聲吶

聲波是觀察和測量的重要手段。有趣的是，英文"sound"一詞作為名詞是"聲 "的意思，作為動詞就有"探測"的意思，可見聲與探測關系之緊密。

在水中進行觀察和測量，具有得天獨厚條件的只有聲波。這是由于其他探測手段的作用距離都很短，光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈的海水中，人們也只能看到十幾米到幾十米內(nèi)的物體;電磁波在水中也衰減太快，而且波長越短，損失越大，即使用大功率的低頻電磁波，也只能傳播幾十米。然而，聲波在水中傳播的衰減就小得多，在深海聲道中爆炸一個幾公斤的炸彈，在兩萬公里外還可以收到信號，低頻的聲波還可以穿透海底幾千米的地層，并且得到地層中的信息。在水中進行測量和觀察，至今還沒有發(fā)現(xiàn)比聲波更有效的手段。

聲吶裝置一般由基陣、電子機柜和輔助設備三部分組成?；囉伤晸Q能器以一定幾何圖形排列組合而成，其外形通常為球形、柱形、平板形或線列行，有接收基陣、發(fā)射機陣或收發(fā)合一基陣之分。電子機柜一般有發(fā)射、接收、顯示和控制等分系統(tǒng)。輔助設備包括電源設備、連接電纜、水下接線箱和增音機、與聲吶基陣的傳動控制相配套的升降、回轉(zhuǎn)、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等裝置，以及聲吶導流罩等。

換能器是聲吶中的重要器件，它是聲能與其它形式的能如機械能、電能、磁能等相互轉(zhuǎn)換的裝置。它有兩個用途:一是在水下發(fā)射聲波，稱為"發(fā)射換能器"，相當于空氣中的揚聲器;二是在水下接收聲波，稱為"接收換能器"，相當于空氣中的傳聲器(俗稱"麥克風"或"話筒")。換能器在實際使用時往往同時用于發(fā)射和接收聲波，專門用于接收的換能器又稱為"水聽器"。換能器的工作原理是利用某些材料在電場或磁場的作用下發(fā)生伸縮的壓電效應或磁致伸縮效應。

聲吶的分類可按其工作方式，按裝備對象，按戰(zhàn)術用途、按基陣攜帶方式和技術特點等分類方法分成為各種不同的聲吶。例如按工作方式可分為主動聲吶和被動聲吶;按裝備對象可分為水面艦艇聲吶、潛艇聲吶、航空聲吶、便攜式聲吶和海岸聲吶等。

主動聲吶:主動聲吶技術是指聲吶主動發(fā)射聲波"照射"目標，而后接收水中目標反射的回波時間，以及回波參數(shù)以測定目標的參數(shù)。大多數(shù)采用脈沖體制，也有采用連續(xù)波體制的。它由簡單的回聲探測儀器演變而來，它主動地發(fā)射聲波，然后接收回波進行計算，適用于探測冰山、暗礁、沉船、海深、魚群、水雷和關閉了發(fā)動機的隱蔽的潛艇;

被動聲吶:被動聲吶技術是指聲吶被動接收艦船等水中目標產(chǎn)生的輻射噪聲和水聲設備發(fā)射的信號，以測定目標的方位和距離。它由簡單的水聽器演變而來，它收聽目標發(fā)出的噪聲，判斷出目標的位置和某些特性，特別適用于不能發(fā)聲暴露自己而又要探測敵艦活動的潛艇。

聲吶是英文縮寫"SONAR"的音譯，其中文全稱為:聲音導航與測距，Sound Navigation And Ranging"是一種利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成水下探測和通訊任務的電子設備。它有主動式和被動式兩種類型，屬于聲學定位的范疇。聲吶是利用水中聲波對水下目標進行探測、定位和通信的電子設備，是水聲學中應用最廣泛、最重要的一種裝置。

作為一種聲學探測設備，主動式聲吶是在英國首先投入使用的，不過英國人把這種設備稱為"ASDIC"(潛艇探測器)，美國人稱其為"SONAR"，后來英國人也接受了此叫法。

由于電磁波在水中衰減的速率非常的高，無法做為偵測的訊號來源，以聲波探測水面下的人造物體成為運用最廣泛的手段。無論是潛艇或者是水面船只，都利用這項技術的衍生系統(tǒng)，探測水底下的物體，或者是以其作為導航的依據(jù)。

作遠距離傳輸?shù)哪芰啃问健Ｓ谑翘綔y水下目標的技術--聲吶技術便應運而生。 聲吶技術至今已有100年歷史，它是1906年由英國海軍的劉易斯·尼克森所發(fā)明。他發(fā)明的第一部聲吶儀是一種被動式的聆聽裝置，主要用來偵測冰山。這種技術，到第一次世界大戰(zhàn)時被應用到戰(zhàn)場上，用來偵測潛藏在水底的潛水艇。

聲吶是各國海軍進行水下監(jiān)視使用的主要技術，用于對水下目標進行探測、分類、定位和跟蹤;進行水下通信和導航，保障艦艇、反潛飛機和反潛直升機的戰(zhàn)術機動和水中武器的使用。此外，聲吶技術還廣泛用于魚雷制導、水雷引信，以及魚群探測、海洋石油勘探、船舶導航、水下作業(yè)、水文測量和海底地質(zhì)地貌的勘測等。

和許多科學技術的發(fā)展一樣，社會的需要和科技的進步促進了聲吶技術的發(fā)展。 俄羅斯海軍專門將一艘核子K-403號潛艇改成聲吶測試用艇，可見重視程度。

影響聲吶工作性能的因素除聲吶本身的技術狀況外，外界條件的影響很嚴重。 比較直接的因素有傳播衰減、多路徑效應、混響干擾、海洋噪聲、自噪聲、目標反射特征或輻射噪聲強度等，它們大多與海洋環(huán)境因素有關。例如，聲波在傳播途中受海水介質(zhì)不均勻分布和海面、海底的影響和制約，會產(chǎn)生折射、散射、反射和干涉，會產(chǎn)生聲線彎曲、信號起伏和畸變，造成傳播途徑的改變，以及出現(xiàn)聲陰區(qū)，嚴重影響聲吶的作用距離和測量精度?，F(xiàn)代聲吶根據(jù)海區(qū)聲速--深度變化形成的傳播條件，可適當選擇基陣工作深度和俯仰角，利用聲波的不同傳播途徑(直達聲、海底反射聲、會聚區(qū)、深海聲道)來克服水聲傳播條件的不利影響，提高聲吶探測距離。又如，運載平臺的自噪聲主要與航速有關，航速越大自噪聲越大，聲吶作用距離就越近，反之則越遠;目標反射本領越大，被對方主動聲吶發(fā)現(xiàn)的距離就越遠;目標輻射噪聲強度越大，被對方被動聲吶發(fā)現(xiàn)的距離就越遠。

聲吶并非人類的專利，不少動物都有它們自己的"聲吶"。蝙蝠就用喉頭發(fā)射每秒10-20次的超聲脈沖而用耳朵接收其回波，借助這種"主動聲吶"它可以探查到很細小的昆蟲及0.1mm粗細的金屬絲障礙物。而飛蛾等昆蟲也具有"被動聲吶"，能清晰地聽到40m以外的蝙蝠超聲，因而往往得以逃避攻擊。然而有的蝙蝠能使用超出昆蟲偵聽范圍的高頻超聲或低頻超聲，從而使捕捉昆蟲的命中率仍然很高?？磥?，動物也和人類一樣進行著"聲吶戰(zhàn)"!海豚和鯨等海洋哺乳動物則擁有"水下聲吶"，它們能產(chǎn)生一種十分確定的訊號探尋食物和相互通迅。

多種鯨類都用聲來探測和通信，它們使用的頻率比海豚的低得多，作用距離也遠得多。其他海洋哺乳動物，如海豹、海獅等也都會發(fā)射出聲吶信號，進行探測。

海豚聲吶的靈敏度很高，能發(fā)現(xiàn)幾米以外直徑0.2mm的金屬絲和直徑lmm的尼龍繩，能區(qū)別開只相差200卜s時間的兩個信號，能發(fā)現(xiàn)幾百米外的魚群，能遮住眼睛在插滿竹竿的水池子中靈活迅速地穿行而不會碰到竹竿;海豚聲吶的"目標識別"能力很強，不但能識別不同的魚類，區(qū)分開黃銅、鋁、電木、塑料等不同的物質(zhì)材料，還能區(qū)分開自己發(fā)聲的回波和人們錄下它的聲音而重放的聲波;海豚聲吶的抗干擾能力也是驚人的，如果有噪聲干擾，它會提高叫聲的強度蓋過噪聲，以使自己的判斷不受影響;而且，海豚聲吶還具有感情表達能力，已經(jīng)證實海豚是一種有"語言"的動物，它們的"交談"正是通過其聲吶系統(tǒng)。尤其是僅存于世的四種淡水豚中最珍貴的一種-我國長江中下游的白鰭豚，它的聲吶系統(tǒng)"分工"明確，有為定位用的，有為通訊用的，有為報警用的，并有通過調(diào)頻來調(diào)制位相的特殊功能。

終身在極度黑暗的大洋深處生活的動物是不得不采用聲吶等各種手段來搜尋獵物和防避攻擊的，它們的聲吶的性能是人類現(xiàn)代技術所遠不能及的。解開這些動物聲吶的謎，一直是現(xiàn)代聲吶技術的重要研究課題。而我們?nèi)祟惏l(fā)明的"聲吶"就是通過鯨和海豚的原理發(fā)明的。