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Um hidrofone é um transdutor de som para electricidade para utilização na água ou outros líquidos que permite a escuta de sons debaixo de água. Este instrumento elétrico, construído com um transdutor piezoelétrico, capta vibrações sonoras transmitidas através da água ou outros líquidos reconhecendo um som ou ruído na forma de uma frequência. O equipamento registra essa frequência que, logo em seguida, é transformada em um sinal elétricohttp://www.o-que-e.com/o-que-e-um-hidrofone/.
Diferente de um equipamento de Sonar, um hidrofone irá funcionar somente como receptor e não irá emitir nenhum tipo de sinal quando encontrar algum tipo de objeto sólido. Em vários casos, o hidrofone é encapsulado em algum tipo de material que provenha proteção ao dispositivo, mas que também não interfira na recepção do áudio recebido e que suporte grandes profundidades.
Enquanto os dados são coletados, o hidrofone transmite informações para um painel de controle. Um software converte esse tipo de informação em gráficos e outras imagens que podem ser estudadas com mais detalhes mais tarde. Dependendo do intervalo e da frequência dos sinais captados pelo dispositivo, o resultado pode identificar uma área submarina que pretende ser estudada com mais detalhes.
Um aplicação do Hidrofone é monitorar a incidência de ecos que indiquem a presença de explosivos em alguma área imediata. Essa aplicação pode ajudar um navio de pesquisa a localizar velhas minas que precisam ser desativas, assim como é de suma importância em tempos de guerra para evitar a destruição do navio ou possíveis ataques submarinos causados pelo inimigohttp://www.wisegeek.com/what-is-a-hydrophone.htm.
Os hidrofones também são usados na exploração de petróleo, registros e localização de vazamentos em dutos subterrâneos, e também em fugas nas redes de abastecimento de água potável, além de estudos biológicos.
História
No final dos anos de 1800, o aumento do tráfico de navios levantou questões relativas à segurança de navegação por meio destes. Adicionalmente, as luzes brilhantes e sirenes emitidas dos faróis e barcos-faróis não conseguiam viajar longe o suficiente para avisar embarcações sobre os perigos de águas superficiais e pedras. Em 1889, a American Lighthouse Board mencionou uma alternativa de um sistema de sino e microfone submarino proposto por Lucien Blake. Em 1901, um grupo de cientistas que acreditavam que sons submarinos iriam prover os mais confiáveis avisos formaram a Companhia de Sinal Submarino (Submarine Signal Company) desenvolvendo equipamento para ser usado para aumentar a segurança de navegações; a Companhia pode ter, talvez, sido a primeira a aplicar o uso prático de sons submarinos: um sino submarino localizado embaixo de um barco-farol ou perto de um farol que podia ser detectada por receptores instalados em navios. O microfone carbônico desenvolvido por Thomas Edison e seus colaborados para os primeiros telefones foram instalados em um container à prova d'água, servindo como um hidrofone para captar o sinal dos sinos submarinos.
Infelizmente, esse tipo de hidrofone também captava sons marítimos que não eram desejados (incluindo sons da maquinaria do Navio, sons de ondas e de peixes) o que tornava muito difícil a identificação do som do sino. No meio de abril de 1912, a Companhia de Sinal Submarino pediu a assistência do Engenheiro Reginald A. Fressenden, para que ele pudesse redesenhar os hidrofones para que estes fossem capazes de filtrar sons não desejados. Fressenden sugeriu que as fontes (sinos) fossem aprimorados. Ele propôs trocar os sinos por mais fortes geradores de sons elétricos desenhados para produzir um tom audível para mandar os pontos e traços do Código Morse usando sinais acústicos. A Companhia de Sinal Submarino não estava interessada em desenvolver e aprimorar a fonte, então Fressenden concordou em desenvolver um hidrofone mais seletivo.
O desaste com o navio do RMS Titanic. em 14 de Abril de 1912, pode ter encorajado os cientistas. Após uma semana da trágica colisão do navio com um iceberg, L. R. Richardson preencheu uma patente para uma invenção que usava som e ecos de um objeto para determinar distâncias no ar. Essa técnica era chamada variação do eco. Um mês depois, ele preencheu uma patente de aplicação para fazer o mesmo embaixo da água. Entretanto, nesse momento, um receptor apropriado ainda não existia.
Para suprir o desejo da Companhia de Sinal Submarino e improvisar um hidrofone que cumprisse com o desejado, Fressenden desenvolveu um dispositivo para medir a variação de eco. Lembrando uma poderosa caixa de som submarina, ela produzia e detectava som e, mais tarde, foi chamada de Oscilador Fressenden, que foi considerado o primeiro hidrofone.http://www.dosits.org/people/history/early1900/
Mais tarde, Ernest Rutherford contribuiu muito no desenvolvimento de hidrofones piezoelétrico mais avançados.
Oscilador Fressenden
O Oscilador Fressenden permitia embarcações mandarem sinais telegráficos e emitir uma variação de eco submarina. O Oscilador provou ser a primeira forma prática de um sonar em navios, e a sua tecnologia de base permanece em uso nas modernas embarcações para medir profundidade e distância de objetos submersos. Em meados de 1930, todos os submarinos usavam sistemas telegráficos baseados no Oscilador Fressenden.
Funcionamento
O oscilador Fressenden não gera um pulso repetitivo; na verdade, ele era similar a um microfone ou a uma caixa de som em design. Este fazia contato com a água através de uma prato circular de metal. O prato era acoplado em um tubo de cobre, que ligava ao gap circular de um sistema de ímãs. Estes ímãs puxavam uma corrente DC e uma corrente AC. Eles usavam a corrente DC para criar um campo magnético polarizado com um gap circular que implantava a corrente AC para induzir correntes do tubo de cobre. Uma força era gerada enquanto as correntes induzidas no tubo de cobre faziam um campo magnético que reagia contra o campo de polarização do gap circular.
Esta força criava vibrações acústicas na água. Barcos podiam usar o oscilador para mandar sinais em Código Morse através de meios submarinos. Mas isso também era reversível. A corrente AC pode ser conectada a um fone, permitindo ao ouvinte ouvir sons e ecos submarinos. o Oscilador Fressenden foi capaz de detectar ecos de icebergs até duas milhas de distância, ele era capaz de detectar frequências por volta de 1kHz, e pôde também, algumas vezes, ouvir o eco do fundo do marhttp://ethw.org/Fessenden%27s_underwater_ice_finder.
Aplicações
Durante a Primeira Guerra Mundial o Oscilador Fressenden foi usado na detecção de submarinos, porém, foi operando em baixas frequências (por volta de 1kH) que o Oscilador tornou-se apropriado para detectar alvos menores. Em épocas de paz, o Oscilador foi usado para medir profundidades.
Princípio Básico de Funcionamento de um Hidrofone
Um hidrofone consiste em um invólucro semi-rígido e um eletrodo que funciona como sensor para coletar informações acústicas na forma de sinais eletrônicos. A maioria dos hidrofones usam um sensores piezoelétricos.
O que está por trás de um hidrofone é um dispositivo ou material piezoelétrico (comumente). O efeito piezoelétrico ocorre naturalmente em um material onde as dimensões físicas dependem da aplicação de pressão e que acaba por produzir um campo elétrico, ou seja, o efeito piezoelétrico nada mais é do que um material que emite uma voltagem elétrica depois de um estresse mecânico. O efeito piezoelétrico é também reversível teoricamente e em, praticamente, muitas ocasiões. Esse efeito pode ser alcançado usando mecanicamente uma série de componentes. Entretanto, em materiais com natureza piezoelétrica o efeito ocorre quando o material consiste em inúmeros dipolos elétricos. Um estresse pode causar a deformação do material e a reorientação dos dipolos induzindo uma carga entre os eletrodos. Muitos materiais piezoelétricos (não naturais) são, por exemplo, cerâmicas de zirconato de titânio (Pb(Zr,Ti)O3) (chamada de PZT, que é a mais utilizada em hidrofones), titanato de bário (BaTiO3) e nióbio de lítio (LiNbO3). Algumas cerâmicas PZT podem ser dopadas para melhores propriedades piezoelétricas.
O seu princípio de operação é o seguinte: uma onda acústica e se choca com a parede onde está envolvido o hidrofone, isso resulta numa mudança de pressão nos pratos de cerâmica criando, assim, através do efeito piezoelétrico, um sinal elétrico. Esse sinal elétrico é então coletado e analisado na ordem de extrair informações possíveis sobre este impulso.
Um amplificador eletrônico pode suplementar o dispositivo. Este amplifica o sinal recebido e então aumenta a ocorrência de medidas. Adicionalmente, um conversor analógico-digital é necessário para converter o sinal gravado pelo hidrofone (analógico) em um sinal que pode ser processado e armazenado em um computador (digital).
A qualidade da transcrição dos sons depende das características e qualidade do hidrofone, mas, também, e, principalmente, da localização do hidrofone em relação à fonte e das condições das informações gravadas. Hoje em dia, os hidrofones operam em frequências ultrassônicas bem acima do que o ouvido humano é capaz de detectar (chegando a ordem de centenas de MHz, dependendo do hidrofone)http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=1192575&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D1192575http://urrg.eng.usm.my/index.php?option=com_content&view=article&id=69:hydophone-designs-and-principle&catid=31:articles&Itemid=70.
Outros tipos de hidrofone
Hidrofones magnéticos
Em materiais ferromagnéticos, a adição de diferentes momentos magnéticos de spin cria um campo elétrico (e, também, algumas forças de interação). A direção desses momentos é randômica. Quando o material é submetido a um campo magnético, esse momentos tendem a se alinhar com a direção do campo magnético e darão à luz a um grande momento magnético no material. A força de interação associada causará a deformação do material (ou estresse mecânico), que resultará no efeito já explicado anteriormente.
Um hidrofone magnético compreende uma interface acústica e um circuito elétrico. Os sons captados exercem uma ação mecânica na interface do dispositivo magnetostático, o que causa uma mudança na sua geometria. Essa deformação causa uma variação no fluxo magnético que induz a uma variação de voltagem no circuito elétrico.
Por seu princípio reversor, também pode ser usado como um transmissor (uma variação de voltagem induz uma mudança de geometria que cria uma onda acústica). Este tipo de hidrofone já foi muito usado, por chegar a uma frequência ultrassônica de 1MHzhttp://arxiv.org/pdf/1402.2578.pdf, porém, hoje em dia, foi trocado pelo uso de transdutores piezoelétricos que alcançam maiores frequênciashttp://arxiv.org/pdf/1207.0324.pdf.
Hidrofones de fibra ótica
O protótipo com fibra ótica é baseado no uso de duas fibras óticas. O estresse e pressão causados do lado de fora do hidrofone mudam a geometria da primeira fibra. A onda de luz de saída da segunda fibra terá um delay comparada com a onda de luz de saída da primeira fibra (por causa de sua deformação). É este delay que será medido e que converterá o sinal acústico em um sinal elétrico. Uma das maiores preocupações desse modelo era maximizar a Relação sinal-ruído, para isso, fibras ópticas mais largas forma usadas para melhorar esse tipo de problema. Esse tipo de hidrofone ainda está sob desenvolvimento mais parece ser promissor para o futuro por sua flexibilidade e boa sensibilidade, chegando até próximo de 50MHzhttp://www.emeraldinsight.com/doi/pdfplus/10.1108/eb007722.
Hidrofone ultrassônico com piezoeletreto polimérico