Un hidrófono ( griego antiguo : ὕδωρ + φωνή , lit. 'agua + sonido') es un micrófono diseñado para uso submarino, para grabar o escuchar sonido submarino. La mayoría de los hidrófonos contienen un transductor piezoeléctrico que genera un potencial eléctrico cuando se somete a un cambio de presión, como una onda sonora.
Un hidrófono también puede detectar sonidos transmitidos por el aire, pero no es sensible a ellos porque está diseñado para adaptarse a 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 sonora 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 puede enterrarse en el suelo o sumergirse en agua si se coloca en un recipiente impermeable, pero su rendimiento será deficiente debido a la adaptación de la impedancia acústica, que es igualmente deficiente.
Los primeros hidrófonos consistían en un tubo con una fina membrana que cubría el extremo sumergido y el oído del observador del equipo. [1] El diseño de hidrófonos eficaces debe tener en cuenta la resistencia acústica del agua, que es 3750 veces la del aire, por lo que la presión ejercida por una onda de la misma intensidad en el aire se incrementa en un factor de 3750 en el agua. La American Submarine Signaling Company desarrolló un hidrófono para detectar campanas submarinas que sonaban desde faros y barcos faro. [2] La caja era un disco de latón hueco y grueso 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 por una varilla corta de latón a un micrófono de carbono .
Al principio de la guerra, el presidente francés Raymond Poincaré proporcionó a Paul Langevin las instalaciones necesarias para trabajar en un método de localización de 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 podía vibrar mediante un oscilador eléctrico para producir los pulsos de sonido. [3]
El primer submarino detectado y hundido utilizando un hidrófono primitivo fue el submarino alemán UC-3 el 23 de abril de 1916. El UC-3 fue detectado por el arrastrero antisubmarino Cheerio cuando este se encontraba 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. [4] [5]
Más tarde, durante la guerra, el Almirantazgo británico convocó tardíamente un grupo científico para que asesorara sobre cómo combatir a los submarinos. En él estaban el físico australiano William Henry Bragg y el físico neozelandés Sir Ernest Rutherford . Llegaron a la conclusión de que la mejor esperanza era utilizar hidrófonos para escuchar a los submarinos. La investigación de Rutherford produjo su única patente para un hidrófono. Bragg tomó la iniciativa en julio de 1916 y se trasladó al establecimiento de investigación de hidrófonos del Almirantazgo en Hawkcraig , en el estuario de Forth . [6]
Los científicos se fijaron dos objetivos: desarrollar un hidrófono que pudiera oír a un submarino a pesar del ruido generado por el barco de patrulla que lo transportaba, y desarrollar un hidrófono que pudiera revelar la orientación del submarino. Un hidrófono bidireccional fue inventado 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 en línea con la fuente de sonido. [7]
El laboratorio de Bragg fabricó un hidrófono direccional de este tipo montando un deflector delante de un lado del diafragma. Se necesitaron meses para descubrir que los deflectores eficaces deben contener una capa de aire. [8] En 1918, los dirigibles del Servicio Aéreo Naval Real que participaban en la guerra antisubmarina experimentaron con hidrófonos sumergidos. [9] 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 de hidrófonos y 200 oyentes calificados, a los que se les pagaba 4 d adicionales por día. [10]
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 que tenían los submarinos para detectar objetivos mientras estaban sumergidos; siguen siendo útiles hoy en día.
Un pequeño transductor cerámico cilíndrico puede lograr una recepción omnidireccional casi perfecta. Los hidrófonos direccionales aumentan la sensibilidad desde una dirección mediante dos técnicas básicas:
Este dispositivo utiliza un único elemento transductor con un plato o reflector de sonido de forma cónica para enfocar las señales, de manera similar a un telescopio reflector. Este tipo de hidrófono se puede fabricar a partir de un tipo omnidireccional de bajo costo, pero debe usarse en posición estacionaria, ya que el reflector impide su movimiento a través del agua. Una nueva forma de dirigir es utilizar un cuerpo esférico alrededor del hidrófono. La ventaja de las esferas de directividad es que el hidrófono se puede mover dentro del agua, lo que lo libera de las interferencias producidas por un elemento de forma cónica.
Se pueden disponer varios hidrófonos en una matriz de modo que se sumen las señales de la dirección deseada y se resten las señales de otras direcciones. La matriz se puede dirigir utilizando un conformador de haz . Lo más habitual es que los hidrófonos se dispongan en una "matriz lineal" [11], pero pueden estar en muchas disposiciones diferentes según lo que se esté midiendo. Como ejemplo, en el artículo [12], la medición del ruido de las hélices de los barcos de la flota requirió sistemas complejos de matrices de hidrófonos para lograr mediciones procesables.
Los hidrófonos SOSUS , colocados en el fondo del mar 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 . [13] Estos son capaces de registrar claramente infrasonidos de frecuencia extremadamente baja , incluidos muchos sonidos oceánicos inexplicables .
