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水下麦克风:水听器,水下研究利器的原理和用途介绍

时间:2022-12-20 点击次数:243

水下麦克风

我们都知道麦克风是什么。它是一种用于接收、放大或记录各种媒体上的声音的设备。但这是用来记录普通声音的,比如人说话或狗叫。

whale-with-microphone.jpg

 

假设我们想听到水中鱼的“声音"。如果我们仅把麦克风放在水面上,除了

无关的噪音,我们什么也录不到。

你需要的99%的声音会留在水下——它们不会透过水面进入空气中。要让麦克风工作,我们必须把它放进水里。但是,还有一个问题:一个普通的麦克风在水中会“受损",结构会被水浸泡,电路会失效,你会毁了你的设备。

因而,我们需要一个专门设计的麦克风:水下麦克风,或水听器,即水声声音接收器

 

水听器的用途是什么?

水听器是如何工作的?

whale-shark-and-hydrophones.jpg

 

海洋和许多淡水水体中都充满了声音。在海水中,声音的传播速度比在空气中快5倍:在水中,它的速度是1500/秒,而在空气中,它只有300/秒。

海洋的声音最好通过水听器听到。它能放大声音,使声音更清晰。水听器可以置于水中,也可以放置在海底,也可以固定在船体下部。在水听器的帮助下,你可以听到水的飞溅声、海浪的飞溅声、远处船只驶过时发动机和螺旋桨的声音,以及游动的鱼、鲸鱼、海豚和海豹的声音。所以,这就是水听器在水声学中的用途:记录水下信号和噪声,用于测量,也作为水下定向接收水听器阵的组成部分。

水听器频率范围

根据不同的用途,水听器有不同的设计和技术特点。它们的频率范围一般从0.1 Hz(用于感知和测量在水中传播数百甚至数千公里的次声波)500 kHz(用于高精度声波定位)。它们可以在1000m或更深的深度工作,承受超过10Mpa的静压。

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 声波对水听器传感元件材料施加的机械作用或压力导致材料表面电荷的发生,因此,材料中电荷分布的变化,导致电压变化。

水听器的基本特性之一是灵敏度,即电压与声压之比。传感元件密封在一种特殊的透声合成橡胶(例如,氯丁橡胶)中。机身采用铝青铜合金等耐腐蚀、耐海水污染的坚固金属。水听器与电缆的密封连接是非常重要的。带前置放大器的水听器用于提高灵敏度(以及消除电缆的分流效应),它们安装在与接收器相同的耐压壳中,并一起下放到水中。

基于电动力、压电和磁致伸缩效应的水听器是最常见的。电动水听器在操作上与电动空气传声器没有区别,除了与水隔离相关的设计特征。

压电水听器利用一些晶体的直接压电效应,当晶体的可变变形引起可变表面电荷的出现,相应的,在电极板上产生可变的电动势


水听器阵列

Hydrophone-array-1.jpg

 

两个水听器比一个好,更多的水听器更好!如果你把几个水听器放在海底排成一行,与潜艇航行路径相交,或采用多水听器组成的反潜拖缆,或把它们以潜标形式垂直固定在水体中,您可以使用声音到达时间的差异,这意味着来自远处的声音会在稍微不同的时间到达每个水听器,这可以用来计算声音的方向(因此可以更精确地计算源的位置)。这允许探测和跟踪海洋哺乳动物和水下物体,如潜艇,定位船只和测量他们的噪声特征,甚至研究气候变化!

 

更多关于监测海洋噪声水平的方法,可参见我们的其他文章。

 


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