Scheda a cura di Franco Luigi Fabbri

Un idrofono icona_glossario è uno strumento elettro-acustico per rivelare suoni in un liquido (generalmente acqua) e determinare la direzione della loro sorgente. il principio di funzionamento è simile a quello del microfono che in aria trasforma le vibrazioni di una sottile membrana dovute al transito dell’onda acustica, in segnali elettrici elaborabili. In acqua la membrana è sostituita da un diverso trasduttore icona_glossario . Negli idrofoni comuni si utilizzano sensori piezo-elettrici icona_glossario nei quali la pressione dell’onda acustica sulle superfici di un opportuno materiale cristallino genera un segnale elettrico.

Questo strumento è largamente utilizzato in marineria per rivelare la presenza di navi tramite la ricezione dei rumori subacquei generati dall'elica in movimento e dai motori. Gli idrofoni furono sviluppati in modo intensivo durante la guerra 1914-18 per consentire ai cacciasommergibili di scoprire la presenza di sommergibili nemici immersi. Lo sviluppo dell’idrofono avvenne contemporaneamente in vari paesi, dunque non ne esiste un unico, definito inventore. Vanno ricordati: L. Nixon che per primo cercò di rivelare la presenza di iceberg con un rivelatore passivo di suoni (1906), A Blem in Vienna (1912), Lewis Richardson in Gran Bretagna (1913 primo brevetto eco-scandaglio) , il canadese Reginald Fessenden negli Stati Uniti (1914 primo SONAR icona_glossario 1914), Il fisico francese Paul Langévin e Constantin Chilowsky ingegnere russo immigrato in Francia (brevetto di un SONAR che battezzarono hydrophone 1915) e –infine- il fisico canadese R.W. Boyle icona_quantibio, studioso di ultrasuoni e delle loro applicazioni alla University of Alberta, che dal 1916 brevettò un SONAR poi ulteriormente sviluppato dallo stesso R.W. Boyle nei laboratori della Royal Navy. Nel 1918 il gruppo di Boyle sviluppò un SONAR capace di individuare la presenza di sommergibili ad una distanza di 1800 metri che venne installato negli anni successivi sulle unità della marina inglese.

Questo strumento si è diffuso moltissimo, non solo per i possibili usi militari, ma anche negli studi oceanografici, nelle ricerche biologia marina, nella protezione dei parchi marini, nella prevenzione dai terremoti e dagli tsunami icona_glossario , e in tutta la marineria commerciale e turistica. L’idrofono è infatti l’unità ricevente di ogni eco-scandaglio, uno strumento di grande uso, presente ormai in ogni imbarcazione di diporto per identificare gli scogli sommersi, la presenza di branchi di pesci o la profondità della scogliera.

Nell’acque marine in superficie e ad una temperatura di 20 °C il suono si trasmette ad una velocità di circa 1521 metri al secondo cioè 4,5 volte superiore a quella nell'aria. L’assorbimento del suono in acqua è invece molto minore. Oggi gli idrofoni –anche grazie allo sviluppo delle moderne tecniche di trasformazione dell’onda sonora in segnale elettronico o opto-elettronico - consentono quindi di captare anche suoni emessi a grandi distanze. La direzione della sorgente viene determinata dallo sfasamento dell’onda sonora tra idrofoni posti a vari metri di distanza.

Più complesso è determinare la distanza della sorgente. Il metodo utilizzato è quello di misurare il tempo che impiega un’onda sonora a raggiungere il corpo da monitorare e a ritornare riflessa alla sorgente. In questo caso si può scoprire la presenza e determinare la distanza di un oggetto in acqua anche se esso non produce onde sonore: è quanto avviene negli eco-scandagli o nei sonar. L’idrofono è l’unità ricevente anche di molti altri strumenti usati in ingegneria idraulica come - ad esempio - misuratori di portata, di pressione in condutture idrauliche o di sensori per la rilevazione di correnti in profondità in bacini marini o lacustri.

Gli idrofoni sono largamente diffusi nelle ricerche di biologia marina per conoscere abitudini e tracciare le migrazioni dei grandi cetacei, delle balene o dei delfini senza introdurre perturbazioni o presenze inadatte al loro habitat naturale, o anche per studiare l’utilizzo della comunicazione sonora dei mammiferi marini. Sono anche utilizzati per misurare temperatura, salinità e pressione (direttamente correlata con la profondità) locali. La velocità dell’onda acustica varia infatti con le proprietà dell’acqua. Ad esempio: un aumento di 1°C grado Celsius icona_minibiografia dell’acqua marina determina un aumento della velocità dell’onda acustica di 4 metri al secondo, la variazione di pressione dovuta a un chilometro di inabissamento provoca una crescita della velocità di 1,4 metri al secondo. Le variazioni globali del clima sono controllabili icona_linkesterno tramite la tomografia icona_glossario acustica di vaste zone degli oceani (milioni di chilometri quadrati). Idrofoni sono anche utilizzati per la protezione da terremoti terrestri o tsunami icona_glossario . L’idrofono ha una sua ampia utilizzazione nei modem acustici per la trasmissioni dati attraverso l’acqua. Le onde radio non si trasmettono sottacqua, i sistemi di trasmissione dati sommersi sono quindi basati sulla trasmissione cablata (fibre ottiche) o su quella sonora. Nei modem acustici si tr tratta di trasformare un segnale digitale in onde sonore, e poi di riconvertirlo. Come accade con la tradizionale “modulazione” sulle linee telefoniche analogiche (quella che usa uno strumento chiamato modem, cioè un modulatore e de-modulatore). I modem acustici, quantunque la velocità di trasmissione sia molto inferiore a quella dell’onda elettromagnetica in aria (onde radio) o su cavo, realizzano attualmente una ottima soluzione alla trasmissione dati wireless in acqua tra stazioni sommerse (subsea) e dall’acqua da stazioni sommerse ad una centrale emersa (topsea). Questi nuovi sistemi sono di grande utilità nell’oceanografia e in molte altre applicazioni scientifiche, civili e militari e sono quindi in grande, rapida, espansione. Tra qualche anno sarà normale riceve un e-mail durante una immersione su un reef corallino o comunicare sottacqua via internet !

Idrofoni di particolare sensibilità sia con le tradizionali tecniche pizio-elettriche , sia con innovative tecniche FBG utilizzano fibre ottiche con reticoli di Bragg (FBG) , sono oggi proposti per essere utilizzati in ricerche di fisica sub-nucleare o astrofisica per rilevare il passaggio di particelle in un mezzo liquido.