Hydrophone: đầu thu sóng trong nước

Hydrophone (tiếng Hy Lạp cổ: ὕδωρ = nước và φωνή = âm thanh), đầu thu sóng trong nước, đầu thu sóng áp điện hay đầu thu gốm là loại cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, biến đổi áp suất trong chất lỏng thành tín hiệu điện.

Các đầu thu chuyển sóng áp suất (sóng dọc) sang điện áp, và dùng cho thu sóng trong môi trường nước nên gọi là Hydrophone, dẫu vậy nó làm việc trong mọi chất lỏng.

Các cảm biến áp điện (Piezoelectric sensor) có thể làm việc trong môi trường chất lỏng như một hydrophone.

Nguyên lý hoạt động

Hiệu ứng áp điện là hiệu ứng thuận nghịch, xảy ra trong một số chất rắn như thạch anh, gốm kỹ thuật,… Khi đặt dưới áp lực thì bề mặt khối chất rắn phát sinh điện tích, và ngược lại nếu tích điện bề mặt thì khối sẽ nén dãn. Hiệu ứng có mức cực đại ở các phương cắt xác định cho mảnh cắt từ tinh thể chất rắn đó, và trong nhiều loại vật liệu thì phương cắt này là góc 45° so với trục chính của tinh thể.

Hiệu ứng áp điện được áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử, như chế các cảm biến điện áp, thanh trễ, linh kiện thạch anh để lọc và ổn định tần số, loa gốm, micro, đầu đánh lửa trong bếp ga hay bật lửa,…

Trong kỹ thuật thu phát sóng thường dùng mảnh cắt tinh thể gốm titanat bari (X-tal) và gắn điện cực (electrode) nối tới đầu ra (output). Trở kháng ra của đầu gốm cao, nên phải có tiền khuếch đại tại đầu thu trong cáp. Đầu thu này không có tính hướng.

Các đầu phát sóng, thường là phát siêu âm, thì được gia công thích hợp cho phát sóng.

Sử dụng

Các Sonar thu sóng đơn kênh thì dùng loại được bọc vỏ kim loại.

Các Sonar thu chùm, và các quan sát địa chấn trên vùng nước (sông hồ biển) thì thu đa kênh. Khi đó đầu thu được ghép thành cáp đo, đặt trong ống nhựa polyurethane chứa dầu khoáng và được chỉnh tỷ trọng sao cho khi kéo theo tàu đo thì nó trôi nổi dưới mặt nước như con lươn (tiếng Anh: Eel Cable) hay con rắn (tiếng Đức: Schlange, tiếng Nga: Шланговый). Ví dụ Geometrics MicroEel Analog Seismic Solid Streamer có số kênh từ 1 đến 24. Geometrics còn chế cả loại đặt luôn khối số hóa trong cáp thu trên biển, truyền số liệu về máy tính trung tâm, như Digital Marine Streamer System DMS-1. Địa chấn phản xạ trên biển luôn phải thực hiện với hệ thống cáp đo này.

Đầu thu hydrophone cũng được chế thành cáp thu hố khoan đa kênh như Geometrics Downhole Hydrophone Array Model DHA-7.^[5] Cáp thu hố khoan đa kênh được dùng tốt cho đo Địa chấn chiếu sóng.

Ghép nhóm và đặc tính hướng

Trong sử dụng các đầu thu sóng thường được ghép thành nhóm, nối song song hoặc nối tiếp. Trường hợp hay sử dụng là ghép nhóm dọc N đầu thu đặt cách nhau khoảng đều Δx.

Tín hiệu tổng cộng, được khảo sát trong miền phổ theo biến đổi Fourier sẽ cho thấy rõ các hướng sóng truyền đến được cộng đồng pha hay cộng trái pha.

Cộng đồng pha xảy ra khi sóng đến từ hướng vuông góc với trục nhóm, và trong thực tế là ứng với các sóng phản xạ từ dưới sâu.

Khi khoảng Δx phù hợp, thì sóng đến dọc theo trục nhóm sẽ bị triệt giảm. Điều này được ứng dụng để triệt sóng trực tiếp từ nguồn sóng, hoặc các nhiễu sóng mặt trong địa chấn phản xạ, đặc biệt là Địa chấn nông phân giải cao.

Các hydrophone định hướng

Một đầu dò gốm hình trụ đơn nhỏ có thể đạt được khả năng tiếp nhận đa hướng gần như hoàn hảo. Micrô định hướng tăng độ nhạy từ một hướng bằng cách sử dụng hai kỹ thuật cơ bản:

Đầu dò tập trung

Thiết bị này sử dụng một phần tử đầu dò duy nhất với một đĩa hoặc bộ phản xạ âm thanh hình nón để tập trung tín hiệu, theo cách tương tự như kính thiên văn phản xạ. Loại hydrophone này có thể được sản xuất từ ​​loại đa hướng chi phí thấp, nhưng phải được sử dụng khi đứng yên, vì gương phản xạ cản trở chuyển động của nó trong nước. Một cách mới để định hướng là sử dụng một thân hình cầu xung quanh hydrophone. Ưu điểm của quả cầu định hướng là hydrophone có thể di chuyển trong nước, loại bỏ nó khỏi các vật cản tạo ra bởi một phần tử hình nón.

Mảng

Nhiều hydrophone có thể được sắp xếp trong một mảng để nó sẽ thêm tín hiệu từ hướng mong muốn đồng thời trừ tín hiệu từ các hướng khác. Mảng có thể được định hướng bằng cách sử dụng bộ định dạng chùm . Thông thường nhất, các hydrophone được sắp xếp trong một “mảng dòng” ^[11] nhưng có thể theo nhiều cách sắp xếp khác nhau tùy thuộc vào những gì đang được đo. Ví dụ, trong bài báo ^[12] đo tiếng ồn của chân vịt từ các tàu của hạm đội đòi hỏi hệ thống mảng thủy âm phức tạp để đạt được các phép đo có thể thực hiện được.

Hải quân Hoa Kỳ đã sử dụng các thiết bị thủy âm SOSUS dưới đáy biển và được kết nối bằng cáp dưới nước, bắt đầu từ những năm 1950 để theo dõi chuyển động của các tàu ngầm Liên Xô trong Chiến tranh Lạnh dọc theo một tuyến từ Greenland , Iceland và Vương quốc Anh được gọi là GIUK khoảng trống . Chúng có khả năng ghi lại rõ ràng sóng hạ âm tần số cực thấp , bao gồm nhiều âm thanh đại dương không giải thích được .