Một ống nghe dưới nước hydrophone (tiếng Hy Lạp cổ đại: ὕδωρ + φωνή, viết tắt là “nước + âm thanh”) là một micro được thiết kế sử dụng dưới nước để ghi hoặc nghe âm thanh. Hầu hết các ống nghe dưới nước (hydrophones) đều dựa trên bộ chuyển đổi áp điện tạo ra điện thế khi chịu sự thay đổi áp suất, chẳng hạn như sóng âm thanh.
Một hydrophone có thể phát hiện âm thanh trong không khí, nhưng sẽ không nhạy cảm vì nó được thiết kế để phù hợp với trở kháng âm thanh của nước, một chất lỏng đặc hơn không khí. Âm thanh truyền trong nước nhanh hơn 4,3 lần so với trong không khí và sóng âm thanh trong nước gây ra áp suất gấp 60 lần áp suất do sóng có cùng biên độ trong không khí gây ra. Tương tự, một micro tiêu chuẩn có thể được chôn dưới đất hoặc ngâm trong nước nếu được đặt trong hộp chống thấm nước, nhưng sẽ cho hiệu suất kém do trở kháng âm thanh không phù hợp tương tự.
Lịch sử
Những ống nghe dưới nước đầu tiên bao gồm một ống có màng mỏng bao phủ một đầu chìm trong nước và tai của thiết bị quan sát ở đầu kia. Thiết kế của ống nghe dưới nước hiệu quả phải tính đến khả năng chống âm của nước, gấp 3750 lần so với không khí; do đó áp suất gây ra bởi một làn sóng có cùng cường độ trong không khí tăng lên gấp 3750 lần trong nước. Công ty Tín hiệu Tàu ngầm Hoa Kỳ (American Submarine Signaling Company) đã phát triển một chiếc điện thoại dưới nước để phát hiện tiếng chuông (dưới nước) vang lên từ ngọn hải đăng và tàu biển. Vỏ là một đĩa dày, rỗng bằng đồng thau có đường kính 35 cm. Trên một mặt là màng ngăn bằng đồng dày 1 mm được nối bằng một thanh đồng ngắn với micro carbon.
Đầu chiến tranh, Tổng thống Pháp Raymond Poincaré đã cung cấp cho Paul Langevin cơ sở vật chất cần thiết để nghiên cứu phương pháp xác định vị trí tàu ngầm bằng tiếng vang từ các xung âm thanh. Họ đã phát triển một máy đo thủy âm áp điện bằng cách tăng công suất của tín hiệu sử dụng bộ khuếch đại ống chân không; trở kháng âm cao của vật liệu áp điện tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng chúng làm đầu dò dưới nước. Tấm áp điện tương tự có thể được rung bởi một bộ tạo dao động điện để tạo ra các xung âm thanh.
Chiếc tàu ngầm đầu tiên bị phát hiện và đánh chìm bằng cách sử dụng ống nghe dưới nước thô sơ là chiếc tàu ngầm UC-3 của Đức vào ngày 23/4/1916. UC-3 được tàu đánh cá chống ngầm Cheerio phát hiện khi chiếc Cheerio ở ngay phía trên chiếc UC-3; UC -3 sau đó bị mắc vào lưới thép do tàu đánh cá kéo và chìm sau một vụ nổ lớn dưới nước.
Sau chiến tranh, Bộ Hải quân Anh đã triệu tập một hội đồng khoa học một cách muộn màng để tư vấn về cách chống lại U-boat. Bao gồm nhà vật lý người Úc William Henry Bragg và nhà vật lý người New Zealand Sir Ernest Rutherford. Họ kết luận rằng hy vọng tốt nhất là sử dụng điện thoại dưới nước để nghe tàu ngầm. Nghiên cứu của Rutherford đã tạo ra bằng sáng chế duy nhất của ông cho một chiếc điện thoại dưới nước. Bragg dẫn đầu vào tháng 7/1916 và ông chuyển đến cơ sở nghiên cứu điện thoại dưới nước của Bộ Hải quân tại Hawkcraig trên Firth of Forth.
Các nhà khoa học đặt ra hai mục tiêu: phát triển một chiếc điện thoại dưới nước có thể nghe thấy tiếng tàu ngầm bất chấp tiếng ồn do tàu tuần tra mang chiếc điện thoại này tạo ra, và phát triển một chiếc điện thoại dưới nước có thể tiết lộ phương hướng của tàu ngầm. Một hydrophone hai chiều đã được phát minh tại Đại học East London. Họ gắn một micro ở mỗi bên của màng ngăn trong hộp hình trụ; khi âm nghe được từ cả hai micro có cùng cường độ thì micro đó thẳng hướng với nguồn âm.
Phòng thí nghiệm của Bragg đã tạo ra một ống nghe dưới nước định hướng như vậy bằng cách lắp một vách ngăn phía trước một bên của màng ngăn. Phải mất nhiều tháng để phát hiện ra rằng các vách ngăn hiệu quả phải chứa một lớp không khí. Năm 1918, khí cầu của Lực lượng Không quân Hải quân Hoàng gia tham gia tác chiến chống ngầm đã được thử nghiệm bằng cách kéo dài ống nghe dưới nước. Bragg đã thử nghiệm một chiếc hydrophone từ một chiếc tàu U-boat của Đức bị bắt và nhận thấy nó kém hơn so với các mẫu của Anh. Vào cuối chiến tranh, người Anh có 38 sĩ quan hydrophone và 200 trắc thủ âm thanh đủ tiêu chuẩn, được trả thêm 4 d mỗi ngày.
Từ cuối Thế chiến I cho đến khi sonar chủ động ra đời vào đầu những năm 1920, điện thoại dưới nước là phương pháp duy nhất để tàu ngầm phát hiện mục tiêu khi đang lặn dưới nước; chúng vẫn hữu ích cho đến ngày nay.
Thủy âm định hướng
Một bộ chuyển đổi gốm hình trụ đơn nhỏ có thể đạt được khả năng tiếp nhận đa hướng gần như hoàn hảo. Các ống nghe dưới nước định hướng tăng độ nhạy từ một hướng bằng hai kỹ thuật cơ bản:
– Đầu dò tập trung (focused transducers): Thiết bị này sử dụng một phần tử đầu dò duy nhất có đĩa hoặc bộ phản xạ âm thanh hình nón để tập trung tín hiệu, theo cách tương tự như kính thiên văn phản xạ. Loại điện thoại dưới nước này có thể được sản xuất từ loại đa hướng chi phí thấp, nhưng phải được sử dụng khi đứng yên, vì bộ phản xạ cản trở chuyển động của nó trong nước. Một cách mới để định hướng là sử dụng một vật thể hình cầu xung quanh ống nghe dưới nước. Ưu điểm của các quả cầu định hướng là ống nghe dưới nước có thể di chuyển trong nước, loại bỏ nhiễu do một phần tử hình nón tạo ra.
– Mảng ăng-ten (arrays): Nhiều ống nghe dưới nước có thể được sắp xếp thành một mảng sao cho nó sẽ cộng các tín hiệu từ hướng mong muốn trong khi trừ tín hiệu từ các hướng khác. Mảng có thể được điều khiển bằng cách sử dụng một Beamformer. Thông thường nhất, các ống nghe dưới nước được sắp xếp theo một “mảng đường thẳng” nhưng có thể có nhiều cách sắp xếp khác nhau tùy thuộc vào những gì đang được đo.
Các ống nghe dưới nước SOSUS, được đặt dưới đáy biển và được kết nối bằng dây cáp dưới nước, đã được Hải quân Hoa Kỳ sử dụng, bắt đầu từ những năm 1950, để theo dõi chuyển động của các tàu ngầm Liên Xô trong Chiến tranh Lạnh dọc theo một tuyến từ Greenland, Iceland và Vương quốc Anh được gọi là khoảng trống GIUK. Chúng có khả năng ghi lại rõ ràng sóng siêu âm tần số cực thấp, bao gồm nhiều âm thanh đại dương không giải thích được.
