水听器是一种水下侦听设备，可以检测和记录来自各个方向的海洋声音。
人们常常认为海底世界是寂静的。事实上，许多海洋生物利用声音进行交流、繁殖和寻找猎物。上图是在国家海洋保护区系统内使用水听器收集声景数据。就像麦克风收集空气中的声音一样，水听器检测水下的声音信号。大多数水听器基于某些陶瓷的特殊特性，当受到水下压力变化时会产生小电流。当浸入海洋中时，陶瓷水听器会在很宽的频率范围内产生小电压信号，因为它暴露于从任何方向发出的水下声音。水听器可以检测空气传播的声音，但不灵敏，因为它的设计目的是匹配水的声阻抗，水是一种比空气密度更大的流体。有效水听器的设计必须考虑水的声阻，是空气的3750倍；因此，相同强度的波在空气中施加的压力在水中增加了 3750 倍。声音在水中的传播速度是空气中的4.3倍，水中的声波所产生的压力是空气中等幅波所产生的压力的 60 倍。同样，标准麦克风如果放在防水容器中，则可以浸入水中，但由于同样糟糕的声阻抗匹配，性能会很差。通过放大和记录这些电信号，水听器可以非常精确地测量海洋声音。虽然单个水听器可以记录来自任何方向的声音，但通常会将多个水听器同时放置在一个阵列中，导致信号可以比单个设备更灵敏地“收听”。全向和半向水听器从特定方向拾取声音，可用于跟踪鱼和潜艇的运动。压电材料是制作水听器的理想选择。它们可以改变它们的形式并帮助产生电势以响应机械或外部压力变化。当电压施加到晶体陶瓷材料时，晶体结构会对齐，变得各向异性，并带有电荷。典型的水听器具有换能器。该换能器对于将传入的声波转换为电压至关重要。使用压电换能器作为晶体材料的替代品现在是现代水听器技术中的流行选择。带有单个换能器的水听器呈圆锥形，可以反射传入的声波，从而使水听器可以定位在不同的位置和深度。图 1 说明了如何在水下应用典型的水听器来跟踪来自不同来源的声波。单个换能器的唯一问题是无法减去来自其他方向干扰主信号的信号，这可能会掩盖有关所需信号位置的数据。阵列水听器（拖缆，由多个换能器构成）都连接在一起以接收大的声音信号。换能器装在一个装有油的管子中，这有助于收集进入水听器的压力波。前置放大器通常用于增强电信号并限制从附加组件到水听器的噪声污染的可能性。通常将水听器安装在海底或与船在水下平行布置。从不同距离传播的声波将在不同时间到达水听器，这个时间差有助于定位信号波的来源。海洋环境研究经常部署阵列水听器来跟踪水下海洋生物及其行为模式。水下监测也可以使用阵列水听器进行管理。例如，美国海军在 1950 年代由一系列水潜艇还使用水听器来跟踪来袭的水下遥控航行器 (ROV) 的位置以避免碰撞。水听器放置在潜艇的顶部，以 25 到 30 度的角度朝下，以便准确跟踪声音。通过跟踪来船的位置，潜艇船员可以保持在水下的安全位置，直到周围区域足够安全，船员可以在不与 ROV 碰撞的情况下恢复到水面。
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