Als Hydrophon (von altgriechisch hydor „Wasser“ sowie phoné „Ton“, „Stimme“)Wilhelm Gemoll: Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch, München/Wien 1965 bezeichnet man ein Gerät zur Wandlung von Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechende elektrische Spannung. Eine andere Bezeichnung ist „Unterwassermikrophon“.

Hydrophone werden im Meer eingesetzt (stationär oder in Horchbojen), um dort Wasserschallgeräusche aufzunehmen sowie vor allem in der Medizin etwa für nichtinvasive medizinische Diagnosen oder für die Positionierung von Lithotriptern. Diese Anwendungsgebiete im Meer und in der Medizin unterscheiden sich entsprechend der Ausdehnung ihres jeweiligen Anwendungsmediums auch in dem jeweils verwendeten Frequenzbereich (im Meer zwischen ca. 10 Hz und 400 kHz, in der Medizin bei 1 MHz bis 40 MHz) und damit in der Konstruktion.

Hydrophone sind grundsätzlich anders konstruiert als Mikrophone. Der Grund besteht weniger in der erforderlichen Feuchtigkeitsunempfindlichkeit als in der unterschiedlichen akustischen „Härte“ (akustische Impedanz). Während es Mikrophone auch als Schnelle-Empfänger (Tauchspulmikrofone, Bändchenmikrophone) gibt, werden als Hydrophone fast nur Druckempfänger eingesetzt. Dabei wird vorzugsweise der piezoelektrische Effekt genutzt.

Grundsätzlich sind Hydrophone auch als Unterwasserschallquellen nutzbar. Diese werden aber eher als Projektoren bezeichnet oder – wenn sie sowohl als Schallsender als auch als Empfänger genutzt werden – als Schallwandler (Transducer). Derartige Schallquellen sind üblicherweise anders dimensioniert, werden aber häufig insbesondere bei Aktivsonaranlagen auch als Empfänger genutzt. Sie werden dann aber nicht als Hydrophon bezeichnet.

Hydrophone für den Einsatz im Meer mini|Hydrophon

Grundsätzliche Konstruktion eines Hydrophons Handelsübliche Hydrophone enthalten als akustisch wirksames Element einen (oder mehrere) Hohlzylinder oder Hohlkugeln aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). PZT hat eine größere Impedanz als Wasser. Deswegen werden relativ dünnwandige Hohlzylinder oder Hohlkugeln verwendet, um eine günstige Impedanzanpassung zu erreichen. Dies macht insbesondere Zylinder aus der spröden PZT-Keramik bruchanfällig. Daher werden trotz des etwas größeren konstruktiven Aufwandes inzwischen Hohlzylinder bevorzugt. Die Innenseite des Zylinders oder der Kugel ist schallweich (Luft, Kork oder Ähnliches). Das piezoelektrische Material ist so vorgepolt, dass durch den Druck Umfangsänderungen eintreten, die quer zu dieser Richtung durch eine leitende Beschichtung innen und außen abgegriffen wird.

Die Abmessungen der Zylinder oder Kugeln sind so, dass sie unterhalb einer Wellenlänge liegen. Manche Hydrophone für den Einsatz im Meer haben daher einen Durchmesser von etwa 1 cm, wodurch sie bei einer Schallgeschwindigkeit von 1480 bis 1500 m/s im Wasser bis etwa 100 kHz (Wellenlänge etwa 1,5 cm) diese Bedingung erfüllen. Da diese Bauweise jedoch zu wenig Pegel liefert, greifen die Hersteller von hochwertigen Hydrophonen (vgl. Brühl & Kjaer, Reson, Sonar Surround) zu Sonderformen mit bis zu 12 cm langen Sensorflächen in Zylinder- oder Kugelform. Diese Sensoren sind gebaut, um über große Entfernungen Geräusche zu detektieren. Über weite Distanzen kann man im Meer jedoch die vertikale Schallausbreitung vernachlässigen. Aus diesem Grund haben diese Hydrophone vor allem in der Horizontalen eine omnidirektionale Richtcharakteristik. mini|100px|Reson TC4032

Das gesamte Hydrophon wird durch einen Überzug aus einem Elastomer gegen das Wasser geschützt.

Das Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Hydrophons ist im Wesentlichen ein Kondensator. Erst am oberen Frequenzende seines Einsatzbereiches wirkt die Masse des Materials als Induktivität, wodurch eine Resonanz auftritt. Unterhalb dieser Resonanzfrequenz ist der Frequenzgang eines Hydrophones meist sehr linear, oberhalb fällt er steil ab.

Allerdings wird zusammen mit dem Eingangswiderstand des nachfolgenden Verstärkers ein Hochpass gebildet. Dies ist ein durchaus erwünschter Effekt, weil sonst beim Absenken des Hydrophons ins Wasser eine hohe Spannung durch den hydrostatischen Druck gebildet würde.

Die Eigenkapazität eines Hydrophons ist üblicherweise im Bereich von wenigen nF. Diese Kapazität bildet zusammen mit den üblicherweise verwendeten Koaxialkabeln einen kapazitiven Spannungsteiler. Deswegen wird meist ein Vorverstärker in der Nähe des Hydrophons angeordnet. Dadurch vermeidet man zugleich elektrische Störeinstrahlungen, weil die hochohmige empfindliche Leitung sich vollständig unter Wasser befindet, was eine vorzügliche Abschirmung bewirkt.

Sonderformen Sonderformen gibt es im Wesentlichen in Hinblick auf die besonderen Anforderungen des Einbaus, wie zum Beispiel zwecks Körperschallentkopplung oder für den Einbau in den Ölschlauch einer Linienantenne (Sonar LFAS). Weil die im Meer eingesetzten Hydrophone fast immer klein gegen die akustische Wellenlänge sind, weisen sie normalerweise keine Richtcharakteristik auf. Eine Ausnahme sind Gradientenempfänger. Sie werden beispielsweise in DIFAR-Sonobojen eingesetzt. Mit ihnen wird die Richtung von dominierenden Zielen bestimmbar, es wird aber keine Störsignalunterdrückung oder Richtungstrennung von Zielen erreicht. Ein Gradientenempfänger funktioniert sehr ähnlich wie ein Schnelleempfänger. Allerdings sind die Schallschnelle und die Bewegungsamplitude wegen der hohen Impedanz des Wassers sehr klein, so dass zweckmäßiger die Druckdifferenz in kleinem Abstand, eben der Druckgradient ausgenutzt wird. Für die volle Richtungsbestimmung sind zwei orthogonal zueinander angeordnete Gradientenempfänger nötig. Stattdessen werden aber insbesondere in LFAS-Antennen auch drei Einzelempfänger in geringem Abstand (Triplet-Array) verwendet.

Richtcharakteristik Da die meisten Hydrophone für Messzwecke entwickelt wurden, besitzen diese bis hin zur höchsten übertragbaren Frequenz eine omnidirektionale Richtcharakteristik. Aufgrund der hohen Schallgeschwindigkeit, ergo Wellenlänge, im Wasser sind akustische Richtwirkungen durch Laufzeitglieder wie Ports oder Interferenzrohre nicht praktikabel. Eine Ausnahme bildet hier die Richtkugel der Firma Sonar Surround, die durch eine gebogene Grenzfläche und ein besonderes Material Hydrophonen die Richtwirkung einer Superniere verleiht.

Das Militär benötigt jedoch weit größere Richtwirkung bis hin zu einer Genauigkeit von 0,2 Grad. Solch Richtwirkungen lassen sich nur mit einer möglichst großen akustisch sensitiven Fläche realisieren. Diese wird erreicht, indem man sehr viele Hydrophone miteinander verschaltet (vgl. Sonar Dome, Schleppsonar). Hier kann nun ein Computer aufgrund der minimalen Laufzeitunterschiede die Wellenfront analysieren und somit die Einfallsrichtung bestimmen. Nachteil hierbei ist, dass durch das Zusammenmischen von manchmal bis zu tausend und mehr Hydrophonen der Klang sehr verfälscht wird. Somit bietet sich elektronische Richtwirkung (mindestens 4 Hydrophone im Tetraeder) nicht für ästhetische Aufnahmen an.

Für stereophone Aufnahmen kommen somit nur Laufzeittechniken oder Intensitätstechniken mit der Sonar Surround DS in Frage.

Hydrophone für die medizinische Diagnostik mini|PZT-Ultraschall-Hydrophon, 32 mm Sensordurchmesser

Physikalische Grundlagen

Wasserschall stellt ein räumliches Gebiet mit zeitlich periodisch veränderlicher Dichte dar (Dichtewelle und Druckwelle sind gleichwertige Modelle für das Phänomen Schall).

Impedanz

Für den Anteil der Schallenergie, der von einem Ausbreitungsmedium ins andere übergehen kann, ist entscheidend, wie sich die Schallkennimpedanzen dieser Medien zueinander verhalten. Als Schallkennimpedanz eines Materials wird das Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit dieses Materials bezeichnet. Das Verhältnis der kleineren Impedanz zur größeren an einer Mediengrenze ist eine dimensionslose Zahl im Intervall [0…1] und beschreibt die akustische Kopplung. Bei Quotienten nahe 1 (entspricht etwa gleich großen Impedanzen) koppelt die Schallwelle sehr gut von dem einen in das andere Ausbreitungsmedium. Die Schallgeschwindigkeit ist in Wasser etwa viermal so groß, wie in Luft. Außerdem unterscheiden sich die Dichten der beiden Medien um fast drei Größenordnungen. Für eine Wasser-Luft-Grenzfläche ergibt sich eine akustische Kopplung von ca. 0,0003. Eine derartige Situation extrem schlechter Impedanzanpassung wird auch Quasi-Entkopplung genannt. Gemäß den Gesetzen der Brechung und den daraus abgeleiteten Anteilen für Reflexion und Transmission wirft eine Grenzfläche Wasser-Luft den auftreffenden Schall praktisch vollständig ins Wasser zurück. Um Schallphänomene im Wasser zu studieren, werden die Schallsignale entweder im Medium Wasser selbst und ohne Luftschicht vor dem Sensor in die angestrebte Signalform Wechselspannung überführt, oder man koppelt zwischen dem Wasser und dem Sensor mit einer die Impedanzen anpassenden Schicht (in der Sonographie typisch: stark wasserhaltiges Gel). Damit ein Hydrophon akustische Nutzsignale mit hoher Empfindlichkeit wandeln kann, muss neben anderen Eigenschaften auch eine möglichst gute akustische Kopplung angestrebt werden.

Nutzsignal

Die physikalisch prinzipiell unterschiedlichen Fragestellungen an Hydrophone priorisieren verschiedene Merkmale der Bauart und ihrer Eigenschaften. Von Interesse sind je nach Thema einer Messung die Laufzeit, die Intensität und die Frequenz, aber in seltenen Fällen auch die Phase und die Streuwinkel.

Laufzeit Zur Bestimmung von Entfernungen (Echolot und ähnliche Anwendungen) spielen räumliches Auflösungsvermögen und Linearität des Frequenzgangs eine untergeordnete Rolle. Dagegen kommt es maßgeblich auf hohe Empfindlichkeit und geeignete Dämpfung an. Hier werden Hydrophone meist im Bereich ihrer Eigenfrequenz betrieben, die auf die zu erwartenden Entfernungen und Strukturgrößen angepasst gewählt wird. Die Zeit, die zwischen dem Beginn des Sendepulses (Ping) bis zum Empfang der Echoantwort verstreicht, ergibt im Produkt mit der Wasserschallgeschwindigkeit ein Maß der vom Signal zurückgelegten Strecke.

Amplitude