Hydrofon

Hydrofonu je mikrofon určený pro použití pod vodou. Jedná se o elektroakustický měnič , to znamená, že v kapalinách transformuje akustické vlny na elektrické signály. Obecně se skládá z piezoelektrického přijímače, který převádí změnu tlaku na změnu elektrického napětí přes piezometr, ale existují i ​​jiné typy hydrofonů, které se používají méně často. Umožňuje tak záznam akustického tlaku. Může být spojen s dalšími akustickými senzory (geofon - měření akustické rychlosti  atd. ) Pro zvýšení množství informací na akustické vlně. Některé hydrofony lze také použít jako zdroj zvuku, ale ne všechny mají tuto schopnost a mohou se takovým použitím poškodit. V tomto případě již nemluvíme o hydrofonu (převodník používaný pro příjem), ale o projektoru (převodník používaný pro přenos).

Tento typ měniče se používá zejména v sonarech .

Konstrukce a vlastnosti hydrofonu

Různé bloky hydrofonů

Nejběžnější jsou piezoelektrické hydrofony , hydrofon se skládá z polotuhé obálky, snímače doplněného elektrodami, které umožňují shromažďovat akustické informace ve formě elektrických signálů. Většina hydrofonů používá jako senzory piezoelektrickou keramiku (nejčastěji olovnatý titano-zirkonát ( PZT )). Piezoelektřina je vlastnost, že určité materiály musí produkovat elektrické napětí, když jsou pod mechanickým namáháním. Princip činnosti je následující: akustická vlna se setkává se stěnou hydrofonu a zahrnuje kolísání tlaku na keramických deskách, čímž vytváří elektrický signál. Tento elektrický signál je poté obnoven a analyzován, aby bylo možné získat co nejvíce informací.

Zařízení může doplnit elektronický zesilovač . Zesiluje přijímaný signál a tím zvyšuje přesnost měření. Kromě toho je k převodu signálu zachyceného hydrofonem (analogový) na signál, který lze zpracovat a zaznamenat počítačem (digitální), nutný analogově-digitální převodník .

Vlastnosti použití

Ke klasifikaci hydrofonů se používají různé vlastnosti:

Kvalita zvukové transkripce závisí na charakteristikách a kvalitě hydrofonu, ale také a zejména na umístění hydrofonu ve vztahu ke zdroji, jakož i na podmínkách získávání informací.

Směrové hydrofony

Unikátní měnič (malý a válcový) umožňuje téměř všesměrový příjem (s dokonalou citlivostí ve všech směrech), ale směrový hydrofon (tj. Upřednostňování jednoho směru poslechu před ostatními) může pomoci lépe identifikovat původ zvuku pod vodou.

Pro získání směrových hydrofonů se používají dva základní principy:

Na začátku roku 2017 Korejci přizpůsobili podmořský zvukový přenosový systém (USTS) malému ROV , což mu umožnilo měřit podvodní zvuk (pomocí dvou hydrofonů) a přehrávat jej na hladině pro operátory ROV. Systém také určuje polohu původu tohoto zvuku (zdroje) díky integrovaným zesilovačům, filtrům, ADC a ovladači. Digitální pásmový filtr (implementovaný prostřednictvím FPGA) výrazně snižuje aliasing (rušení hlukem samotného ROV). Na povrchu generuje algoritmus formování paprsku ( algoritmus formování paprsku) směrový zvuk prostřednictvím stereofonních reproduktorů. Algoritmus lze vylepšit tak, aby upřesnil přesnost dané směrovosti.

Citlivost

Citlivost hydrofonu je 20násobek logaritmu k základně 10 poměru výstupního napětí RMS k referenční hodnotě 1 V RMS, když je snímač hydrofonu bez předzesilovače umístěn do zvukového pole s rovinnými vlnami, které má efektivní tlak 1  µPa . Například hydrofon s citlivostí -160  dB (reference 1 V na µPa) poskytne v tomto poli výstupní napětí 10–8 V, zatímco hydrofon s citlivostí -180  dB vyprodukuje pouze „výstupní napětí 10-9 V. Citlivost -160  dB je tedy lepší než citlivost -180  dB .

Různé principy hydrofonu

Piezoelektrické hydrofony

Tento typ hydrofonu je nejběžnější. Mechanické působení vyvolané zvukovou vlnou na piezoelektrický materiál způsobuje výskyt elektrických nábojů na povrchu materiálu, a tudíž změnu v distribuci nábojů v materiálu, která způsobuje změnu napětí.

Lze jej také použít při emisi, protože piezoelektrický efekt je reverzibilní: při příjmu je založen na přímém piezoelektrickém efektu a při emisi na reverzním piezoelektrickém efektu (příspěvek elektrického náboje v materiálu, který způsobuje mechanická napětí, proto změna v geometrie, a tedy vzhled zvukové vlny v důsledku deformací působících na tekutinu, která sleduje tyto variace geometrie).

Piezoelektrický hydrofon se zřídka skládá pouze z piezoelektrické tyče. Obvykle se skládá ze sady keramických desek, impedanční adaptace keramiky na propagační médium (houkačka, mluvící plocha, vyzařující plocha nebo přední hmota) a nesoulad mezi keramikou a zadní podporou (proti hmotě nebo zadní hmotě).

Magnetostrikční hydrofony

Ve feromagnetickém materiálu vytváří přidání otáčení různých elektronů magnetické momenty (a tedy interakční síly). V klidu je směr těchto okamžiků náhodný. Když je materiál vystaven magnetickému poli , mají tyto momenty tendenci se vyrovnat se směrem tohoto pole a způsobí vznik velkého magnetického momentu v materiálu. Přidružené interakční síly jsou pak vyvíjeny v jednom směru a způsobují deformaci materiálu.

Variace geometrie a variace magnetického pole jsou spojeny vztahem:

δLL=kB2{\ displaystyle {\ frac {\ delta \, L} {L}} = kB ^ {2}}

s δL prodloužení tyče (m)
B magnetické pole (T)
k konstanta materiálu (m 4 / Wb²)

Magnetostrikční hydrofon se skládá z akustického rozhraní a elektrického obvodu navinutého kolem magnetostrikční lišty. Když se setká s rozhraním, působí zvuková vlna na toto rozhraní a magnetostrikční lištu mechanicky, což způsobí odchylky v její geometrii. Polarizovaná tyč , tato deformace způsobí změnu magnetického toku, která vyvolá změnu napětí v elektrickém obvodu ( Lenzův zákon ).

Může být také použit v emisi, protože tento princip je reverzibilní (variace napětí indukuje variaci geometrie, a proto vytváří akustickou vlnu). Na rozdíl od použití při příjmu není nutné, aby byla lišta v přenosu polarizována. To však obecně díky zbytkovému magnetismu stále platí . Pokud se chceme vyhnout vnější polarizaci, postačí vyslat krátký proudový pulz do vinutí, který způsobí tuto remanentní magnetickou indukci. Jednalo se o nejběžnější elektroakustický měnič v aktivním sonaru, nyní je však do značné míry nahrazen piezoelektrickým měničem.

Elektrostrikční hydrofony

Tento hydrofon se skládá z rozhraní a dielektrického materiálu . Je založen na stejném principu jako magnetostrikční hydrofon. Pouze deformace způsobená zvukovou vlnou na rozhraní a dielektrickém materiálu způsobuje změnu elektrického pole a následně změnu napětí. Variace geometrie a variace napětí jsou spojeny vztahem:

δLL=k(ϵE)2{\ displaystyle {\ frac {\ delta \, L} {L}} = k (\ epsilon \, E) ^ {2}}

s δL prodloužení tyče (m)
E elektrické pole (V / m)
k konstanta materiálu (m 4 / Wb²)
ε (F / m)              

Tento hydrofon je méně rozšířený, protože velikost dielektrického materiálu musí být obzvláště velká, aby byl hydrofon dostatečně účinný. Nové materiály vyvinuté nedávno však umožnily zmenšit velikost hydrofonu, aby byl zajímavější.

Elektromagnetické hydrofony

Tento hydrofon se skládá z membrány a magnetu, kolem kterého je navinut elektrický obvod. Kvůli mechanickému působení vyvolanému zvukovou vlnou na membránu vibruje. Tato vibrace způsobuje elektromotorickou sílu, a proto proměnlivé magnetické pole. Toto proměnné magnetické pole indukuje v elektrickém obvodu proměnný proud i.

Tento princip je reverzibilní. Tento měnič se také používá častěji jako projektor než jako hydrofon. To je princip reproduktoru.

Optické hydrofony

Cestovní doba vlny v optickém vláknu délky L a indexu n je dána vztahem:

τ=Lvs.=Lnevs.0{\ displaystyle \ tau = {\ frac {L} {c}} = {\ frac {Ln} {c_ {0}}}}

n je funkcí aplikovaných mechanických napětí a vnějšího tlaku vyvíjeného na vlákno:

τ(p0+δp)=Lvs.0(ne(p0)+ne′(p0)δp)=τ0+kδp{\ displaystyle \ tau (p_ {0} + \ delta \, p) = {\ frac {L} {c_ {0}}} (n (p_ {0}) + n '(p_ {0}) \ delta \, p) = \ tau _ {0} + k \ delta \, p}

s a  

kδp je měřitelné zpoždění. Zvuková vlna způsobuje kolísání tlaku na jednom ze dvou optických vláken, a proto změnu indexu tohoto vlákna. Světelná vlna opouštějící druhé optické vlákno bude mít dobu šíření odlišnou od doby šíření světelné vlny opouštějící první optické vlákno. Právě toto zpoždění se měří a umožňuje transformovat zvukovou vlnu na elektrický signál. Tento typ hydrofonu je stále ve vývoji, ale pro budoucí použití vypadá velmi slibně, protože je flexibilní a obzvláště citlivý.

Rozvaha

V současné době se na trhu běžně vyskytují piezoelektrické hydrofony. Pokud byl elektrostrikční hydrofon kvůli konstrukčním omezením málo vyvinut, byl magnetostrikční hydrofon velmi široce používán v sonarech, než byl postupně nahrazován piezoelektrickým hydrofonem. A konečně, optický hydrofon je stále technologií budoucnosti.

Použití hydrofonu

Hydrofon představuje senzor, který je umístěn na anténě a tvoří sonar, aby mohl přijímat akustickou energii . Anténa se obvykle skládá z několika senzorů.

Sonary aktivní / pasivní sonary

Existují dva hlavní typy sonarů: aktivní sonar a pasivní sonar. Toto rozlišení je jednoduše určeno skutečností, že aktivní sonar studuje akustickou energii, kterou vyslal do prostředí (voda) a která se odráží od překážek (mořské dno, ponorka), zatímco pasivní sonar pouze studuje akustickou energii emitovanou vnějšími zdroji. Aktivní sonar se tedy skládá z hydrofonů, ale také projektorů (zdrojů akustické energie), které fungují stejným způsobem jako hydrofony, ale naopak: přeměňují elektrickou energii na akustickou energii. Existuje mnoho sonarů činných v různých oblastech (vojenských nebo civilních).

Například ve válečných námořnictvách:

Pro civilní aplikace:

Stejně tak pro pasivní sonar:

Existují také další systémy využívající akustickou energii v podvodním prostředí, které nespadají do předchozí klasifikace. Například :

Monostatické sonary / bistatické sonary

Po statické klasifikaci můžeme sonary rozlišit také podle toho, zda jsou monostatické nebo bistatické. V monostatickém případě mají vysílač a přijímač sonaru společnou elektroniku a anténu, mluvíme zde o převodnících, které mohou jak přeměnit akustickou energii na elektrickou, tak učinit opak. A v bistatickém případě jsou vysílač a přijímač odlišné. Například v případě sondy trupu je akustická energie emitována a přijímána stejným systémem, na rozdíl od podvodních telekomunikací, kde je akustická energie vyzařovaná v jednom bodě přijímána senzorem v jiném bodě.

Různé typy antén

Existuje široká škála tvarů antén v závislosti na zamýšleném použití sonaru, ale také v závislosti na geometrii nosiče antény (člun, ponorka, bóje).

Například můžeme najít ploché antény, kde hydrofony tvoří ploché pole. Tento typ antény může být například umístěn na boku ponorky. Existují také válcové antény, sférické antény nebo konkrétnější antény, jako je tažená lineární anténa, kde jsou hydrofony umístěny v pravidelných intervalech podél potrubí.

Vojenská aplikace: pasivní sonar

Pasivní vojenské sonary, stejně jako ty, které se nacházejí na ponorkách, mají tři hlavní funkce: detekci, identifikaci a lokalizaci. Mohou být nalezeny ve formě lineárních antén tažených povrchovým plavidlem nebo ponorkou, bójí upuštěných od námořních hlídkových letadel nebo antén instalovaných po stranách a přídi ponorky. Velkou výhodou oproti aktivním sonarům (které fungují jako radar) je jejich diskrétnost. Jejich nevýhoda spočívá v obtížnosti lokalizace hlučného výrobce.

Detekce spočívá ve schopnosti identifikovat nový hluk u všech v mořském prostředí (mořští savci, plankton, hluk deště na vodě, vlny atd.), Hydrofony proto musí být dostatečně citlivé, aby detekovaly úroveň mírně vyššího hluku.

V lokalizaci bude armáda hledat tři informace: polohu (obvykle vzdálenost plus směr), rychlost a směr hluku. Proto je obtíž. Pasivní sonar může ve skutečnosti poskytnout pouze informace o směru. Existuje mnoho metod lokalizace, například metoda Ekelund nebo metoda pasivního sledování zakřivením vlnoplochy, která pro ponorku spočívá v měření zpoždění zvukové vlny vyzařované zvukařem mezi různými bočními sonary.

Identifikace spočívá v porovnání identifikovaného hluku a databáze , každý generátor hluku má akustický podpis (například hluk vrtule ve vodě, který se liší podle počtu lopatek vrtule) C 'je nejdůležitější funkce : je to skutečně role těch, kterým se přezdívá „  zlaté uši  “, kterým pomáhají zařízení, která dokáží zpracovat signály.

Civilní použití: boční sonar

Boční sonar je transceiver akustických vln, jehož výhodou je vizualizace fondů na velké šířce.

Sonar pro boční skenování se skládá z:

Akustický signál odražený mořským dnem je reprodukován na palubě lodi na obrazovce. Takto se získávají informace o tvaru a povaze dna.

Oba boční snímače vysílají extrémně jemné zvukové paprsky se stupněm otevření v horizontální rovině, otevřením 20 až 50 ° ve vertikální rovině a krátkou dobou trvání. Zvukové vlny procházejí vodou a odrážejí se od dna k měničům ryb. Takto získaná ozvěna je reprezentací odrazivosti dna a přítomnosti nepravidelností nebo malých překážek. Můžeme tak vytvořit paprsek za paprskem obraz mořského dna.

Tento systém používají hydrografové, například k vyhledávání vraků nebo k mapování mořského dna. Je to velmi užitečný nástroj, protože poskytuje pohled na dno srovnatelný s leteckým snímkováním země.

Opatření

Akustiku pod vodou lze použít v mnoha různých oblastech, jako je navigace, komunikace, detekce narušení a dokonce i studium podmořského života, což vyžaduje schopnost používat různé typy zařízení. Hlavní rozdíly mezi obecnými měřícími měniči a specifickými měniči jsou citlivost a charakteristiky frekvenční odezvy . Je to proto, že obecný převodník bude mít vysokou citlivost ve velkém rozsahu frekvencí, zatímco specifický převodník bude mít vyšší citlivost v užším frekvenčním pásmu. Například některé nespecifické hydrofony mají dobrou citlivost ve frekvenčním rozsahu více než 4 desetiletí. Základní jednotkou tlaku je newton na metr čtvereční, tj. Pascal (Pa). Studium podvodních akustických jevů je však zjednodušeno vyjádřením akustického tlaku pomocí logaritmické stupnice, zvané hladina akustického tlaku SPL ( hladina akustického tlaku ). Existují pro to dva důvody:

SPL je definován jako dvacetinásobek logaritmu poměru akustického tlaku k referenčnímu akustickému tlaku. Pokud není uvedeno jinak, je referenční akustický tlak 20 μPa pro zvuky šířené vzduchem a 1 μPa pro zvuky v médiích jiných než vzduch. Vlastnosti hydrofonu a měření jsou spojeny následujícím výrazem:

SPL=|Mh|-G+20log⁡(PROTI){\ displaystyle SPL = | Mh | -G + 20 \ log (V)}

kde G je zisk měřicího systému (dB), V naměřené napětí (volt) ( množství měřeného napětí ) a Mh citlivost volného pole (dB re 1V / (μPa)). Druhá hodnota se získá výpočtem poměru výstupního napětí jako funkce měřeného akustického tlaku. Pojem „ve volném poli“ označuje měření prováděné v prostoru bez zvukových odrazů. Bylo pozorováno, že měření je vyjádřeno v dB, což znamená, že byl předem zvolen referenční akustický tlak.

Poznámky a odkazy

  1. (en) CL LeBlanc, Příručka technologie návrhu prvků hydrofonu
  2. (en) Whitlow WL Au, úterý C. Hastings, „ Principy mořské bioakustiky ,2008
  3. Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering
  4. Kim SM, Byun SH, Kim K, Choi HT & Lee CM (2017) Vývoj a test výkonu podvodního systému přenosu zvuku pro ROV. In Underwater Technology (UT), 2017 IEEE (pp. 1-4). IEEE ( shrnutí ).
  5. Jean-Paul Marage a Yvon Mori, sonary a podvodní akustika (svazek 1 a 2) , Paříž, Hermès sciences,2009( ISBN  978-2-7462-2223-6 )
  6. Xavier Lurton, Underwater acoustics: Presentation and application , Plouzané, Ifremer,1998, 110  s. ( ISBN  2-905434-92-9 , číst online )
  7. „  Akviziční nástroje: boční sonar, multibeamový sirén  “ , na webové stránce IFREMER
  8. „  Side sonar  “ , na webové stránce SHOM
  9. (in) Withlow At WL, Mardi C. Hastings, Principles of Marine Bioacoustics Springer2008, 680  s.
  10. (in) „  Underwater Noise  “ na underwaternoise.org.uk
  11. „  TEORETICKÁ AKUSTIKA: MIKROFONY  “ , na http://www.epsic.ch

Dodatky

Související články

externí odkazy