سایر پدیده های طبیعی مستقر می شوند. آنها داده های ارزشمندی را برای تحقیقات علمی و سیستم های هشدار اولیه ارائه می کنند.
کاربردهای نظامی: هیدروفون ها کاربردهای نظامی از جمله شناسایی و نظارت زیردریایی دارند. به عنوان مثال، نیروی دریایی ایالات متحده از آرایه های هیدروفون برای نظارت زیر آب و ردیابی زیردریایی های دشمن استفاده می کند.
هیدروفون های فیبر نوری: علاوه بر هیدروفون های پیزوالکتریک سنتی، هیدروفون های فیبر نوری نیز برای شناسایی اهداف زیر آب، اکتشاف نفت و گاز و بازرسی زلزله استفاده می شوند.به طور کلی، هیدروفون ها ابزار ضروری برای درک آکوستیک زیر آب و مطالعه محیط دریایی هستند. چه برای تحقیقات علمی، ناوبری یا دفاعی، کاربردهای آنها متنوع و تاثیرگذار است
بدون دیدگاه