Hydrofonianturi on mikrofoni tarkoitettu käytettäväksi veden alla. Se on elektroakustinen anturi , toisin sanoen se muuntaa nesteissä akustiset aallot sähköisiksi signaaleiksi. Yleensä se koostuu pietsosähköisestä vastaanottimesta, joka muuntaa paineen vaihtelun pietsometrin sähköisen jännitteen vaihteluksi , mutta on myös muita hydrofoneja, joita käytetään harvemmin. Se mahdollistaa täten akustisen paineen rekisteröinnin. Se voidaan yhdistää muihin akustisiin antureihin (geofoni - akustisen nopeuden mittaus jne. ) Akustisen aallon tiedon määrän lisäämiseksi. Joitakin hydrofoneja voidaan käyttää myös äänilähteenä, mutta kaikilla ei ole tätä kykyä, ja tällainen käyttö voi vahingoittaa. Tässä tapauksessa emme enää puhu hydrofonista (vastaanottimessa käytettävä anturi), vaan projektorista (lähetykseen käytettävä anturi).
Tämän tyyppistä anturia käytetään erityisesti kaikuluotaimissa .
Pietsosähköiset hydrofonit ovat yleisimpiä, hydrofoni koostuu puolijäykästä kirjekuoresta, elektrodeilla täydennetystä anturista, jonka avulla akustista tietoa voidaan kerätä sähköisten signaalien muodossa. Useimmat hydrofonit käyttävät pietsosähköistä keraamista antureina (yleisimmin lyijytitaanosirkonaatti ( PZT )). Pietsosähkö on ominaisuus, jonka tiettyjen materiaalien on tuotettava sähköjännite, kun ne ovat mekaanisen rasituksen alaisia. Toimintaperiaate on seuraava: akustinen aalto kohtaa hydrofonin seinän ja siihen liittyy paineen vaihtelu keraamisilla levyillä, mikä luo sähköisen signaalin. Tämä sähköinen signaali otetaan sitten talteen ja analysoidaan voidakseen kerätä mahdollisimman paljon tietoa.
Elektronisen vahvistimen voi suorittaa laitteen. Se vahvistaa vastaanotettua signaalia ja lisää siten mittausten tarkkuutta. Lisäksi tarvitaan analogia-digitaalimuunnin , jotta hydrofonin (analoginen) ottama signaali voidaan muuntaa signaaliksi, joka voidaan käsitellä ja tallentaa tietokoneella (digitaalinen).
Hydrofonien luokittelussa käytetään erilaisia ominaisuuksia:
Äänen transkription laatu riippuu hydrofonin ominaisuuksista ja laadusta, mutta myös ja pääasiassa hydrofonin sijainnista lähteeseen nähden sekä tiedon ottamisen olosuhteista.
Ainutlaatuinen kaikuanturi (pieni ja sylinterimäinen) mahdollistaa melkein kaikkisuuntaisen vastaanoton (täydellisen herkkyyden kaikkiin suuntiin), mutta suuntahydrofoni (eli suosimalla yhtä kuuntelusuuntaa muille) voi auttaa tunnistamaan paremmin vedenalaisen äänen alkuperän.
Suunnattujen hydrofonien saamiseksi käytetään kahta perusperiaatetta:
Vuoden 2017 alussa korealaiset mukauttivat sukellusveneen äänensiirtojärjestelmän (USTS) pieneen ROV: ään , jolloin se pystyi mittaamaan vedenalaisen äänen (kahden hydrofonin kautta) ja toistamaan sen pinnalla ROV-operaattoreille. Järjestelmä määrittää myös tämän äänen (lähteen) alkuperän sijainnin sisäisten vahvistimien, suodattimien, ADC: n ja ohjaimen ansiosta. Digitaalinen kaistanpäästösuodatin (toteutettu FPGA: n kautta) vähentää huomattavasti aliasia (itse ROV: n kohinan aiheuttama häiriö). Pinnalla algoritmi säteenmuodostus (säteenmuodostusalgoritmi) tuottaa suuntaavan äänen stereokaiuttimien kautta. Algoritmia voitaisiin parantaa tietyn suuntaviivan tarkkuuden tarkentamiseksi.
Hydrofonin herkkyys on 20-kertainen logaritmin ja perustason 10 välillä suhteellisen RMS-lähtöjännitteen ja 1 V RMS-referenssin välillä, kun hydrofoni-anturi ilman esivahvistinta sijoitetaan tasoaaltoäänikenttään, jonka tehollinen paine on 1 µPa . Esimerkiksi hydrofoni, jonka herkkyys on −160 dB (ohjearvo 1 V / µPa), antaa tällä kentällä lähtöjännitteen 10–8 V, kun taas hydrofoni, jonka herkkyys on −180 dB , tuottaa vain lähtöjännitteen Täten herkkyys −160 dB on parempi kuin −180 dB .
Tämän tyyppinen hydrofoni on yleisin. Ääniaallon aiheuttama mekaaninen vaikutus pietsosähköiseen materiaaliin aiheuttaa sähkövarauksien ilmestymisen materiaalin pinnalle, joten materiaalissa olevien varausten jakautumisessa on vaihtelu, joka aiheuttaa vaihtelun jännitteessä.
Sitä voidaan käyttää myös emissiossa, koska pietsosähköinen vaikutus on palautuva: vastaanotossa se perustuu suoraan pietsosähköiseen vaikutukseen ja emissioon käänteiseen pietsosähköiseen vaikutukseen (sähkövaraus materiaalissa, joka aiheuttaa mekaanisia jännityksiä, siis muutos geometria ja siten ääniaallon ulkonäkö nesteeseen kohdistuvien muodonmuutosten vuoksi, jotka seuraavat näitä geometrian vaihteluita).
Pietsosähköinen hydrofoni koostuu harvoin pelkästään pietsosähköisestä tankosta. Se koostuu yleensä keraamisten levyjen pinosta, keramiikan impedanssisovituksesta etenemisväliaineeseen (sarvi, puhuvat kasvot, säteilevä kasvot tai etumassa) ja keraamisen ja takaosan välisestä ristiriitaisuudesta (massaa tai takamassaa vastaan).
Ferromagneettisessa materiaalissa eri elektronien pyörimien lisääminen luo magneettisia momentteja (ja siten vuorovaikutusvoimia). Levossa näiden hetkien suunta on satunnainen. Kun materiaali altistuu magneettikentälle , nämä hetket ovat yleensä linjassa tämän kentän suunnan kanssa ja aiheuttavat suuren magneettisen momentin materiaalissa. Liittyvät vuorovaikutusvoimat kohdistuvat sitten yhteen suuntaan ja aiheuttavat materiaalin muodonmuutoksen.
Geometrian vaihtelu ja magneettikentän vaihtelu yhdistetään suhteella:
5LL=kB2{\ displaystyle {\ frac {\ delta \, L} {L}} = kB ^ {2}}δL: n avulla tangon (m)
B magneettikentän (T)
k-vakio (m 4 / Wb²)
Magnetostriktio hydrofonianturi koostuu akustisen rajapinnan ja virtapiirin haavan ympärille magnetostriktiivistä bar. Kun se kohtaa rajapinnan, ääniaalto suorittaa mekaanisen vaikutuksen tähän rajapintaan ja magnetostriktiiviseen palkkiin, mikä aiheuttaa vaihtelua sen geometriassa. Polaroituva tanko , tämä muodonmuutos aiheuttaa magneettivuon vaihtelun, joka aiheuttaa vaihtelun jännitteessä sähköpiirissä ( Lenzin laki ).
Sitä voidaan käyttää myös emissiossa, koska tämä periaate on palautuva (jännitteen vaihtelu aiheuttaa geometrian vaihtelun ja luo siten akustisen aallon). Toisin kuin vastaanotossa, tankoa ei tarvitse polarisoida lähetyksessä. Tämä on kuitenkin yleensä vielä täyty ansiosta jäljellä magnetismi . Jos haluamme välttää ulkoisen polarisaation, riittää lähettämään käämiin lyhyt virtapulssi, joka tuottaa tämän remanentin magneettisen induktion. Se oli yleisin sähköakustinen muunnin aktiivisessa kaikuluotaimessa, mutta on nyt suurelta osin korvattu pietsosähköisellä anturilla.
Tämä hydrofoni koostuu rajapinnasta ja dielektrisestä materiaalista . Se perustuu samaan periaatteeseen kuin magnetostriktiohydrofoni. Ainoastaan ääniaallon rajapinnalle ja dielektriselle materiaalille aiheuttama muodonmuutos aiheuttaa vaihtelun sähkökentässä ja siten vaihtelun jännitteessä. Geometrian vaihtelu ja jännityksen vaihtelu ovat yhteydessä toisiinsa:
5LL=k(ϵE)2{\ displaystyle {\ frac {\ delta \, L} {L}} = k (\ epsilon \, E) ^ {2}}δL: n avulla tangon venymä (m)
E: n sähkökenttä (V / m)
k materiaalin vakio (m 4 / Wb²)
ε (F / m)
Tämä hydrofoni on vähemmän levinnyt, koska dielektrisen materiaalin koon on oltava erityisen suuri, jotta hydrofoni olisi riittävän tehokas. Äskettäin kehitetyt uudet materiaalit ovat kuitenkin mahdollistaneet hydrofonin koon pienentämisen, jotta se olisi mielenkiintoisempi.
Tämä hydrofoni koostuu kalvosta ja magneetista, jonka ympärille kääritään sähköpiiri. Ääniaallon membraanille aiheuttaman mekaanisen toiminnan ansiosta se värisee. Tämä tärinä aiheuttaa sähkömoottorin voiman ja siten muuttuvan magneettikentän. Tämä vaihteleva magneettikenttä indusoi vaihtelevan virran i sähköpiirissä.
Tämä periaate on palautettavissa. Tätä anturia käytetään myös useammin projektorina kuin hydrofonina. Tämä on kaiuttimen periaate.
Aallon matka-aika optisessa kuidussa , jonka pituus on L ja indeksi n, saadaan suhteesta:
τ=Lvs.=Leivs.0{\ displaystyle \ tau = {\ frac {L} {c}} = {\ frac {Ln} {c_ {0}}}}n on kuituun kohdistettujen mekaanisten rasitusten ja ulkoisen paineen funktio:
τ(s0+5s)=Lvs.0(ei(s0)+ei′(s0)5s)=τ0+k5s{\ displaystyle \ tau (p_ {0} + \ delta \, p) = {\ frac {L} {c_ {0}}} (n (p_ {0}) + n '(p_ {0}) \ delta \, p) = \ tau _ {0} + k \ delta \, p}kanssa ja
kδp on mitattava viive. Ääniaalto aiheuttaa paineen vaihteluita yhdellä kahdesta optisesta kuidusta ja siten vaihtelua tämän kuidun indeksissä. Toisesta optisesta kuidusta lähtevän valoaallon etenemisaika on erilainen kuin ensimmäisestä optisesta kuidusta lähtevän valoaallon. Juuri tämä viive mitataan ja joka mahdollistaa ääniaallon muuntamisen sähköiseksi signaaliksi. Tämän tyyppistä hydrofonia on edelleen kehitteillä, mutta se näyttää erittäin lupaavalta tulevaa käyttöä varten, koska ne ovat joustavia ja erityisen herkkiä.
Tällä hetkellä markkinoilla on yleisemmin pietsosähköisiä hydrofoneja. Jos sähköstriktiohydrofonia ei ollut juurikaan kehitetty suunnittelurajoitusten takia, magnetostriktiohydrofonia käytettiin kaikuluotaimissa ennen kuin se korvattiin vähitellen pietsosähköisellä hydrofonilla. Lopuksi, optinen hydrofoni on edelleen tulevaisuuden tekniikka.
Hydrofoni edustaa anturia, joka on koko kaikuluotain antennille voidakseen vastaanottaa akustista energiaa . Yleensä antenni koostuu useista antureista.
Kaikuluotoja on kahta päätyyppiä: aktiivinen kaikuluotain ja passiivinen luotain. Tämän eron määrittää yksinkertaisesti se, että aktiivinen kaikuluotain tutkii ympäristöönsä (veteen) lähettämäänsä akustista energiaa, joka heijastuu esteistä (merenpohja, sukellusvene), kun taas passiivinen luotain tutkii vain ulkoisten lähteiden lähettämää akustista energiaa . Aktiivinen luotain koostuu siis hydrofoneista, mutta myös projektoreista (akustisen energian lähteet), jotka toimivat samalla tavalla kuin hydrofonit, mutta päinvastoin: tämä muuntaa sähköenergian akustiseksi energiaksi. Eri aloilla (sotilas- tai siviilialalla) on aktiivisia kaikuluotaimia.
Esimerkiksi sotalaivastoissa:
Siviilikäyttöön:
Samoin passiiviselle luotain:
Vedenalaisessa ympäristössä on myös muita akustista energiaa käyttäviä järjestelmiä, jotka eivät kuulu edellisen luokituksen piiriin. Esimerkiksi :
Staattisen luokituksen jälkeen voimme myös erottaa kaikuluotaimet sen mukaan, ovatko ne monostaattisia vai bistaattisia. Monostaattisessa tapauksessa kaikuluotaimen lähettimellä ja vastaanottimella on yhteinen elektroniikka ja antenni, puhumme tässä antureista, jotka voivat sekä muuttaa akustisen energian sähköenergiaksi että tehdä päinvastoin. Bistaattisessa tapauksessa lähetin ja vastaanotin ovat erilliset. Esimerkiksi rungon kaikuluotaimen kohdalla akustista energiaa lähetetään ja vastaanotetaan samassa järjestelmässä, toisin kuin vedenalaisessa tietoliikenteessä, jossa yhdessä pisteessä lähetetyn akustisen energian vastaanottaa anturi toisessa pisteessä.
Antennin muotoja on laaja valikoima kaikuluotaimen käyttötarkoituksen mukaan, mutta myös antenninkannattimen geometrian mukaan (vene, sukellusvene, poiju).
Esimerkiksi voimme löytää litteitä antenneja, joissa hydrofonit muodostavat tasaisen ryhmän. Tämän tyyppinen antenni voidaan sijoittaa esimerkiksi sukellusveneen sivulle. On myös sylinterimäisiä antenneja, pallomaisia antenneja tai spesifisempiä antenneja, kuten hinattava lineaarinen antenni, jossa hydrofonit sijaitsevat säännöllisin välein putkea pitkin.
Passiivisilla sotilasluotaimilla, kuten sukellusveneillä, on kolme päätehtävää: havaitseminen, tunnistaminen ja sijainti. Ne löytyvät lineaaristen antennien muodossa, joita hinaa pinta-alus tai sukellusvene, poijuja, jotka on pudonnut merivartiostolla, tai antenneja, jotka on asennettu sukellusveneen sivuille ja keulaan. Suuri etu aktiivisiin kaikuluotaimiin (jotka toimivat kuin tutka) on niiden harkintavalta. Heidän haittansa johtuu meluntekijän paikantamisen vaikeudesta.
Havaitseminen koostuu kyvystä tunnistaa uusi melu kaikkien meriympäristössä olevien ihmisten joukossa (merinisäkkäät, plankton, sateen aiheuttama vesimelu, aallot jne.), Minkä vuoksi hydrofonien on oltava riittävän herkkiä havaitsemaan hieman korkeamman melutason.
Armeija etsii lokalisoinnissa kolmea tietoa: meluntekijän sijainti (yleensä etäisyys plus suuntima), nopeus ja suunta. Tästä syystä vaikeus. Passiivinen luotain voi todellakin antaa vain suuntatietoja. On olemassa monia lokalisointimenetelmiä, esimerkiksi Ekelund-menetelmä tai passiivinen aaltorintaman kaarevuusseurantamenetelmä, joka sukellusveneelle koostuu melutason tekijän lähettämän ääniaallon viiveen mittaamisesta eri reunaluotainten välillä.
Tunnistaminen koostuu tunnistetun melun ja tietokannan vertailusta , jokaisella melugeneraattorilla on akustinen allekirjoitus (esimerkiksi potkurin melu vedessä, joka eroaa potkurin siipien lukumäärän mukaan) C 'on kaikkein kertova toiminto : se on todellakin niiden lempinimeltään " kultaiset korvat ", joiden apuna ovat laitteet, jotka pystyvät käsittelemään signaaleja.
Sivuluotain on akustisten aaltojen lähetin-vastaanotin, jonka etuna on varojen visualisointi suurella leveydellä.
Sivuskanna koostuu:
Merenpohjan heijastama akustinen signaali toistetaan aluksella näytöllä. Näin saadaan tietoa pohjan muodosta ja luonteesta.
Kaksi sivumuunninta lähettävät erittäin hienoja äänisäteitä, joiden avautumisaste vaakasuorassa tasossa, 20-50 ° avautuminen pystytasossa ja lyhytaikaiset. Ääniaallot kulkevat veden läpi ja heijastuvat pohjasta kalan antureihin. Ajan myötä näin kerätty kaiku kuvaa pohjan heijastavuutta ja epäsäännöllisyyksiä tai pieniä esteitä. Voimme siten rakentaa säteen jälkeen kuvan merenpohjasta.
Tätä järjestelmää käyttävät hydrografit esimerkiksi hylyjen etsimiseen tai merenpohjan kartoittamiseen. Se on erittäin hyödyllinen työkalu, koska se tarjoaa pohjanäkymän, joka on verrattavissa maan ilmakuvaukseen.
Vedenalaista akustiikkaa voidaan käyttää monilla eri aloilla, kuten navigointi, viestintä, tunkeutumisen havaitseminen ja jopa vedenalaisen elämän tutkiminen, mikä edellyttää kykyä käyttää erityyppisiä laitteita. Suurimmat erot yleisten mittausantureiden ja erityisten antureiden välillä ovat herkkyys ja taajuus-vasteominaisuudet . Tämä johtuu siitä, että yleisellä anturilla on suuri herkkyys suurella taajuusalueella, kun taas tietyllä anturilla on suurempi herkkyys kapeammalla taajuuskaistalla. Esimerkiksi joillakin epäspesifisillä hydrofoneilla on hyvä herkkyys yli 4 vuosikymmenen taajuusalueella. Peruspaineyksikkö on newtonia neliömetriä kohden, eli pascal (Pa). Vedenalaisten akustisten ilmiöiden tutkimusta yksinkertaistetaan kuitenkin ilmaisemalla äänenpaine logaritmisella asteikolla, jota kutsutaan äänenpainetasoksi SPL ( äänenpainetaso ). Tähän on kaksi syytä:
SPL on määritelty kaksikymmentä kertaa logaritmina äänenpaineen ja vertailuäänen paineen suhteen. Ellei toisin mainita, vertailuäänenpaine on 20 μPa ilmassa oleville äänille ja 1 μPa muille väliaineille kuin ilmalle. Hydrofonin ja mittauksen ominaisuudet yhdistetään seuraavalla lausekkeella:
SPL=|Mh|-G+20Hirsi(V){\ displaystyle SPL = | Mh | -G + 20 \ loki (V)}missä G on mittausjärjestelmän vahvistus (dB), V mitattu jännite (voltti) (mitatun jännitteen määrä ) ja Mh vapaan kentän herkkyys (dB re 1V / (μPa)). Viimeksi mainittu arvo saadaan laskemalla lähtöjännitteen suhde mitatun äänenpaineen funktiona. Termi "vapaalla kentällä" tarkoittaa mittausta, joka suoritetaan tilassa, jossa ei ole ääniheijastuksia. Havaitaan, että mittaus ilmaistaan dB: nä, mikä osoittaa, että akustinen vertailupaine on valittu etukäteen.