수중청음기

수중청음기 또는 하이드로폰(hydrophone, 고대 그리스어: ὕδωρ + φωνή)은 수중 음향을 녹음하거나 청취하기 위해 수중에서 사용하도록 설계된 마이크로폰이다. 대부분의 수중청음기는 음파와 같은 압력 변화를 받을 때 전위를 생성하는 압전 트랜스듀서를 포함한다.

수중청음기는 공기 중의 소리도 감지할 수 있지만, 공기보다 밀도가 높은 유체인 물의 음향 임피던스에 맞게 설계되어 공기 중의 소리에는 둔감하다. 소리는 공기보다 물에서 4.3배 더 빨리 이동하며, 물 속의 음파는 공기 중 동일한 진폭의 파동이 가하는 압력보다 60배 더 큰 압력을 가한다. 마찬가지로, 표준 마이크는 땅에 묻거나 방수 용기에 넣어 물에 담글 수 있지만, 음향 임피던스 불일치로 인해 성능이 좋지 않다.

역사

북대서양에 수중청음기를 내리고 있다.

초기 수중청음기는 잠긴 끝부분을 덮는 얇은 막과 장비 관찰자의 귀가 있는 튜브로 구성되었다. ^[1] 효과적인 수중청음기 설계는 공기의 3750배인 물의 음향 저항을 고려해야 하므로, 공기 중 동일한 강도의 파동이 가하는 압력은 물에서 3750배 증가한다. 미국 잠수함 신호 회사는 등대와 등대선에서 울리는 수중 종소리를 감지하기 위한 수중청음기를 개발했다. ^[2] 이 장치는 지름 35 센티미터 (14 in)의 두껍고 속이 빈 황동 원반이었다. 한 면에는 one-밀리미터-thick (¹⁄₃₂ in) 두께의 황동 다이어프램이 있었는데, 이는 짧은 황동 막대로 탄소 마이크로폰에 연결되어 있었다.

제1차 세계 대전

전쟁 초기에 프랑스 대통령 레몽 푸앵카레는 폴 랑주뱅에게 음향 펄스의 반향을 통해 잠수함을 찾는 방법을 연구하는 데 필요한 시설을 제공했다. 그들은 진공관 증폭기로 신호의 전력을 증가시켜 압전 수중청음기를 개발했다. 압전 재료의 높은 음향 임피던스는 수중 트랜스듀서로 사용하기 용이하게 했다. 동일한 압전판은 전기 발진기에 의해 진동하여 음향 펄스를 생성할 수 있었다. ^[3]

원시적인 수중청음기를 사용하여 탐지되고 침몰된 최초의 잠수함은 1916년 4월 23일의 독일 잠수함 UC-3였다. UC-3는 대잠수함 트롤선 체리오가 UC-3 바로 위에 있을 때 체리오에 의해 탐지되었으며, UC-3는 트롤선이 끄는 강철 그물에 걸려 큰 수중 폭발 후 침몰했다.^[4][5]

배플을 사용한 수중청음기 및 지향성 수중청음기.

전쟁 후반에 영국 해군본부는 U-보트에 대처하는 방법에 대해 자문하기 위해 과학자 패널을 뒤늦게 소집했다. 여기에는 호주 물리학자 윌리엄 헨리 브래그와 뉴질랜드 물리학자 어니스트 러더포드 경이 포함되었다. 그들은 잠수함을 듣기 위해 수중청음기를 사용하는 것이 가장 좋은 방법이라고 결론 내렸다. 러더포드의 연구는 수중청음기에 대한 그의 유일한 특허를 만들었다. 브래그는 1916년 7월에 주도권을 잡았고, 포스만의 호크크레이그에 있는 해군본부 수중청음기 연구소로 이동했다. ^[6]

과학자들은 두 가지 목표를 세웠다. 수중청음기를 운반하는 초계함에서 발생하는 소음에도 불구하고 잠수함을 들을 수 있는 수중청음기를 개발하고, 잠수함의 방위를 파악할 수 있는 수중청음기를 개발하는 것이었다. 양방향 수중청음기는 이스트 런던 칼리지에서 발명되었다. 그들은 원통형 케이스의 다이어프램 양쪽에 마이크를 장착했다. 양쪽 마이크에서 들리는 소리의 강도가 같을 때, 마이크는 음원과 일직선상에 있다. ^[7]

브래그의 실험실은 다이어프램 한쪽 면 앞에 배플을 장착하여 이러한 수중청음기를 지향성으로 만들었다. 효과적인 배플에는 공기층이 포함되어야 한다는 것을 발견하는 데 몇 달이 걸렸다. ^[8] 1918년, 영국 해군 항공대의 비행선은 대잠수함전에 참여하여 담근 수중청음기를 끌고 다니며 실험했다.^[9] 브래그는 포획된 독일 U-보트의 수중청음기를 테스트한 결과 영국 모델보다 성능이 떨어짐을 발견했다. 전쟁이 끝날 무렵, 영국은 38명의 수중청음기 장교와 200명의 자격을 갖춘 청취자를 보유했으며, 이들에게는 하루 4펜스가 추가로 지급되었다. ^[10]

제1차 세계 대전 후반부터 1920년대 초 능동 소나가 도입될 때까지 수중청음기는 잠수함이 잠수 상태에서 목표물을 탐지하는 유일한 방법이었으며, 오늘날에도 여전히 유용하다.

지향성 수중청음기

작은 단일 원통형 세라믹 트랜스듀서는 거의 완벽한 전방향 수신을 달성할 수 있다. 지향성 수중청음기는 두 가지 기본 기술을 사용하여 한 방향에서 감도를 높인다.

집중형 트랜스듀서

이 장치는 반사 망원경과 유사하게 신호를 집중시키기 위해 접시 모양 또는 원추형 음향 반사경과 함께 단일 트랜스듀서 요소를 사용한다. 이 유형의 수중청음기는 저비용 전방향 유형으로 생산될 수 있지만, 반사경이 물 속에서의 움직임을 방해하므로 고정된 상태에서 사용해야 한다. 새로운 지향 방법은 수중청음기 주위에 구형 몸체를 사용하는 것이다. 지향성 구체의 장점은 수중청음기가 물 속에서 움직일 수 있어 원추형 요소로 인한 간섭을 제거할 수 있다는 것이다.

배열

여러 개의 수중청음기를 배열로 배치하여 원하는 방향의 신호를 더하고 다른 방향의 신호를 뺄 수 있다. 배열은 빔포머를 사용하여 조향될 수 있다. 가장 일반적으로, 수중청음기는 "선형 배열"^[11]로 배열되지만, 측정되는 대상에 따라 다양한 배열이 가능하다. 예를 들어,^[12] 기사에서는 함선에서 발생하는 프로펠러 소음을 측정하기 위해 실행 가능한 측정값을 얻기 위해 복잡한 수중청음기 배열 시스템이 필요했다.

해저에 설치되고 수중 케이블로 연결된 SOSUS 수중청음기는 1950년대부터 미국 해군에 의해 냉전 기간 동안 그린란드, 아이슬란드, 영국을 잇는 GIUK 갭을 따라 소련 잠수함의 움직임을 추적하는 데 사용되었다.^[13] 이들은 초저주파 인프라사운드를 명확하게 기록할 수 있으며, 여기에는 설명할 수 없는 많은 해양 소리가 포함된다.

같이 보기

• 잠수함 통신
• 수진기
• 수중 음향학
• 소나
• 반사파 지진학