Гидрофон что это такое принцип работы

Гидрофон

Резюме

Конструкция и характеристики гидрофона

Различные блоки гидрофона

Электронный усилитель может завершить устройство. Он усиливает принимаемый сигнал и, таким образом, увеличивает точность измерений. Кроме того, требуется аналого-цифровой преобразователь для преобразования сигнала, принимаемого гидрофоном (аналоговый), в сигнал, который может обрабатываться и записываться компьютером (цифровой).

Характеристики использования

Для классификации гидрофонов используются разные характеристики:

Качество транскрипции звука зависит от характеристик и качества гидрофона, но также, в основном, от расположения гидрофона по отношению к источнику, а также условий получения информации.

Направленные гидрофоны

Уникальный преобразователь (маленький и цилиндрический) позволяет принимать практически во всех направлениях (с идеальной чувствительностью во всех направлениях), но направленный гидрофон (т. Е. Предпочтение одного направления прослушивания по сравнению с другими) может помочь лучше определить происхождение звука под водой.

Для получения направленных гидрофонов используются два основных принципа:

Чувствительность

Различные принципы гидрофона

Пьезоэлектрические гидрофоны

Этот тип гидрофонов самый распространенный. Механическое воздействие, оказываемое звуковой волной на пьезоэлектрический материал, вызывает появление электрических зарядов на поверхности материала, следовательно, изменение распределения зарядов в материале, которое вызывает изменение напряжения.

Пьезоэлектрический гидрофон редко состоит только из пьезоэлектрического стержня. Обычно он состоит из набора керамических пластин, адаптации импеданса керамики к среде распространения (рупор, говорящая поверхность, излучающая поверхность или передняя масса) и несоответствия между керамической и задней опорой (против массы или задней массы).

Магнитострикционные гидрофоны

Изменение геометрии и изменение магнитного поля связаны соотношением:

с δL удлинение стержня (м)
B магнитное поле (T)
k постоянная материала (м 4 / Втb²)

Электрострикционные гидрофоны

с δL удлинение стержня (м)
E электрическое поле (В / м)
k постоянная материала (м 4 / Втb²)
ε (Ф / м)

Этот гидрофон менее распространен, поскольку размер диэлектрического материала должен быть особенно большим, чтобы гидрофон был достаточно эффективным. Однако недавно разработанные новые материалы позволили уменьшить размер гидрофона, чтобы сделать его более интересным.

Электромагнитные гидрофоны

Этот гидрофон состоит из мембраны и магнита, вокруг которых намотана электрическая цепь. Из-за механического воздействия звуковой волны на мембрану она вибрирует. Эта вибрация вызывает электродвижущую силу и, следовательно, переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле индуцирует в электрической цепи переменный ток i.

Этот принцип обратим. Этот преобразователь также чаще используется как проектор, чем как гидрофон. Это принцип громкоговорителя.

Оптические гидрофоны

Время пробега волны в оптическом волокне длиной L и показателем n определяется соотношением:

n является функцией приложенных механических напряжений и внешнего давления, оказываемого на волокно:

Бухгалтерский баланс

Применение гидрофона

Эхолоты активный / пассивный сонар

Есть два основных типа гидролокаторов: активный гидролокатор и пассивный гидролокатор. Это различие просто определяется тем фактом, что активный гидролокатор изучает акустическую энергию, которую он посылает в окружающую среду (воду) и которая отражается от препятствий (морское дно, подводная лодка), в то время как пассивный сонар изучает только акустическую энергию, излучаемую внешними источниками. Таким образом, активный гидролокатор состоит из гидрофонов, а также проекторов (источников акустической энергии), которые работают так же, как гидрофоны, но наоборот: они преобразуют электрическую энергию в акустическую. Есть много гидролокаторов, работающих в различных областях (военных или гражданских).

Например, в военно-морском флоте:

Для гражданского применения:

Аналогично для пассивного сонара:

Существуют также другие системы, использующие акустическую энергию в подводной среде, которые не подпадают под предыдущую классификацию. Например :

Моностатические сонары / бистатические сонары

После статической классификации мы также можем различать эхолоты в зависимости от того, являются ли они моностатическими или бистатическими. В моностатическом случае передатчик и приемник гидролокатора имеют общую электронику и антенну, мы говорим здесь о преобразователях, которые могут как преобразовывать акустическую энергию в электрическую, так и делать наоборот. А в бистатическом случае передатчик и приемник различны. Например, в случае гидролокатора корпуса акустическая энергия излучается и принимается одной и той же системой, в отличие от подводной связи, где акустическая энергия, излучаемая в одной точке, принимается датчиком в другой точке.

Различные типы антенн

Существует большое разнообразие форм антенн в зависимости от предполагаемого использования гидролокатора, а также в зависимости от геометрии несущей антенны (лодка, подводная лодка, буй).

Например, мы можем найти плоские антенны, в которых гидрофоны образуют плоскую решетку. Этот тип антенны может быть расположен, например, на борту подводной лодки. Существуют также цилиндрические антенны, сферические антенны или более специфические антенны, такие как буксируемая линейная антенна, где гидрофоны расположены через равные промежутки времени вдоль трубы.

Военное применение: пассивный гидролокатор

Пассивные военные гидролокаторы, подобные тем, что используются на подводных лодках, выполняют три основные функции: обнаружение, идентификацию и определение местоположения. Они могут быть представлены в виде линейных антенн, буксируемых надводным судном или подводной лодкой, буев, сбрасываемых самолетами морского патрулирования, или антенн, установленных на бортах и ​​носу подводной лодки. Большим преимуществом перед активными сонарами (которые работают как радары) является их свобода действий. Их недостаток заключается в том, что сложно найти источник шума.

Обнаружение состоит из способности идентифицировать новый шум среди всех шумов в морской среде (морские млекопитающие, планктон, шум дождя на воде, волны и т. Д.), Поэтому гидрофоны должны быть достаточно чувствительными, чтобы обнаруживать уровень немного более высокого шума.

При локализации военные будут искать три элемента информации: положение (обычно расстояние плюс пеленг), скорость и направление источника шума. Отсюда и трудность. Действительно, пассивный гидролокатор может давать только информацию о направлении. Существует множество методов локализации, например метод Экелунда или метод пассивного отслеживания по кривизне волнового фронта, который для подводной лодки заключается в измерении задержки звуковой волны, излучаемой источником шума, между различными боковыми сонарами.

Гражданское применение: боковой гидролокатор

Гидролокатор бокового обзора состоит из:

Акустический сигнал, отраженный морским дном, воспроизводится на борту судна на экране. Таким образом получается информация о форме и характере дна.

Два боковых преобразователя излучают очень тонкие звуковые лучи с углом раскрытия в горизонтальной плоскости, углом раскрытия от 20 до 50 ° в вертикальной плоскости и непродолжительными. Звуковые волны проходят через воду и отражаются от дна к датчикам рыбы. Эхосигнал, собранный таким образом с течением времени, отражает отражательную способность дна и наличие неровностей или небольших препятствий. Таким образом, мы можем построить луч за лучом изображение морского дна.

Эта система используется гидрографами, например, для поиска затонувших судов или для составления карт морского дна. Это очень полезный инструмент, поскольку он обеспечивает обзор дна, сравнимый с аэрофотосъемкой земли.

SPL определяется как двадцатикратный логарифм отношения звукового давления к эталонному звуковому давлению. Если не указано иное, эталонное звуковое давление составляет 20 мкПа для звуков в воздухе и 1 мкПа для звуков в среде, отличной от воздуха. Характеристики гидрофона и измерения связаны следующим выражением:

Источник

Разновидности конструктивного исполнения и области применения микрофонов и гидрофонов

Первые микрофоны были резистивными. Для преобразования механических колебаний в электрический сигнал в них использовали угольный (графитовый) порошок, электрическое сопротивление которого уменьшалось с возрастанием давления. Затем набор принципов работы акустических датчиков значительно расширился. Сейчас наиболее широко используются: электростатические (конденсаторные, емкостные), волоконно-оптические, пьезоэлектрические, пьезорезистивные, электретные и другие типы таких датчиков.

В электростатических микрофонах мембрана, вибрирующая под влиянием акустических сигналов, служит одновременно и одной из обкладок конденсатора. Если электрический заряд на конденсаторе остается неизменным, а вибрации мембраны, т.е. перемещения одной из его пластин относительно другой, приводят к изменению емкости, то следствием является изменение напряжения на конденсаторе по закону

где – переменное расстояние между пластинами конденсатора, – их площадь; – известная электрическая постоянная. Переменное напряжение в данном случае и является выходным сигналом, который дальше усиливается.

Электретные микрофоны отличаются тем, что для них не нужен внешний источник напряжения, так как источником электрического поля в них является электрет – материал с постоянной (иногда говорят «замороженной») электрической поляризацией.

Для работы в различных средах используют различные конструкции датчиков. Например, для приема волн в воздухе и вибраций в твердых телах применяют микрофоны, а для работы в жидкой среде – гидрофоны. Основное отличие между ними заключается в том, что последнему не приходится измерять постоянное или медленно меняющееся давление. Его частотный диапазон начинается с нескольких герц и заканчивается в районе гигагерц.

В состав таких датчиков входит диафрагма и преобразователь перемещений, преобразующий входной сигнал в выходной электрический. Некоторые типы датчиков могут включать в себя дополнительные элементы, такие как звукопоглотители, фокусирующие отражатели или линзы и т.п.

Рис. 11.1 Оптоволоконный интерферометрический микрофон.

Рис. 11.2 Пьезоэлектрический микрофон.

В настоящее время использование акустических датчиков гораздо шире, чем просто детектирование звука. Наибольшей популярностью сейчас пользуются устройства на поверхностных волнах (ПАВ), реализованные на принципе детектирования механических вибраций в твердых телах. Твердотельные преобразователи часто входят в состав более сложных датчиков, например, химических анализаторов, акселерометров, датчиков давления и т.п.

В химических и биологических датчиках акустические каналы, по которым распространяются механические волны, иногда покрываются специальными составами, вступающими в реакцию только с исследуемым веществом.

Промышленность выпускает много типов высококачественных микрофонов. Для примера на рис. 5.1 показаны некоторые микрофоны компании Sanken. Слева – конденсаторный микрофон CS-1 массой 100 г и длиной 180 мм. Благодаря соответствующей конструкции приемной трубки (чувствительная мембрана глубоко утоплена, а пластинчатая мягкая боковая поверхность трубки глушит звуковые колебания, поступающие сбоку) этот микрофон имеет узкую диаграмму направленности в диапазоне частот от 50 Гц до 100 кГц, почти плоскую амплитудно-частотную характеристику, высокую чувствительность (– 30 дБ/Па). Он не искажает звук, даже если установить его рядом с источником, отлично работает вплоть до громкостей звука в 137 дБ. Его используют в том числе и для профессиональной звукозаписи высочайшего качества.

Рис. 5.1. Высококачественные микрофоны компании Sanken

Микрофон CUW-180 (справа), предназначенный для стереофонической записи, имеет две конденсаторные капсулы, каждую из которых можно повернуть на любой угол до 180°. Близкое расположение капсул обеспечивает высокую когерентность фаз их сигналов. Микрофон очень удобен и для записи интервью, когда люди сидят напротив друг друга. Его чувствительность составляет – 31 дБ/Па, АЧХ – плоская в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.

Новое «дыхание» усовершенствованию микрофонов дало применение микросистемных технологий. Вместе с чувствительным к звуку датчиком появилась возможность сформировать в том же кристалле кремния и все электронные схемы, требуемые для усиления, селекции и обработки звуковых сигналов. Это привело к уменьшению на порядок размеров, массы и стоимости микрофонов, что очень важно для всех портативных устройств. Резко улучшились чувствительность и другие характеристики микрофонов, уменьшилось влияние внешних помех и шумов. «MEMS микрофоны», как их стали называть, уже нашли широкое применение в портативных видеокамерах, в мобильных телефонах, видеотелефонах. Для этих применений продаются десятки миллионов MEMS микрофонов за год. В недалеком будущем они найдут применение во многих новых бытовых приборах, которыми можно будет управлять голосом. Микроминиатюрные MEMS устройства для прослушивания можно спрятать практически в любом месте.

Фирма Akustica Inc. начала промышленный выпуск первой в мире акустической системы на КМОП кристалле размером 3,65×3×0,5 мм, выполняющей функции многих микрофонов, электронных блоков и программного обеспечения. Система перекрывает частотный диапазон от 100 Гц до 10 кГц, имеет чувствительность –40 дБ, потребляемую мощность – лишь 0,4 мВт.

Электродинамические гидрофоны по принципу действия не отличаются от воздушных электродинамических микрофонов, если не считать особенностей конструкции, связанных с изоляцией от воды.

В пьезоэлектрических гидрофонах используется прямой пьезоэффект некоторых кристаллов (сегнетова соль, кварц, дигидрофосфат аммония, сульфат лития и т.д.), при котором переменная деформация кристалла вызывает появление переменных поверхностных электрических зарядов и соответственно переменной электродвижущей силы на электродах-обкладках. Широко пользуются пьезоэлектрическими керамическими материалами (типа керамики титаната бария, титаната-цирконата свинца и др.). Чувствительные элементы пьезоэлектрических гидрофонов изготавливают в виде пакетов прямоугольной или цилиндрической формы.

Гидрофоны, предназначенные для измерительных целей, должны быть ненаправленными и обладать ровной частотной характеристикой во всей области исследуемых частот. Для этой цели удобно пользоваться малыми по сравнению с длиной волны полыми сферическими приёмниками из пьезокерамики, совершающими сферические симметричные колебания.

Источник

Гидрофон

Полезное

Смотреть что такое «Гидрофон» в других словарях:

гидрофон — гидрофон … Орфографический словарь-справочник

Гидрофон — (от греч. hydro «вода» и phone «звук») прибор для приема звука и ультразвука под водой, специализированный микрофон. Применяется в гидроакустике как для прослушивания подводных звуков, так и для измерительных целей. Некоторые… … Википедия

ГИДРОФОН — (Hydrophone) прибор, при помощи которого можно улавливать звуковые волны, порождаемые любым источником звуковых колебаний и в частности работой гребных винтов и вибрацией корпуса подводной лодки. Следовательно, дает возможность обнаружить… … Морской словарь

ГИДРОФОН — ГИДРОФОН, специальный МИКРОФОН, способный принимать звуки и ультразвуки под водой. Используется для обнаружения подводных лодок. В последнее время гидрофоны применяют в океанографии, например, для изучения пения китов … Научно-технический энциклопедический словарь

ГИДРОФОН — (от греч. hydor вода и phone звук), гидроакустич. звукоприёмник. Г. явл. электроакустическими преобразователями и применяются в гидроакустике для прослушивания подводных сигналов и шумов, для измерит. целей, а также как составные элементы… … Физическая энциклопедия

гидрофон — сущ., кол во синонимов: 1 • звукоприемник (3) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

гидрофон — Акустический преобразователь, предназначенный для измерения звукового давления. [ГОСТ 22547 81] Тематики средства гидроакустические … Справочник технического переводчика

гидрофон — 3.30 гидрофон: Преобразователь, который генерирует электрические сигналы при воздействии на него акустических сигналов в воде. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Источник

Гидрофон что это такое принцип работы

Мы предлагаем вам два вида интернет рекламы:
— контекстная реклама
— баннерная реклама

Это наиболее продуктивные средства рекламы, позволяющие ускорить раскрутку сайта и улучшить узнаваемость бренда.

Посещаемость нашего ресурса более 7000 в день, а количество просмотров более 30 000 в день.

Предпочтение отдается технической тематике рекламы или теме HI-TECH.

Для резмещения рекламы на нашем сайте вам необходимо отправить письмо с заявкой и описанием типа рекламы на адрес

— Баннер слева сайта: ширина 180 пикселей, высота от 100 до 250 пикселей. При большей высоте баннера цена оговаривается

отдельно.
Сквозное размещение рекламного баннера на главной странице — в левой колонке сайта. Размещение статическое. Стоимость

— Баннер внизу сайта: ширина от 150 до 250 пикселей, высота 150 пикселей.
При большей ширине баннера цена оговаривается отдельно
сквозное размещение рекламного баннера в нижней части центральной колонки. Размещение статическое. Стоимость — 3000р в

Баннерная реклама должна быть в формате GIF или FLASH.

— Тематическая статья в разделе «Реклама» объемом до 2500 символов.
Стоимость размещения 500р. Оплата разовая.

— текстовые ссылки внизу сайта- блок из 5 ссылок. 1000р в месяц.

Источник

Звонок по гидрофону

Принятая более 50 лет назад концепция построения гидроакустических систем не обеспечивает дальнего обнаружения подводных лодок вероятного противника. Из тупикового направления есть выход, но для этого необходимо переходить от традиционного амплитудного к оптическому разностному способу преобразования звуковой информации.

Принятые в последние десятилетия меры по снижению собственных шумов подводных лодок привели к смещению спектра в область частот ниже 17 герц. Он стал «гладким», из него исчезли индивидуальные признаки. Как следствие дальность обнаружения отечественными гидроакустическими комплексами (ГАК) подводных лодок упала до трех-четырех километров. Обеспечение требуемой соображениями безопасности дальности обнаружения в 200–300 километров при современном состоянии техники – проблема.

Первой масштабной системой слежения за подводной обстановкой стала SOSUS, развернутая американцами на Атлантическом и Тихом океанах еще в начале 70-х. Она предназначалась для определения местоположения и параметров движения атомных подводных лодок с помощью кабельной сети гидрофонов, проложенной по дну. Данные непрерывно поступают для обработки на береговые противолодочные центры, расположенные на западном и восточном побережьях США. SOSUS была оборудована пьезокерамическими гидрофонами. Первый опыт ее эксплуатации привел операторов в восхищение – российские подводные лодки обрели у американцев прозвище «ревущие коровы». Однако в результате принятых нами мер спектр шумов подводных лодок был уведен в область инфразвука, а для работы в низкочастотной области использовавшиеся методы приема и обработки гидроакустической информации оказались непригодными.

Но оглохла не только система обнаружения – то же произошло и с лодками, ведь ГАС создавались по тем же принципам. Наилучшей иллюстрацией стало ЧП в ночь с 3 на 4 февраля 2009 года. На большой глубине в спокойной обстановке в центральной части Атлантического океана во время боевого дежурства столкнулись две самые современные ракетные атомные подводные лодки ВМС Великобритании и Франции – «Вэнгард» и «Триумфатор». Две новейшие АПЛ ведущих стран НАТО, несмотря на современное гидроакустическое оборудование, не увидели друг друга даже на близком расстоянии из-за низкого уровня шумового излучения.

Каким образом снижали шумность подводных лодок? Стоит отметить переход американских АПЛ на одновальную движительную установку, увеличение диаметра гребного винта до восьми метров при понижении числа его оборотов до 100 в минуту, доведение числа лопастей до семи и придание им специальной саблевидной формы. Эти меры привели к значительному снижению шумового излучения.

Заметим, что 100 оборотов в минуту гребного вала соответствует излучаемой частоте порядка двух герц. Соответственно море более чем на 60 децибел «громче» подводной лодки.

Есть примеры успешного снижения шумности и отечественными кораблестроителями. «Варшавянка» оказалась самой современной и малошумной ДЭПЛ отечественного флота. В ее силовую установку входят два дизель-генератора. Если лодки старых типов на поверхности ходили под дизелями, экономя электроэнергию, то «Варшавянки» и в надводном, и в подводном положении передвигаются только под электромоторами. Их несколько: главный, мощностью 5500 лошадиных сил, экономического хода –130 лошадиных сил и пара 102-сильных резервных. Все они работают на один гребной винт – шестилопастный, с оборотами до 250 в минуту. Маломагнитная сталь, убирающиеся рули, амортизирующие платформы для двигателей, специальные внешние гидроакустические покрытия – все это обеспечивает лодке максимальную звукоизоляцию, незаметность и в целом значительно затрудняет обнаружение противником. А в режиме движения на электромоторах «Варшавянка» становится вовсе неслышимой и способна подкрасться к нужной цели почти вплотную.

Современные АПЛ ВМС США при движении в подводном положении на скорости около восьми узлов имеют уровень шума 120–130 децибел, тогда как первые серийные АПЛ – 160–170 децибел и более. Видно, что принятые меры привели к снижению показателя примерно на 40 децибел. Шум же новейших американских ПЛ с водометным движителем классов «Си-Вулф» и «Вирджиния» операторами вообще не различим.

Традиционные отечественные ГАС обеспечивают преобразование сигналов в области средних звуковых частот. Потому и обнаружить подводную лодку, используя существующую технику приема, по шумам на частоте два герца – а это инфразвук – невозможно. Из чего следует вывод о необходимости повышения эффективности преобразования сигналов в этой части диапазона. Такую возможность предоставляет оптический разностный способ преобразования.

На АПЛ «Вирджиния» устанавливаются волоконно-оптические гидрофоны лазерного возбуждения, работающие в диапазоне 10–480 герц. Основу гидрофона составляет лазер с длиной волны порядка 6328 ангстрем, который запитывает две катушки кварцевого оптического волокна длиной до 40 метров. Воздействие акустического сигнала приводит к относительной деформации катушек, к модуляции света на выходе схемы и к выделению разностного сигнала. Эффективность преобразования на 40 децибел выше по сравнению с пьезокерамическими гидрофонами и не уменьшается со снижением частоты. Основные затруднения при создании подобной системы, очевидно, были в исключении источников собственных нестабильностей, находящихся за пределами принятого для рассмотрения диапазона. Насколько трудоемок этот процесс, можно понять из того, что разработки были начаты организацией NRL ВМС США в 1979-м и только к 2014 году, через 35 лет, стали появляться весьма скупые сведения о применении подобных гидрофонов.

Для обеспечения приема в низкочастотной области спектра нам также необходим пересмотр существующих базовых положений преобразования сигналов. Полагаться на то, что техническое решение этого вопроса мы можем получить на Западе, не приходится. Особо следует отметить, как вероятный противник обстоятельно завоевывает господство в океане, проведя кампанию по снижению шумов подводных лодок и разработке средств приема сигналов в инфразвуковом диапазоне.

В такой ситуации один из самых пессимистичных прогнозов дает контр-адмирал Сергей Жандаров: «В 90-е годы с ВМФ была снята задача борьбы с иностранными подводными ракетоносцами в дальней морской зоне. Сейчас, видимо, придется снимать аналогичную задачу в своих водах по многоцелевым атомным субмаринам. Но тогда кораблям и подводным лодкам придется запретить выход в море, без знаний о подводной обстановке делать там нечего».

Отечественные ученые занимаются датчиками на основе оптического разностного преобразования для стационарных ГАС, но разработки столь трудоемкие, что надеяться на скорое техническое решение вопроса не приходится.

Источник