Hydrophon -Hydrophone

Ein Hydrophon ( Altgriechisch : ὕδωρ + φωνή , wörtlich „Wasser + Ton“) ist ein Mikrofon , das zur Verwendung unter Wasser zum Aufnehmen oder Hören von Unterwassergeräuschen entwickelt wurde. Die meisten Hydrophone basieren auf einem piezoelektrischen Wandler, der ein elektrisches Potential erzeugt, wenn er einer Druckänderung wie einer Schallwelle ausgesetzt wird. Einige piezoelektrische Wandler können auch als Schallprojektor dienen, aber nicht alle haben diese Fähigkeit, und einige können bei einer solchen Verwendung zerstört werden.

Ein Hydrophon kann Luftschall erkennen, ist jedoch unempfindlich, da es so konstruiert ist, dass es der akustischen Impedanz von Wasser entspricht, einer Flüssigkeit, die dichter als Luft ist. Schall breitet sich in Wasser 4,3-mal schneller aus als in Luft, und eine Schallwelle in Wasser übt einen 60-mal höheren Druck aus als eine Welle mit der gleichen Amplitude in Luft. In ähnlicher Weise kann ein Standardmikrofon im Boden vergraben oder in Wasser getaucht werden, wenn es in einen wasserdichten Behälter gestellt wird, aber aufgrund der ähnlich schlechten akustischen Impedanzanpassung wird es eine schlechte Leistung erbringen.

Geschichte

Ein Hydrophon wird in den Nordatlantik abgesenkt

Die ersten Hydrophone bestanden aus einem Rohr mit einer dünnen Membran, die das eingetauchte Ende und das Ohr des Beobachters am anderen Ende bedeckte. Das Design effektiver Hydrophone muss den akustischen Widerstand von Wasser berücksichtigen, der 3750-mal so hoch ist wie der von Luft; daher wird der Druck, den eine Welle gleicher Intensität in Luft ausübt, in Wasser um den Faktor 3750 erhöht. Die American Submarine Signaling Company hat ein Hydrophon entwickelt, um Unterwasserglocken zu erkennen, die von Leuchttürmen und Feuerschiffen geläutet werden. Das Gehäuse war eine dicke, hohle Messingscheibe mit einem Durchmesser von 35 Zentimetern. Auf einer Seite befand sich eine 1 Millimeter (0,039 Zoll) dicke Messingmembran, die durch einen kurzen Messingstab mit einem Kohlemikrofon gekoppelt war .

Erster Weltkrieg

Zu Beginn des Krieges stellte der französische Präsident Raymond Poincaré Paul Langevin die erforderlichen Einrichtungen zur Verfügung , um an einer Methode zur Ortung von U-Booten anhand der Echos von Schallimpulsen zu arbeiten. Sie entwickelten ein piezoelektrisches Hydrophon, indem sie die Leistung des Signals mit einem Vakuumröhrenverstärker erhöhten ; Die hohe akustische Impedanz piezoelektrischer Materialien erleichterte ihre Verwendung als Unterwasserwandler. Dieselbe piezoelektrische Platte könnte durch einen elektrischen Oszillator in Schwingung versetzt werden, um die Schallimpulse zu erzeugen. 

Das erste U-Boot, das mit einem primitiven Hydrophon entdeckt und versenkt wurde, war das deutsche U-Boot UC-3 am 23. April 1916. UC-3 wurde vom Anti-U-Boot-Trawler Cheerio entdeckt , da das Cheerio direkt über dem UC-3, dem UC- 3 wurde dann in einem vom Trawler gezogenen Stahlnetz gefangen und sank nach einer großen Unterwasserexplosion.

Hydrophone und Richthydrophone mit Schallwand.

Später im Krieg berief die britische Admiralität verspätet ein wissenschaftliches Gremium ein, um Ratschläge zur Bekämpfung von U-Booten zu erteilen. Ihm gehörten der australische Physiker William Henry Bragg und der neuseeländische Physiker Sir Ernest Rutherford an . Sie kamen zu dem Schluss, dass die beste Hoffnung darin bestand, Hydrophone zu verwenden, um nach U-Booten zu lauschen. Rutherfords Forschung brachte sein einziges Patent für ein Hydrophon hervor. Bragg übernahm im Juli 1916 die Leitung und wechselte zur Hydrophon-Forschungseinrichtung der Admiralität in Hawkcraig am Firth of Forth . 

Die Wissenschaftler haben sich zwei Ziele gesetzt: die Entwicklung eines Hydrophons, das ein U-Boot trotz des Lärms hören kann, der vom Patrouillenschiff mit dem Hydrophon erzeugt wird, und die Entwicklung eines Hydrophons, das die Peilung des U-Boots anzeigen kann. Am East London College wurde ein bidirektionales Hydrophon erfunden . Sie montierten ein Mikrofon auf jeder Seite einer Membran in einem zylindrischen Gehäuse; Wenn die Töne, die von beiden Mikrofonen gehört werden, die gleiche Intensität haben, befindet sich das Mikrofon in einer Linie mit der Schallquelle. 

Das Labor von Bragg stellte ein solches Hydrophon mit Richtwirkung her, indem es eine Schallwand vor einer Seite der Membran montierte. Es dauerte Monate, um zu entdecken, dass wirksame Leitbleche eine Luftschicht enthalten müssen. Im Jahr 1918 experimentierten Luftschiffe des Royal Naval Air Service in der U-Boot-Abwehr mit nachlaufenden getauchten Hydrophonen. Bragg testete ein Hydrophon von einem erbeuteten deutschen U-Boot und stellte fest, dass es britischen Modellen unterlegen war. Bis Kriegsende hatten die Briten 38 Hydrophonoffiziere und 200 qualifizierte Zuhörer, die zusätzlich 4 d pro Tag bezahlten. 

Von Ende des Ersten Weltkriegs bis zur Einführung des aktiven Sonars in den frühen 1920er Jahren waren Hydrophone die einzige Methode für U-Boote, um Ziele unter Wasser zu erkennen. Sie sind bis heute nützlich.

Richtungshydrophone

Ein kleiner einzelner zylindrischer Keramikwandler kann einen nahezu perfekten omnidirektionalen Empfang erreichen. Richtungshydrophone erhöhen die Empfindlichkeit aus einer Richtung mit zwei grundlegenden Techniken:

Fokussierte Wandler

Dieses Gerät verwendet ein einzelnes Wandlerelement mit einer Schale oder einem kegelförmigen Schallreflektor, um die Signale zu fokussieren, ähnlich wie bei einem Spiegelteleskop. Diese Art von Hydrophon kann aus einem kostengünstigen omnidirektionalen Typ hergestellt werden, muss jedoch stationär verwendet werden, da der Reflektor seine Bewegung durch Wasser behindert. Eine neue Art der Lenkung besteht darin, einen kugelförmigen Körper um das Hydrophon herum zu verwenden. Der Vorteil von Richtwirkungskugeln besteht darin, dass das Hydrophon im Wasser bewegt werden kann, wodurch es von den durch ein konisch geformtes Element erzeugten Interferenzen befreit wird.

Arrays

Mehrere Hydrophone können in einem Array angeordnet werden, so dass die Signale aus der gewünschten Richtung addiert werden, während Signale aus anderen Richtungen subtrahiert werden. Das Array kann unter Verwendung eines Strahlformers gesteuert werden . Am häufigsten werden Hydrophone in einem "Line Array" angeordnet, können aber je nach dem, was gemessen wird, in vielen verschiedenen Anordnungen vorliegen. In dem Artikel zum Beispiel erforderte das Messen von Propellergeräuschen von Flottenschiffen komplexe Hydrophon-Array-Systeme, um umsetzbare Messungen zu erzielen.

Auf dem Meeresboden verlegte und durch Unterwasserkabel verbundene SOSUS- Hydrophone wurden ab den 1950er Jahren von der US-Marine verwendet, um die Bewegung sowjetischer U- Boote während des Kalten Krieges entlang einer als GIUK bekannten Linie von Grönland , Island und dem Vereinigten Königreich zu verfolgen Lücke . Diese sind in der Lage, extrem niederfrequenten Infraschall klar aufzuzeichnen , einschließlich vieler unerklärlicher Meeresgeräusche .

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Externe Links