Мини-гидрофон: доступное решение для подводных исследований

Исследователи из MIT Lincoln Laboratory представили инновационный гидрофон, созданный на основе доступного MEMS-микрофона. Новая разработка превосходит существующие аналоги по компактности и стоимости, сохраняя при этом сопоставимую или даже улучшенную чувствительность. Это открывает широкие перспективы применения в военно-морском флоте, промышленности и научных исследованиях.

«Мы были удивлены, что этот подход не был реализован ранее, учитывая большой интерес ВМС США к недорогим гидрофонам, — отмечает Дэниел Фримен, руководитель проекта. — Гидрофоны играют ключевую роль в подводном акустическом мониторинге на различных платформах. Нашей задачей было доказать, что можно создать компактное и экономичное устройство без потери производительности».

Гидрофон, по сути, является подводным микрофоном, преобразующим звуковые волны в электрические сигналы. Эти сигналы затем анализируются, предоставляя ценную информацию о подводной среде. MEMS-устройства (микроэлектромеханические системы) — это миниатюрные системы с движущимися частями, используемые в различных датчиках, включая микрофоны, гироскопы и акселерометры. Их компактность уже сделала их незаменимыми во многих областях, от смартфонов до медицинской техники. Однако, поскольку коммерчески доступные гидрофоны на основе MEMS-технологии до сих пор отсутствовали, команда решила проверить возможность такой разработки.

Первоначальный план команды заключался в использовании микроэлектроники, которой лаборатория обладает как своим основным направлением. Однако этот подход оказался слишком дорогим и сложным. Поэтому команда пересмотрела стратегию и решила построить гидрофон на базе уже существующего MEMS-микрофона. «Нам нужно было найти недорогое решение, которое не ухудшит характеристики, и это привело нас к идее использовать микрофон в качестве основы, что, насколько нам известно, является новым подходом», — пояснил Фримен.

В сотрудничестве с учеными из Университета Тафтса и представителями компаний SeaLandAire Technologies и Navmar Applied Sciences Corp., команда создала гидрофон, заключив MEMS-микрофон в полимер с низкой проницаемостью для воды. При этом вокруг диафрагмы микрофона оставалась воздушная полость. Основной проблемой было минимизировать потери сигнала из-за упаковки и воздушной полости. После многочисленных симуляций, доработок дизайна и испытаний, команда обнаружила, что высокая чувствительность самого MEMS-микрофона компенсировала потери сигнала, связанные с использованием воздушной полости.

В июле этого года восемь исследователей отправились на озеро Сенека в Нью-Йорке для тестирования различных устройств. Гидрофоны погружали на глубину до 120 метров. На каждой глубине передавались акустические сигналы различной частоты для записи прибором. Переданные сигналы были откалиброваны, что позволило измерить реальную чувствительность гидрофонов в разных частотных диапазонах. Звуковые волны, воздействуя на диафрагму гидрофона, генерировали электрический сигнал, который усиливался, оцифровывался и передавался на записывающее устройство для последующего анализа. Для тестов использовались как стандартные подводные кабели, так и оптоволоконные сенсорные системы лаборатории.

«Это было наше первое полевое испытание на большой глубине, поэтому оно стало важной вехой, продемонстрировавшей способность работать в реальных условиях, а не только в лабораторных камерах, — поделился Фримен. — Мы надеялись, что характеристики нашего устройства будут соответствовать результатам, полученным в водном резервуаре, где мы проводили испытания под высоким гидростатическим давлением в различных частотных диапазонах. Другими словами, мы ожидали, что эти тесты подтвердят наши прогнозы, основанные на лабораторных данных».

Результаты испытаний превзошли ожидания: чувствительность и соотношение сигнал/шум устройства оказались в пределах нескольких децибел от уровня «море ноль» (sea state zero) — самого тихого состояния океана. Примечательно, что такие показатели были достигнуты на глубине 120 метров и при температуре воды около 4°C.

Прототип гидрофона благодаря своему компактному размеру, низкому энергопотреблению и доступной стоимости имеет потенциал для широкого применения как в коммерческих, так и в военных целях. «Мы ведем переговоры с Министерством обороны о внедрении этой технологии в государственные и промышленные структуры США, — сообщил Фримен. — Хотя есть еще возможности для оптимизации дизайна, мы уверены, что продемонстрировали надежность, высокую производительность и очень низкую стоимость этого гидрофона».