水下听音器

水下听音器，是一种将水声转换为与声压相对应的电压的装置。 另一个术语是“水下麦克风”。

水下听音器在海中（固定或监听浮标）用于记录那里的水载噪音，最重要的是，在医学中，例如用于非侵入性医学诊断或用于碎石机的定位。 海洋和医学中的这些应用领域在使用的频率范围上也有所不同（在海洋中大约在 10 Hz 和 400 kHz 之间，在医学中在 1 MHz 到 40 MHz 之间），因此在设计上也不同，这取决于它们各自的应用介质。

水下听音器的构造基本上与麦克风不同。 原因与其说是所需的对水分的不敏感性，不如说是不同的声学“硬度”（声阻抗）。 虽然也有传声器作为快速受话器（动圈传声器、带式传声器），但几乎只有压力受声器用作水下听音器。 在这种情况下，优选使用压电效应。

基本上，水下听音器也可以用作水下声源。 然而，这些通常被称为投影仪，或者 - 如果它们既用作声音发射器又用作接收器 - 称为声音转换器（换能器）。 此类声源的尺寸通常不同，但通常也用作接收器，特别是在主动声纳系统中。 然后它们就不会被称为水下听音器。

市售的水下听音器包含一个（或多个）空心圆柱体或空心球体，由锆钛酸铅 (PZT) 作为声学有效元素制成。 PZT 的阻抗比水大。 为此，使用相对薄壁的空心圆柱体或空心球体以实现有利的阻抗匹配。 这使得由脆性 PZT 陶瓷制成的圆柱体特别容易破裂。 因此，尽管在设计上付出了更大的努力，但现在首选空心圆柱体。 圆柱体或球体的内部在声学上是柔软的（空气、软木或类似物）。 压电材料以这样一种方式极化，即压力引起圆周变化，内部和外部的导电涂层横向于该方向拾取这些变化。

圆柱体或球体的尺寸使得它们是亚波长的。 因此，一些用于海中的水下听器的直径约为 1 厘米，这意味着它们在水中的声速为 1480 至 1500 米/秒，最高可达约 100 kHz（波长约为 1.5厘米）。 然而，由于这种设计不能提供足够的电平，高质量水下听器的制造商采用特殊形式，传感器表面长达 12 厘米圆柱体或球体的形状。 这些传感器用于检测远距离的声音。 然而，在海中长距离的垂直声音传播可以忽略不计。 出于这个原因，这些水下听音器具有全方位的定向特性，尤其是在水平方向。

整个水下听音器通过弹性体涂层进行防水保护。

压电式水下耳机的等效电路本质上是一个电容器。 只有在其应用范围的高频端，材料的质量才会起到电感的作用，从而导致谐振发生。 低于这个共振频率，水下耳机的频率响应通常是非常线性的，高于它会急剧下降。

然而，与下游放大器的输入电阻一起，形成了一个高通滤波器。 这是一个非常理想的效果，否则当水下听音器下降到水中时，静水压力会产生高张力。

水下耳机的固有电容通常在几 nF 的范围内。 该电容与常用的同轴电缆一起构成电容分压器。 因此，通常在水下耳机附近放置一个前置放大器。 同时，这避免了电气干扰，因为高阻抗、敏感的线路完全在水下，提供了极好的屏蔽。

对于安装的特殊要求，有一些特殊的形式，例如用于结构噪声去耦或安装在线性天线（声纳 LFAS）的油管中。 因为在海中使用的水下听器与声波波长相比几乎总是很小，所以它们通常没有方向性特征。 一个例外是梯度接收器。 例如，它们用于 DIFAR 声纳浮标。 有了他们，主导目标的方向可确定，但没有实现干扰信号抑制或目标的定向分离。 梯度接收器的工作原理与速度接收器非常相似。 但由于水的高阻抗，声速和运动幅度都非常小，所以利用小距离的压力差，即压力梯度，比较合适。 全方向确定需要两个彼此正交布置的梯度接收器。 然而，取而代之的是，还使用了距离较近的三个单独的接收器（三元组阵列），特别是在 LFAS 天线中。

由于大多数水下听音器是为测量目的而开发的，因此它们具有全向定向特性，最高可传输频率。 由于声音的高速，即波长，在水中，通过端口或干涉管等延迟元件的声学定向效果是不切实际的。 一个例外是来自 Sonar Surround 的定向球体，它有一个弯曲的界面和一种叫做水下听器的特殊材料，赋予它超心形的方向性。

对于立体声录音，只有运行时技术或强度技术可以与 Sonar Surround DS 一起使用。

水声代表一个空间区域，其密度随时间周期性变化（密度波和压力波是声音现象的等效模型）。

这些介质的特性声阻抗如何相互关联对于可以从一种传播介质传输到另一种传播介质的声能比例具有决定性作用。 这种材料的密度和声速的乘积称为材料的声阻抗。 介质边界处较小阻抗与较大阻抗的比率是区间中的无量纲数，描述了声学耦合。 当商数接近 1（对应于近似相等的阻抗）时，声波从一种传播介质到另一种传播介质的耦合非常好。 声音在水中的传播速度大约是空气中的四倍。 此外，两种介质的密度几乎相差三个数量级。 对于水-气界面，声学耦合约为 0.0003。 这种阻抗匹配极差的情况也称为准去耦。 根据折射定律以及反射和传输的派生成分，水-空气界面将几乎所有入射声音反射xxx中。 为了研究水中的声音现象，声音信号要么在水本身的介质中转换为所需的交流电压信号形式，传感器前面没有空气层，要么在传感器之间耦合阻抗匹配层。水和传感器（典型的超声检查：强水性凝胶）。 为了使水下听音器能够以高灵敏度转换有用的声信号，除了其他特性外，还必须争取最佳的声耦合。

水下听觉器提出的物理上根本不同的问题优先考虑设计的不同特征及其特性。 根据测量的主题，传播时间、强度和频率是重要的，但在极少数情况下，相位和散射角也是重要的。

频率响应的空间分辨率和线性度在确定距离（回声测深仪和类似应用）中起次要作用。 另一方面，高灵敏度和合适的阻尼是决定性的。 在这里，水下听音器通常在其自然频率范围内运行，选择该频率以适应预期的距离和结构尺寸。 从传输脉冲开始到接收到回波响应之间经过的时间乘以水中的声速，即可测量出信号覆盖的距离。

水声在传播方向上穿过障碍物时会减弱。