水下听音器
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
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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
[编辑]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]
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
[编辑]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
[编辑]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
[编辑]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、冰岛和英国（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
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ Wood, A. B. A textbook of sound. London: G. Bell and Sons. 1930: 446–461.
- ^ Van der Kloot, William. Great Scientists wage the Great War. Stroud: Fonthill. 2014: 104.
- ^ Van der Kloot, 2014, pp. 110-112.
- ^ Thomas, Lowell. Fighting the Submarine. Popular Mechanics. July 1929 [2021-12-27]. （原始内容存档于2021-12-27）.
- ^ 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）.
- ^ 6.0 6.1 Wood 1930,p. 457.
- ^ Van der Kloot 2014, p. 110.
- ^ Report AIR 1/645/17/122/304 - National Archives Kew. Airship Hydrophone experiments.
- ^ Van der Kloot 2014, p. 125.
- ^ 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）.
- ^ Measuring noise at sea with hydrophone arrays systems. [2021-12-27]. （原始内容存档于2021-12-27）.
- ^ 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.