Hidrófono

Un hidrófono (griego antiguo: ὕδωρ + φωνή, lit. 'agua + sonido') es un micrófono diseñado para usarse bajo el agua para grabar o escuchar sonido bajo el agua. La mayoría de los hidrófonos se basan en un transductor piezoeléctrico que genera un potencial eléctrico cuando se somete a un cambio de presión, como una onda de sonido. Algunos transductores piezoeléctricos también pueden servir como proyectores de sonido, pero no todos tienen esta capacidad y algunos pueden destruirse si se usan de esa manera.

Un hidrófono puede detectar sonidos en el aire, pero será insensible porque está diseñado para igualar la impedancia acústica del agua, un fluido más denso que el aire. El sonido viaja 4,3 veces más rápido en el agua que en el aire, y una onda de sonido en el agua ejerce una presión 60 veces mayor que la que ejerce una onda de la misma amplitud en el aire. De manera similar, un micrófono estándar se puede enterrar en el suelo o sumergir en agua si se coloca en un recipiente a prueba de agua, pero tendrá un rendimiento deficiente debido a la igualación de impedancia acústica igualmente mala.

Historia

Un hidrofono bajado al Atlántico Norte

Los primeros hidrófonos consistían en un tubo con una membrana delgada que cubría el extremo sumergido y el oído del observador en el otro extremo. El diseño de hidrófonos eficaces debe tener en cuenta la resistencia acústica del agua, que es 3750 veces la del aire; por tanto, la presión ejercida por una onda de la misma intensidad en el aire aumenta en un factor de 3750 en el agua. La American Submarine Signaling Company desarrolló un hidrófono para detectar campanas submarinas que suenan desde faros y barcos faro. La caja era un disco de latón grueso y hueco de 35 centímetros (14 pulgadas) de diámetro. En una cara había un diafragma de latón de 1 milímetro (0,039 pulgadas) de espesor que estaba acoplado mediante una varilla corta de latón a un micrófono de carbono.

Primera Guerra Mundial

Al principio de la guerra, el presidente francés Raymond Poincaré proporcionó a Paul Langevin las instalaciones necesarias para trabajar en un método para localizar submarinos mediante los ecos de los pulsos de sonido. Desarrollaron un hidrófono piezoeléctrico aumentando la potencia de la señal con un amplificador de tubo de vacío; la alta impedancia acústica de los materiales piezoeléctricos facilitó su uso como transductores submarinos. La misma placa piezoeléctrica podría vibrar mediante un oscilador eléctrico para producir los pulsos de sonido.

El primer submarino en ser detectado y hundido utilizando un hidrófono primitivo fue el submarino alemán UC-3 el 23 de abril de 1916. UC-3 fue detectado por el anti- arrastrero submarino Cheerio ya que el Cheerio estaba directamente sobre el UC-3; el UC-3 quedó atrapado en una red de acero arrastrada por el arrastrero y se hundió después de una gran explosión submarina.

Hidrofones e hidrofonos direccionales usando un baffle.

Más adelante en la guerra, el Almirantazgo británico convocó tardíamente a un panel científico para asesorar sobre cómo combatir los submarinos. Incluía al físico australiano William Henry Bragg y al físico neozelandés Sir Ernest Rutherford. Llegaron a la conclusión de que la mejor esperanza era usar hidrófonos para escuchar submarinos. La investigación de Rutherford produjo su única patente para un hidrófono. Bragg tomó la iniciativa en julio de 1916 y se mudó al establecimiento de investigación de hidrófonos del Almirantazgo en Hawkcraig en el Firth of Forth.

Los científicos establecieron dos objetivos: desarrollar un hidrófono que pudiera escuchar un submarino a pesar del ruido generado por el barco patrullero que transportaba el hidrófono, y desarrollar un hidrófono que pudiera revelar el rumbo del submarino. Se inventó un hidrófono bidireccional en el East London College. Montaron un micrófono a cada lado de un diafragma en una caja cilíndrica; cuando los sonidos que se escuchan desde ambos micrófonos tienen la misma intensidad, el micrófono está alineado con la fuente de sonido.

El laboratorio de Bragg fabricó un hidrófono direccional montando un deflector delante de un lado del diafragma. Llevó meses descubrir que los deflectores efectivos deben contener una capa de aire. En 1918, las aeronaves del Servicio Aéreo Naval Real participaron en la guerra antisubmarina experimentaron con hidrófonos sumergidos. Bragg probó un hidrófono de un submarino alemán capturado y lo encontró inferior a los modelos británicos. Al final de la guerra, los británicos tenían 38 oficiales hidrófonos y 200 oyentes calificados, pagados 4d adicionales por día.

Desde finales de la Primera Guerra Mundial hasta la introducción del sonar activo a principios de la década de 1920, los hidrófonos fueron el único método para que los submarinos detectaran objetivos mientras estaban sumergidos; siguen siendo útiles hoy.

Hidrófonos direccionales

Un pequeño transductor cerámico cilíndrico único puede lograr una recepción omnidireccional casi perfecta. Los hidrófonos direccionales aumentan la sensibilidad desde una dirección utilizando dos técnicas básicas:

Transductores enfocados

Este dispositivo utiliza un solo elemento transductor con un plato o un reflector de sonido de forma cónica para enfocar las señales, de manera similar a un telescopio reflector. Este tipo de hidrófono se puede producir a partir de un tipo omnidireccional de bajo costo, pero debe usarse mientras está estacionario, ya que el reflector impide su movimiento a través del agua. Una nueva forma de dirigir es usar un cuerpo esférico alrededor del hidrófono. La ventaja de las esferas de directividad es que el hidrófono se puede mover dentro del agua, liberándola de las interferencias producidas por un elemento de forma cónica.

Arreglos

Se pueden organizar múltiples hidrófonos en una matriz para que agregue las señales de la dirección deseada mientras resta las señales de otras direcciones. La matriz se puede dirigir utilizando un formador de haces. Por lo general, los hidrófonos se organizan en una "matriz en línea" pero puede estar en muchos arreglos diferentes dependiendo de lo que se esté midiendo. Como ejemplo, en el artículo, la medición del ruido de las hélices de los barcos de la flota requería complejos sistemas de conjuntos de hidrófonos para lograr mediciones procesables.

Los hidrófonos SOSUS, colocados en el lecho marino y conectados por cables submarinos, fueron utilizados, a partir de la década de 1950, por la Marina de los EE. UU. para rastrear el movimiento de los submarinos soviéticos durante la Guerra Fría a lo largo de una línea desde Groenlandia, Islandia y el Reino Unido conocida como la brecha GIUK. Estos son capaces de registrar claramente infrasonidos de frecuencia extremadamente baja, incluidos muchos sonidos oceánicos inexplicables.