Un hidrófono ( griego antiguo : ὕδωρ + φωνή , literalmente '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 sonora.
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 sonora en el agua ejerce una presión 60 veces mayor que la ejercida por 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 impermeable, pero tendrá un rendimiento deficiente debido a la igualmente mala coincidencia de impedancia acústica.
Los primeros hidrófonos consistían en un tubo con una fina membrana que cubría el extremo sumergido y la oreja del observador en el otro extremo. [1] El diseño de hidrófonos eficaces debe tener en cuenta la resistencia acústica del agua, que es 3750 veces mayor que 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 en 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 mediante 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 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 válvulas de vacío ; la alta impedancia acústica de los materiales piezoeléctricos facilitó su uso como transductores submarinos. La misma placa piezoeléctrica podría hacerse vibrar mediante un oscilador eléctrico para producir 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 el Cheerio estaba directamente sobre el UC-3 ; El UC-3 quedó entonces atrapado en una red de acero arrastrada por el pesquero y se hundió tras una gran explosión submarina. [4] [5]
Más adelante en la guerra, el Almirantazgo británico convocó tardíamente 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 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 Firth of Forth . [6]
Los científicos se fijaron dos objetivos: desarrollar un hidrófono que pudiera oír un submarino a pesar del ruido generado por el barco patrulla que llevaba el hidrófono, y desarrollar un hidrófono que pudiera revelar el rumbo del submarino. En el East London College se inventó un hidrófono bidireccional . Montaron un micrófono a cada lado de un diafragma en una caja cilíndrica; Cuando los sonidos que se escuchan en ambos micrófonos tienen la misma intensidad, el micrófono está alineado con la fuente de sonido. [7]
El laboratorio de Bragg creó un hidrófono direccional montando un deflector delante de un lado del diafragma. Fueron necesarios meses para descubrir que los deflectores eficaces deben contener una capa de aire. [8] En 1918, los dirigibles del Royal Naval Air Service participaron en una guerra antisubmarina experimentada arrastrando 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 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 para que los submarinos detectaran objetivos mientras estaban sumergidos; siguen siendo útiles hoy.
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 forma similar a un telescopio reflector. Este tipo de hidrófono se puede producir a partir de un tipo omnidireccional de bajo costo, pero debe usarse en estado estacionario, 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, liberándolo de las interferencias producidas por un elemento de forma cónica.
Se pueden disponer varios hidrófonos en una matriz de modo que sumen las señales de la dirección deseada mientras restan señales de otras direcciones. La matriz puede dirigirse utilizando un formador de haz . Por lo general, los hidrófonos están dispuestos en una "matriz lineal" [11] , pero pueden estar en muchas disposiciones diferentes dependiendo de lo que se esté midiendo. A modo de ejemplo, en el artículo [12], medir el ruido de las hélices de los barcos de la flota requería sistemas complejos de conjuntos de hidrófonos para lograr mediciones procesables.
Los hidrófonos SOSUS , colocados en el lecho marino y conectados mediante 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 GIUK. brecha . [13] Estos son capaces de registrar claramente infrasonidos de frecuencia extremadamente baja , incluidos muchos sonidos oceánicos inexplicables .
