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    水下麥克風:水聽器,水下研究利器的原理和用途介紹

    時間:2022-12-20 點擊次數:1887

    水下麥克風

    我們都知道麥克風是什么。它是一種用于接收、放大或記錄各種媒體上的聲音的設備。但這是用來記錄普通聲音的,比如人說話或狗叫。

    whale-with-microphone.jpg

     

    假設我們想聽到水中魚的“聲音"。如果我們僅把麥克風放在水面上,除了

    無關的噪音,我們什么也錄不到。

    你需要的99%的聲音會留在水下——它們不會透過水面進入空氣中。要讓麥克風工作,我們必須把它放進水里。但是,還有一個問題:一個普通的麥克風在水中會“受損",結構會被水浸泡,電路會失效,你會毀了你的設備。

    因而,我們需要一個專門設計的麥克風:水下麥克風,或水聽器,即水聲聲音接收器。

     

    水聽器的用途是什么?

    水聽器是如何工作的?

    whale-shark-and-hydrophones.jpg

     

    海洋和許多淡水水體中都充滿了聲音。在海水中,聲音的傳播速度比在空氣中快5倍:在水中,它的速度是1500/秒,而在空氣中,它只有300/秒。

    海洋的聲音最好通過水聽器聽到。它能放大聲音,使聲音更清晰。水聽器可以置于水中,也可以放置在海底,也可以固定在船體下部。在水聽器的幫助下,你可以聽到水的飛濺聲、海浪的飛濺聲、遠處船只駛過時發動機和螺旋槳的聲音,以及游動的魚、鯨魚、海豚和海豹的聲音。所以,這就是水聽器在水聲學中的用途:記錄水下信號和噪聲,用于測量,也作為水下定向接收水聽器陣的組成部分。

    水聽器頻率范圍

    根據不同的用途,水聽器有不同的設計和技術特點。它們的頻率范圍一般從0.1 Hz(用于感知和測量在水中傳播數百甚至數千公里的次聲波)500 kHz(用于高精度聲波定位)。它們可以在1000m或更深的深度工作,承受超過10Mpa的靜壓。

    hydrophones-underwater-transducers-2-1.png

     聲波對水聽器傳感元件材料施加的機械作用或壓力導致材料表面電荷的發生,因此,材料中電荷分布的變化,導致電壓變化。

    水聽器的基本特性之一是靈敏度,即電壓與聲壓之比。傳感元件密封在一種特殊的透聲合成橡膠(例如,氯丁橡膠)中。機身采用鋁青銅合金等耐腐蝕、耐海水污染的堅固金屬。水聽器與電纜的密封連接是非常重要的。帶前置放大器的水聽器用于提高靈敏度(以及消除電纜的分流效應),它們安裝在與接收器相同的耐壓殼中,并一起下放到水中。

    基于電動力、壓電和磁致伸縮效應的水聽器是最常見的。電動水聽器在操作上與電動空氣傳聲器沒有區別,除了與水隔離相關的設計特征。

    壓電水聽器利用一些晶體的直接壓電效應,當晶體的可變變形引起可變表面電荷的出現,相應的,在電極板上產生可變的電動勢。


    水聽器陣列

    Hydrophone-array-1.jpg

     

    兩個水聽器比一個好,更多的水聽器更好!如果你把幾個水聽器放在海底排成一行,與潛艇航行路徑相交,或采用多水聽器組成的反潛拖纜,或把它們以潛標形式垂直固定在水體中,您可以使用聲音到達時間的差異,這意味著來自遠處的聲音會在稍微不同的時間到達每個水聽器,這可以用來計算聲音的方向(因此可以更精確地計算源的位置)。這允許探測和跟蹤海洋哺乳動物和水下物體,如潛艇,定位船只和測量他們的噪聲特征,甚至研究氣候變化!

     

    更多關于監測海洋噪聲水平的方法,可參見我們的其他文章。

     


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