水下聽音器：修订间差异
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水下聽音器，簡稱水聽器（古希臘語：ὕδωρ + φωνή，直译：water + sound ）是一種設計於水面以下錄音或聽音的麥克風。 大多數水聽器的原理是利用壓電換能器，感受到壓力變化（例如聲波）時會產生電位變化。
水聽器的設計是針對水的水的声阻抗，因此雖然也能用於檢測空氣傳播的聲音，但不靈敏。水的密度比空氣大，聲音在水中的傳播速度是空氣中的 4.3 倍，而水中的聲波所產生的壓力是空氣中等幅波所產生的壓力的 60 倍。而一般麥克風也可以埋進地下或放在防水容器而浸入水中，但由於聲阻抗匹配並未針對水而調整，效果很差。
历史
第一个水听器由一根管子组成，管子上覆盖着一层薄膜，覆盖在水下一端和另一端观察者的耳朵。 [1]有效水听器的设计必须考虑水的声阻，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。美国潜艇信号公司开发了一种水听器来检测从灯塔和灯船上响起的水下钟声。 [2]箱子是一个厚实的空心黄铜圆盘，长35厘米（14英寸）的直径。在一张脸上有一个1毫米（0.039英寸）厚黄铜振膜，通过短黄铜棒连接到碳麦克风。
第一個水聽器由一根帶有薄膜的管子組成，薄膜蓋在管子的一端，浸入水裡；使用者將耳朵靠在管子的另一端傾聽聲音。水下聽音器的設計必須考慮水的聲阻抗是空氣的3750倍；因此，相同強度的波在空氣中施加的壓力，在水中增加了 3750 倍。 美國潛艇信號公司（American Submarine Signaling Company）開發了一種水聽器來偵測燈塔和燈船上響起的水下鐘聲。 外殼是厚重的空心黃銅圓盤，直徑為 35 厘米（14 英寸）。一面有一個 1 毫米（0.039 英寸）厚的黃銅振膜，經由一根短黃銅棒連接到一個碳麥克風。
第一次世界大戰
戰爭初期，法國總統雷蒙·普恩加萊 (Raymond Poincaré) 提供經費，由保羅·朗之萬 (Paul Langevin) 研究以音波脈衝回聲定位潛艇的方法。藉由真空管放大器增加信號的功率，開發了一種壓電水聽器； 壓電材料的高聲阻抗使其適合在水中作為換能器。 相同的壓電板可以通過電振盪器振動，以產生聲音脈衝。[3]
第一艘被早期的水下聽音器發現並擊沉的潛艇是德國潛艇 UC-3。1916年4月23日，UC-3 被反潛拖網漁船 Cheerio 發現，當時 Cheerio 位於 UC-3 正上方，UC- 3隨後被拖網漁船拖曳的鋼網抓住，在水下大爆炸後沉沒。 [4] [5]
戰爭後期，英國海軍部才開始討論對抗德國 U艇。澳大利亞物理學家威廉·亨利·布拉格和紐西蘭物理學家歐內斯特·盧瑟福爵士也參與討論小組，結果建議使用水聽器監聽潛艇。盧瑟福的研究得到了水聽器專利。布拉格於 1916 年 7 月領導水下聽音器研究。[6]
科學家們設定了兩個目標：一、開發一種水聽器，就算裝配水聽器的船隻會產生噪音，但仍能聽到潛艇的聲音、二：開發一種可以找出潛艇方位的水聽器。 東倫敦學院發明了雙向水聽器。 他們在圓柱形外殼中的振膜兩側，各安裝了一個麥克風；從兩個麥克風聽到的聲音強度相同時，就找到了聲源的方向。 [7]
Bragg 的實驗室則是在振膜的一側前方安裝一個擋板，從而能進行定向。 幾個月後才發現有效的擋板必須包含一層空氣。。 [8] 1918 年，英國皇家海軍航空隊從事反潛戰的飛艇試驗了尾隨浸入式水聽器。 [9]布拉格從一艘被俘獲的德國 U 艇上測試了一個水聽器，發現它不如英國型式。 [10]
從第一次世界大戰後期到1920 年代初期主動聲納出現，水聽器是潛艇在水下探測目標的唯一方法。它們今天仍然有用。
定向水聽器
單一圓柱形陶瓷換能器，可以實現近乎完美的全向接收。 定向水聽器使用兩種基本技術提高一個方向的靈敏度：
聚焦换能器
使用帶有碟形或圓錐形聲音反射器的單一換能器聚焦信號，類似於反射望遠鏡。 這種類型的水聽器可以由低成本的全向型水聽器製造而成，但反射器會阻礙其在水中的移動。或者也可以在水聽器周圍以球體進行定向，消除了圓錐形元件產生的干擾，水下聽音器就可以在水中移動。
陣列
多个水听器排列成阵列，將所需要方向的信號加成，並減去其他方向的信號。可以使用波束形成器来控制阵列。最常见的是將水听器排列成“线阵列”， [11]但視所欲測量的目標而定，可能有許多不同的安排，例如，測量船隊的螺旋槳噪音，就需要複雜的陣列系統。[12]
SOSUS水听器铺设在海床上，以海底電纜連接。从 1950 年代开始，美国海军使用SOSUS追蹤踪冷战期间苏联潜艇沿格陵兰岛、冰岛和英国（GIUK缺口）的移動。 [13]这些設備清楚地紀錄極低頻次声波，包括許多尚不明瞭的海洋聲音。
參見
- 与潜艇的通信
- 检波器
- 水下声学
- 声纳
- 反射地震学
参考
外部链接
- ^ 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.
- ^ Brodie, Bernard; Brodie, Fawn M. From Crossbow to H-bomb: the evolution of tactics and warfare First Midland. Indiana University Press. 1973: 184. ISBN 0253201616.
- ^ Wood 1930,p. 457.
- ^ 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. ISBN 978-3-319-92983-5 （英语）.
- ^ Measuring noise at sea with hydrophone arrays systems
- ^ Mackay, D.G. "Scotland the Brave? US Strategic Policy in Scotland 1953-1974". Glasgow University, Masters Thesis (research). 2008. Accessed 12 October 2009.