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水下聽音器

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水下聽音器,簡稱水聽器古希臘語ὕδωρ + φωνή直譯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聲阻抗,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,但由於聲阻抗的配置並未針對水而調整,效果很差。

歷史

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正在放入北大西洋的水聽器

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,浸入水裏;使用者將耳朵靠在管子的另一端傾聽聲音。 [1]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。 [2]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,經由短黃銅棒連接到碳麥克風。

第一次世界大戰

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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]

使用擋板的水聽器和定向水聽器。

開戰後經過相當一段時間,英國海軍部才開始組織科學家討論對抗德國 U艇。澳大利亞物理學家威廉·亨利·布拉格和新西蘭物理學家歐內斯特·盧瑟福爵士也參與其中,科學家們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,布拉格則於 1916 年 7 月開始領導水下聽音器研究。[6]

科學家們設定了兩個目標:一、開發水聽器,就算裝配水聽器的船隻會產生噪音干擾,但仍能聽到潛艇的聲音;二:開發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。 [6]

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。。 [7] 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。 [8]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。 [9]

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

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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:

聚焦換能器

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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

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多個水聽器排列成陣列,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來控制陣列。最常見的是將水聽器排列成「線陣列」, [10]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。[11]

SOSUS水聽器鋪設在海床上,以海底電纜連接。從 1950 年代開始,美國海軍使用SOSUS追蹤蹤冷戰期間蘇聯潛艇沿格陵蘭島冰島英國GIUK缺口)的移動。 [12]這些設備清楚地紀錄極低頻次聲波,包括許多尚不明瞭的海洋聲音。

參見

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參考資料

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  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]. (原始內容存檔於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. (原始內容存檔於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. (原始內容存檔於2021-12-27) (英語). 
  11. ^ Measuring noise at sea with hydrophone arrays systems. [2021-12-27]. (原始內容存檔於2021-12-27). 
  12. ^ Mackay, D.G. "Scotland the Brave? US Strategic Policy in Scotland 1953-1974頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)". Glasgow University, Masters Thesis (research). 2008. Accessed 12 October 2009.