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水下听音器

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水下听音器,简称水听器古希腊语ὕδωρ + φωνή直译water + sound )是一种设计于水面以下录音或听音的麦克风。 大多数水听器的原理是利用压电换能器,感受到压力变化(例如声波)时会产生电位变化。

水听器的设计是针对水的水的声阻抗,因此虽然也能用于检测空气传播的声音,但不灵敏。水的密度比空气大,声音在水中的传播速度是空气中的 4.3 倍,而水中的声波所产生的压力是空气中等幅波所产生的压力的 60 倍。而一般麦克风也可以埋进地下或放在防水容器而浸入水中,但由于声阻抗的配置并未针对水而调整,效果很差。

历史

正在放入北大西洋的水听器

第一个水听器由一根带有薄膜的管子组成,薄膜盖在管子的一端,浸入水里;使用者将耳朵靠在管子的另一端倾听声音。 [1]水下听音器的设计必须考虑水的声阻抗是空气的3750倍;因此,相同强度的波在空气中施加的压力,在水中增加了 3750 倍。 美国潜艇信号公司(American Submarine Signaling Company)开发了一种水听器来侦测灯塔和灯船上响起的水下钟声。 [2]外壳是厚重的空心黄铜圆盘,直径为 35 厘米(14 英寸)。一面有一个 1 毫米(0.039 英寸)厚的黄铜振膜,经由短黄铜棒连接到碳麦克风。

第一次世界大战

战争初期,法国总统雷蒙·普恩加莱 (Raymond Poincaré) 提供经费,由保罗·朗之万 (Paul Langevin) 研究以音波脉冲回声定位潜艇的方法。借由真空管放大器增加信号的功率,开发了一种压电水听器; 压电材料的高声阻抗使其适合在水中作为换能器。 相同的压电板可以通过电振荡器振动,以产生声音脉冲。[3]

第一艘被早期的水下听音器发现并击沉的潜艇是德国潜艇 UC-3。1916年4月23日,UC-3 被反潜拖网渔船 Cheerio 发现,当时 Cheerio 位于 UC-3 正上方,UC- 3随后被拖网渔船拖曳的钢网抓住,在水下大爆炸后沉没。 [4] [5]

使用挡板的水听器和定向水听器。

开战后经过相当一段时间,英国海军部才开始组织科学家讨论对抗德国 U艇。澳大利亚物理学家威廉·亨利·布拉格和纽西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福爵士也参与其中,科学家们建议使用水听器监听潜艇。卢瑟福的研究得到了水听器专利,布拉格则于 1916 年 7 月开始领导水下听音器研究。[6]

科学家们设定了两个目标:一、开发水听器,就算装配水听器的船只会产生噪音干扰,但仍能听到潜艇的声音;二:开发可以找出潜艇方位的水听器。 东伦敦学院发明了双向水听器。 他们在圆柱形外壳中的振膜两侧,各安装了一个麦克风;从两个麦克风听到的声音强度相同时,就找到了声源的方向。 [6]

Bragg 的实验室则是在振膜的一侧前方安装一个挡板,从而能进行定向。 几个月后才发现有效的挡板必须包含一层空气。。 [7] 1918 年,英国皇家海军航空队从事反潜战的飞艇试验了尾随浸入式水听器。 [8]布拉格从一艘被俘获的德国 U 艇上测试了一个水听器,发现它不如英国型式。 [9]

从第一次世界大战后期到1920 年代初期主动声纳出现,水听器是潜艇在水下探测目标的唯一方法。它们今天仍然有用。

定向水听器

单一圆柱形陶瓷换能器,可以实现近乎完美的全向接收。 定向水听器使用两种基本技术提高一个方向的灵敏度:

聚焦换能器

使用带有碟形或圆锥形声音反射器的单一换能器聚焦信号,类似于反射望远镜。 这种类型的水听器可以由低成本的全向型水听器制造而成,但反射器会阻碍其在水中的移动。或者也可以在水听器周围以球体进行定向,消除了圆锥形元件产生的干扰,水下听音器就可以在水中移动。

阵列

多个水听器排列成阵列,将所需要方向的信号加成,并减去其他方向的信号。可以使用波束形成器来控制阵列。最常见的是将水听器排列成“线阵列”, [10]但视所欲测量的目标而定,可能有许多不同的安排,例如,测量船队的螺旋桨噪音,就需要复杂的阵列系统。[11]

SOSUS水听器铺设在海床上,以海底电缆连接。从 1950 年代开始,美国海军使用SOSUS追踪踪冷战期间苏联潜艇沿格陵兰岛冰岛英国GIUK缺口)的移动。 [12]这些设备清楚地纪录极低频次声波,包括许多尚不明了的海洋声音。

参见

参考资料

  1. ^ Wood, A. B. A textbook of sound. London: G. Bell and Sons. 1930: 446–461. 
  2. ^ Van der Kloot, William. Great Scientists wage the Great War. Stroud: Fonthill. 2014: 104. 
  3. ^ Van der Kloot, 2014, pp. 110-112.
  4. ^ Thomas, Lowell. Fighting the Submarine. Popular Mechanics. July 1929 [2021-12-27]. (原始内容存档于2021-12-27). 
  5. ^ Brodie, Bernard; Brodie, Fawn M. From Crossbow to H-bomb: the evolution of tactics and warfare First Midland. Indiana University Press. 1973: 184 [2021-12-27]. ISBN 0253201616. (原始内容存档于2021-12-27). 
  6. ^ 6.0 6.1 Wood 1930,p. 457.
  7. ^ Van der Kloot 2014, p. 110.
  8. ^ Report AIR 1/645/17/122/304 - National Archives Kew. Airship Hydrophone experiments.
  9. ^ Van der Kloot 2014, p. 125.
  10. ^ Abraham, Douglas A. Underwater Acoustic Signal Processing: Modeling, Detection, and Estimation. Springer. 2019-02-14 [2021-12-27]. ISBN 978-3-319-92983-5. (原始内容存档于2021-12-27) (英语). 
  11. ^ Measuring noise at sea with hydrophone arrays systems. [2021-12-27]. (原始内容存档于2021-12-27). 
  12. ^ Mackay, D.G. "Scotland the Brave? US Strategic Policy in Scotland 1953-1974页面存档备份,存于互联网档案馆)". Glasgow University, Masters Thesis (research). 2008. Accessed 12 October 2009.