hydrophone

ทวีเกียรติ อิ ่มสำราญ
สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศไทย
ศูนย์ทดสอบและมาตรวิทยา นิคมอุตสาหกรรมบางปู
ซอย 1 ถนนสุขุมวิท อำเภอเมือง จังหวัดสมุทรปราการ 10280
ไฮโดรโฟน (hydrophone) คือ
อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่แปลงพลังงานเสียง
ไปเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยใช้งานผ่าน
ตัวกลางที่เป็นน้ำ (หรือของเหลวบาง
ชนิดที ่ผู ้ผลิตกำหนด) โดยเริ ่มประมาณ
สงครามโลกครั้งที่ 1 ได้มีการพัฒนา
ระบบการตรวจรับเสียงใต้น้ำเพื่อใช้
ในการเดินเรือของเรือดำน้ำ ในปี ค.ศ.
1912 Alexander Belm ได้นำเสนอ
เครื ่องมือที ่มีชื ่อว่า Underwater echosounding
และ Lewis Richardson
ได้สร้างระบบโซนาร์ (sonar) ที่ยังไม่
ค่อยสมบูรณ์นัก มีชื่อว่า Underwater
ranging sonar ต่อมาในปี ค.ศ.1914
Reginald Fessenden ได้สร้างระบบ
โซนาร์ ที่สามารถใช้งานได้จริง โดย
ระบบที่สร้างขึ้นใช้ Electromagnetic
moving coil oscillator เป็นตัวกำเนิด
สัญญาณความถี่ต่ำ ซึ่งเครื่องมือนี้มี
ความสามารถในการตรวจจับภูเขาน้ำแข็ง
ที่อยู่ลึกไป 2 ไมล์ได้ แต่ตำแหน่งที่วัด
ได้ยังไม่ค่อยถูกต้องนัก
ต่อมา Paul Langvin และ
Constantin Chilowsky ได้สร้างเครื่อง
มือที ่พวกเขาตั ้งชื ่อว่า ไฮโดรโฟน (hydrophone)
โดยทำมาจากแผ่นของ
ผลึกควอตซ์ นำไปติดบนแผ่นเหล็ก 2
แผ่น
ในระบบการวัดใต้น้ำนั้นจะ
สามารถแบ่งตัวทรานส์ดิวเซอร์ (transducer)
ออกเป็น 3 ชนิดตามการใช้
งานดังนี้คือ
1. ไฮโดรโฟน (hydrophone)
หมายถึง อุปกรณ์ (transducer) ที่ทำ
หน้าที่ในการรับสัญญาณใต้น้ำ
2. โพรเจกเตอร์ (projector)
หมายถึง อุปกรณ์ (transducer) ที่ทำ
หน้าที่ในการส่งสัญญาณใต้น้ำ
3. รีซิปโพรคัลทรานส์ดิว-
เซอร์ (reciprocal transducer) หมายถึง
อุปกรณ์ (transducer) ที่สามารถทำ
หน้าที ่ในการรับ และการส่งสัญญาณใต้น้ำ
⌫

รูปร่างของไฮโดรโฟน
ไฮโดรโฟนมีหลายลักษณะ
แล้วแต่การใช้งานดังรูป ต่อไปนี้
Rubber เป็นส่วนที่ป้องกันน้ำให้กับ
Piezoelectric
3. Preamplifier ทำหน้าที่
ขยายสัญญาณ
วัสดุที่ใช้ทำไฮโดรโฟน
ไฮโดรโฟนมีหลายชนิด แต่
โดยมากแล้ว ไฮโดรโฟนจะทำมาจาก
วัสดุพวกเพียโซอิเล็กทริกส์ สารพวก
พอลิเมอร์, เซรามิก หรือน้ำ จะเป็น
โพลาไรซ์ คือ บางส่วนของโมเลกุลจะเป็น
ขั ้วบวก ในขณะที ่อีกส่วนของโมเลกุลจะ
เป็นขั้วลบ เมื่อทำการป้อนสนามไฟฟ้า
เข้าไปในวัสดุประเภทนี ้ จะทำให้โมเลกุล
จัดเรียงตัวตามทิศทางของสนามไฟฟ้า
ทำให้เกิดไดโพล (dipole) ขึ้นภายใน
โมเลกุล หรือผลึก (crystal) ขึ ้นภายใน
เนื้อสารนั้นๆ
วัสดุพวกเพียโซอิเล็กทริกส์
เช่น ควอตซ์, X-Cut, Tourmaline, Z-
Cut, Lithium Sulphate, Barium
litanate, Lead Zirconate Titanate
(PZT-5), Lead Meta-Niobate,
Polyvinylidene fluoride (PVDF)
ณสมบัติที่สำคัญๆ
คุณสมบัติที่สำคัญๆ
โครงสร้างของไฮโดรโฟน
ดังนี้คือ
จะประกอบด้วยส่วนสำคัญๆ
สารเพียโซอิเล็กทริกส์ (piezoelectric
material) คือ สารพวก
ควอตซ์ (SiO 3
) หรือแบเรียมไททาเนต
(Barium titanate) (BaTiO 3
) ที ่สามารถ
สร้างสนามไฟฟ้าจากการเปลี่ยนแปลง
ขนาด เนื่องจากการได้รับแรงกด ซึ่ง
ปรากฏการณ์นี้จะเรียกว่า ปรากฏ-
การณ์เพียโซอิเล็กทริกส์ (piezoelectric
effect) ในทางกลับกันถ้าให้สนาม
ไฟฟ้าแก่สารเพียโซอิเล็กทริกส์ก็จะทำ
ให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนาด
- frequency response จะบอกถึงช่วง
ความถี่ที่ใช้งาน
1. Piezoelectric ส่วนนี ้จะทำ
หน้าที่ในการเปลี่ยนพลังงานเสียงไป
เป็นสัญญาณทางไฟฟ้า
2. Bounded Chloroprene
- directivity patterns จะบอกถึงทิศ
ทางในการใช้งาน
⌫

วิธีการสอบเทียบ
วิธีการสอบเทียบมีหลายวิธี โดยแต่ละวิธีใช้ข้อจำกัดที่ความถี่ไม่เท่ากัน และความถูกต้องไม่เท่ากัน สำหรับ
ตัวอย่างที่รวบรวมมามีดังนี้คือ
IEC 565:1997 Specification for the calibration of Hydrophones
1. Free-Field Reciprocity Calibration (1kHz-1 MHz) (Accuracy better than ± 1 dB)
2. Free-Field Calibration by Comparison (100Hz-1MHz) (Accuracy better than ± 1 dB)
3. Compensation in closed chamber
3.1 An Electrodynamic Compensation (0.1Hz-1kHz) (Accuracy better than ± 0.5 dB)
3.2 A Piezoelectric Compensation (1Hz-5kHz) (Accuracy better than ± 0.3 dB)
4. Calibration With a pistonphone (1Hz-50Hz) (Accuracy better than ± 1 dB)
5. Calibration With a vibrating column (10Hz-3kHz) (Accuracy better than ± 1 dB)
IEC 866:1987 Specification for Characteristics and calibration of hydrophones for operation in the
frequency range 0.5 MHz to 15 MHz (medical diagnosis 0.5 MHz-15 MHz)
1. Reciprocity techniques
1.1 Three transducer reciprocity technique
1.2 Self reciprocity
1.3 Two transducer (Accuracy better than ± 1.5 dB)
IEC 62092 : First Edition 2001 Ultrasonc-Hydrophone-Characteristics and calibration in the frequency
Fange from 15 MHz to 40 MHz (medical diagnosis 15 MHz-40 MHz)
1. Magnomic or non-linear propagation base method
2. Optical interferometry
3. Time delay spectrometry
4. Calibration using non-linear KZK wave modelling
IEC 61101:Planar scaning 15 MHz-21 MHz
การใช้งาน
ในที่นี้ขอยกตัวอย่างพอสังเขป
ดังนี้คือ
1. ใช้ศึกษาสิ่งมีชีวิตในทะเล
โดยการฟังเสียงของสัตว์ เช่น โลมา
หรือวาฬ ที่ใช้เสียงในการสื่อสาร, เดิน
ทาง และหาอาหาร
⌫

2. ใช้ในระบบโซนาร์ (sonar)
ซึ่งสามารถแบ่งย่อยได้อีกหลายแบบ
เช่น
2.1 ใช้ในระบบนำทาง
โดยสามารถหาระยะทางจากสมการ
2.4 ใช้ในการตรวจสอบ
เช่น เครื่องมืออัลทราซาวด์ ทางด้าน
การแพทย์
Distance = Speed of Sound x Time Elapsed
2
พื้นทะเล
2.3 ใช้ศึกษาลักษณะของ
2.2 ใช้ในการประมง ใน
การหาตำแหน่งของฝูงปลารวมทั้ง
ยังสามารถจำแนกชนิดของปลาได้
hydrophone
เอกสารอ้างอิง
1. The International Electrotechnical Commission (IEC), IEC 565:1977 Specification for The Calibration of
hydrophones.
2. The International Electrotechnical Commission (IEC), IEC 866:1987 Specification for Characteristics and
calibration of hydrophones for operation in the frequency range 0.5 MHz to 15 MHz.
3. The International Electrotechnical Commission (IEC), IEC 62092:2001 Ultrasonic-Hydrophone-Characteristics
and calibration in the frequency range from 15 MHz to 40 MHz.
4. Bruel&Kjaer, Bruel&Kjaer Web site.
5. National Measurement Laboratory (NPL UK), NPL Web site.
6. Heinrich Kultruff, Fundamentals and Application Ultrasound.
⌫