声纳的应用

　　声波是观察和测量的重要手段。有趣的是，英文“sound”一词作为名词是“声”的意思，作为动词就有“探测”的意思，可见声与探测关系之紧密。

　　在水中进行观察和测量，得天独厚的更只有声波。这是由于其他探测手段的作用距离都很短，光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈的海水中，人们也只能看到十几米到几十米内的物体；电磁波在水中也衰减太快，而且波长越短，损失越大，即使用大功率的低频电磁波，也只能传播几十米。然而，声波在水中传播的衰减就小得多，在深海声道中爆炸一个几公斤的炸弹，在两万公里外还可以收到信号，低频的声波还可以穿透海底几千米的地层，并且得到地层中的信息。在水中进行测量和观察，至今还没有发现比声波更有效的手段。

　　声呐就是利用声波对水下目标进行探测和定位的装置，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。它是SONAR一词的“义音两顾”的译称，而SONAR是Sound Navigationand Ranging（声音导航测距）的缩写。

　　声呐分为主动声呐和被动声呐。主动声呐由简单的回声探测仪器演变而来，它主动地发射超声波，然后收测回波进行计算，适用于探测冰山、暗礁、沉船、海深、鱼群、水雷和关闭了发动机的隐蔽的潜艇；而被动声呐则由简单的水听器演变而来，它收听目标发出的噪声，判断出目标的位置和某些特性，特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇。

　　换能器是声呐中的重要器件，它是声能与其它形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换的装置。它有两个用途：一是在水下发射声波，称为“发射换能器”，相当于空气中的扬声器；二是在水下接收声波，称为“接收换能器”，相当于空气中的传声器（俗称“麦克风”或“话筒”）。换能器在实际使用时往往同时用于发射和接收声波，专门用于接收的换能器又称为“水听器”。换能器的工作原理是利用某些材料在电场或磁场的作用下发生伸缩的压电效应或磁致伸缩效应。

　　和许多科学技术的发展一样，社会的需要和科技的进步促进了声呐技术的发展。

　　“冰海沉船”事件促使了回声探测仪的诞生。1912年4月14日，英国豪华大客轮“泰坦尼克号”在赴美首航途中的北大西洋与冰山相撞而沉没，这一有史以来最大的海难事故引起了很大的震动，促使科学家研究对冰山的探测定位。英国科学家L。F。里查孙在船沉没后5天和一个月以后连续报了两项专利，利用声波在空气中和水中探测障碍物，提出要使用有指向性的发射换能器，但它没有继续做工作实现他的专利。1913年，美国科学家R·A·费森登（R·A·Fessenden）申报了水下探测的多项专利并用自己设计的动圈式换能器制造了第一台回声探测仪。1914年4月他用这台设备（发出的500－1000Hz的声波成功地探测到2海里门(3．7公里）之外的冰山。

　　紧接着，1914年第一次世界大战爆发，战争极大地推动了水声定位定向兵器的发展。第一次世界大战期间，德国潜艇大肆活动，展开了“无限潜艇战”，一时横行无敌，对协约国和其他国家的海上运输造成了很大的威胁，几乎中断了横跨大西洋的运输。协约国和其他国家十分恼火，相继发展水声设备，对水下的潜艇进行探测，当时不少著名的科学家都参加了这一工作。一位年轻的俄国电机工程师C。希洛夫斯基很早就在冰海沉船影响下开始了水声探测设备的研制，第一次世界大战开始后，他在瑞士山中养病，感到多反潜战的重要性之后，把自己的研究转为使用高频声波对潜艇进行；回声探测的设想。他的建议在1915年2月得到法国政府的采纳，事并把它交给法国著名物理学家朗之万（Langevin）教授负责实施。朗之万和希洛夫斯基决定使用高频率的超声，他们采用云母静电换能器，在两个电极中安放云母片，加上交变电压后就可以发射声波，以碳粒传声器做接收换能器，用这样简陋的设备在1915年底和1916年初在赛纳河的两岸间作传播试验获得成功，实现了两公里的单向传播，收到了海底的反射信号和200m外一块钢板的反射信号。他们成功的消息传到英国，英国也成立了一个小组研制回声探测仪。

　　为增大探测距离，就要提高发射的强度和接受的灵敏度，他们利用1880～1881年间发现的压电效应来产生和接收超声波，只不过这压电效应还很微弱。恰巧，当时在电子学领域发明了大功率电子管高频放大器，这正好用来放大压电效应。剩下的问题就是寻找具有压电效应的石英单晶。

　　1917年11月，朗之万终于说服一位眼镜商献出他珍藏多年直径约10英寸的石英单晶展品，从中切出晶片，做成石英压电接收换能器，配以云母静电发射换能器，完成了6km的单程信号收发，后来又利用石英替代云母完成了8km的单程信号传播，而且第一次搜寻到了1500m处潜艇的回波。

　　英国人知道了朗之万的成功之后，到处搜寻大块的水晶，英国地质博物馆的水晶展品被搜罗一空后，又来求法国的水晶眼镜商人，他们从仓库里找到大量水晶块，制造出回声探测器。美国科学家听了英法代表团介绍朗之万的成功后，也加强了这方面的研究工作。

　　在这段时间里，人们还研制了被动声呐，通过收听敌舰的噪声来测定它的方位。最早的被动收听声呐只有两个接收器，通过带在人头上的听诊器收听。为准确地确定距离，后来发展成每侧多个水听器的有空间分布的线阵，靠旋转线阵，用耳朵判断敌舰的方位。

　　可惜直到第一次世界大战结束，他们也没有做出进一步的成果。超声回声探测成功太晚，没有能在第一次世界大战中显示巨大威力。但是，朗之万和它的同事们的杰出成就，开创了超声检测的应用技术。

　　第一次世界大战以后的年代里，主动声呐和被动声呐都得到进一步的发展。英美以发展主动式声呐为主，使用了较高的频率，使之与本舰的噪声频段相差较远，能不受本舰噪声干扰，如朗之万的声呐频率是38kHz，后继的声呐频率也大多在10kHz～30kHz，而且由于频率较高，可以形成很强的指向性。而此时德国是战败国，根据凡尔赛和约的规定，不得建潜艇，并只能有吨位小的军舰，他们的注意力则集中在发展被动收听系统。德国的欧根王子号巡洋舰上装有每侧60个水听器的共形阵，设计精良，对以后的被动声呐发展影响很大。到1923年时，在法国物理学会50周年纪念展览会上展出了朗之万和希洛夫斯基共同研制的回声探测仪，在当时总共约有3000多条战舰装有不同型号的水声设备。1937年出现了温度深度计，能很快地测量和计算海水中声速随深度的变化，从而掌握声音传播的条件，为声呐的进一步发展打下了基础。

　　第二次世界大战及战后年代作为水声兵器的声呐得到了较全面的发展。这时期，声呐作用的距离不断增加，对目标的分辨能力不断提高，出现了各种类型的声呐，大到核潜艇上的巨型声呐，鱼雷头上的制导声呐。二次大战中为了使用声呐，美国集中力量深入地研究了声速分布对声传播的影响，美国和苏联各自独立地发现了由于水文分布而产生的。大洋声道”，声波在这里不会碰撞海面和海底，而可以传播很远的距离。在二次大战期间，交战各方共损失一千多艘潜艇，其中大部分是被声呐发现的。二战后，美、苏两霸进行军备竞赛，水声兵器是重要内容之一。随着信息论和数字处理技术的迅速发展，核潜艇和核导弹的出现，使原来近距离监测潜艇的战术性声探测，发展为在大洋中远距离监测核潜艇的战略性声探测。为了增大探测距离，声呐降低了使用频率以减少海洋的吸现收；而为保持较强的方向性，水听器的数量就要增加，并按一定的空间分布安装起来，成为声呐基阵；为减小自身螺旋桨噪声的干扰，常把声呐安装在舰首的底部，但这样舰尾方向就成了声呐搜索不到的盲区，为此，又发展成用拖缆将声呐拖在舰尾的海水中，并可调整其深度，叫可变深声呐，这样又能使声呐不受海面恶劣情况的影响；另外，换能器阵的长度要增大，但船的长度又有限，于是在船后拖一条长长的电缆，装上数百个换能器，构成几百米长的拖曳线列阵，放在一千米深的深水层里，可探测很远的距离；为了迅速、大面积地搜索某海区的潜艇，还发展了用直升飞机投放声呐浮标的方法，如图3－8。反潜飞机能携带八十多个声呐浮标，浮标布放海面后，由计算机控制，能同时监视三十多个声呐浮标，迅速对海区实行大面积搜索。

　　苏联解体，两强对峙的局面消失后，声呐逐步转向浅海探测和海洋开发应用的研究。发展了能观察200～300公里范围海洋现象的海洋声层析术，把大洋当作人体进行透视、层析。最近又发展了大洋气候声学测温，测量大洋声道的声速，根据声速与海水温度的关系，算出大洋声道上的温度，得到由于二氧化碳的温室效应产生的温升资料，去解决人类环境保护的重大问题。

　　现在的声呐有了飞跃的发展。现代声呐的作用距离增加了几百倍，定向精度可以达到几分之一度，包括电子计算机和很复杂的大规模集成电路。现代核潜艇声呐站的换能器，直径达到几米，重量达十吨，用电相当于一个小城市的用电量。现在除了舰载声呐以外，在港口、重要海峡和主要航道处，都固定地布设有庞大的声呐换能器基阵，对潜艇来说，这是由声呐织成的天罗地网。

　　此外，反探测技术也发展很快。如干扰声呐工作的噪声堵塞技术，降低回波反射的隐身技术，以及干扰声呐员判断的假目标等等。这些在现代军事术语中叫做电子对抗。

　　有趣的是，声呐并非人类的专利，不少动物都有它们自己的“声呐”。蝙蝠就用喉头发射每秒10-20次的超声脉冲而用耳朵接收其回波，借助这种“主动声呐”它可以探查到很细小的昆虫及0．1mm粗细的金属丝障碍物。而飞蛾等昆虫也具有“被动声呐”，能清晰地听到40m以外的蝙蝠超声，因而往往得以逃避攻击。然而有的蝙蝠能使用超出昆虫侦听范围的高频超声或低频超声，从而使捕捉昆虫的命中率仍然很高。看来，动物也和人类一样进行着“声呐战”！海豚和鲸等海洋哺乳动物则拥有“水下声呐”，它们能产生一种十分确定的讯号探寻食物和相互通迅。

　　海豚声呐的灵敏度很高，能发现几米以外直径0．2mm的金属丝和直径1mm的尼龙绳，能区别开只相差200μs时间的两个信号，能发现几百米外的鱼群，能遮住眼睛在插满竹竿的水池子中灵活迅速地穿行而不会碰到竹竿；海豚声呐的“目标识别”能力很强，不但能识别不同的鱼类，区分开黄铜、铝、电木、塑料等不同的物质材料，还能区分开自己发声的回波和人们录下它的声音而重放的声波；海豚声呐的抗干扰能力也是惊人的，如果有噪声干扰，它会提高叫声的强度盖过噪声，以使自己的判断不受影响；而且，海豚声呐还具有感情表达能力，已经证实海豚是一种有“语言”的动物，它们的“交谈”正是通过其声呐系统。尤其是仅存于世的四种淡水豚中最珍贵的一种－我国长江中下游的白鳍豚，它的声呐系统“分工”明确，有为定位用的，有为通讯用的，有为报警用的，并有通过调频来调制位相的特殊功能。

　　多种鲸类都用声来探测和通信，它们使用的频率比海豚的低得多，作用距离也远得多。其他海洋哺乳动物，如海豹、海狮等也都会发射出声呐信号，进行探测。

　　终身在极度黑暗的大洋深处生活的动物是不得不采用声呐等各种手段来搜寻猎物和防避攻击的，它们的声呐的性能是人类现代技术所远不能及的。解开这些动物声呐的谜，一直是现代声呐技术的重要研究课题。

　　和许多科学技术的发展一样，社会的需要和科技的进步促进了声呐技术的发展。

　　“冰海沉船”事件促使了回声探测仪的诞生。1912年4月14日，英国豪华大客轮“泰坦尼克号”在赴美首航途中的北大西洋与冰山相撞而沉没，这一有史以来最大的海难事故引起了很大的震动，促使科学家研究对冰山的探测定位。英国科学家L。F。里查孙在船沉没后5天和一个月以后连续报了两项专利，利用声波在空气中和水中探测障碍物，提出要使用有指向性的发射换能器，但它没有继续做工作实现他的专利。1913年，美国科学家R·A·费森登（R·A·Fessenden）申报了水下探测的多项专利并用自己设计的动圈式换能器制造了第一台回声探测仪。1914年4月他用这台设备（发出的500－1000HZ的声波成功地探测到2海里门(3．7公里）之外的冰山。

　　紧接着，1914年第一次世界大战爆发，战争极大地推动了水声定位定向兵器的发展。第一次世界大战期间，德国潜艇大肆活动，展开了“无限潜艇战”，一时横行无敌，对协约国和其他国家的海上运输造成了很大的威胁，几乎中断了横跨大西洋的运输。协约国和其他国家十分恼火，相继发展水声设备，对水下的潜艇进行探测，当时不少著名的科学家都参加了这一工作。一位年轻的俄国电机工程师C。希洛夫斯基很早就在冰海沉船影响下开始了水声探测设备的研制，第一次世界大战开始后，他在瑞士山中养病，感到多反潜战的重要性之后，把自己的研究转为使用高频声波对潜艇进行；回声探测的设想。他的建议在1915年2月得到法国政府的采纳，事并把它交给法国著名物理学家朗之万（Langevin）教授负责实施。朗之万和希洛夫斯基决定使用高频率的超声，他们采用云母静电换能器，在两个电极中安放云母片，加上交变电压后就可以发射声波，以碳粒传声器做接收换能器，用这样简陋的设备在1915年底和1916年初在赛纳河的两岸间作传播试验获得成功，实现了两公里的单向传播，收到了海底的反射信号和200m外一块钢板的反射信号。他们成功的消息传到英国，英国也成立了一个小组研制回声探测仪。

　　为增大探测距离，就要提高发射的强度和接受的灵敏度，他们利用1880～1881年间发现的压电效应来产生和接收超声波，只不过这压电效应还很微弱。恰巧，当时在电子学领域发明了大功率电子管高频放大器，这正好用来放大压电效应。剩下的问题就是寻找具有压电效应的石英单晶。

　　1917年11月，朗之万终于说服一位眼镜商献出他珍藏多年直径约10英寸的石英单晶展品，从中切出晶片，做成石英压电接收换能器，配以云母静电发射换能器，完成了6km的单程信号收发，后来又利用石英替代云母完成了8km的单程信号传播，而且第一次搜寻到了1500m处潜艇的回波。

　　英国人知道了朗之万的成功之后，到处搜寻大块的水晶，英国地质博物馆的水晶展品被搜罗一空后，又来求法国的水晶眼镜商人，他们从仓库里找到大量水晶块，制造出回声探测器。美国科学家听了英法代表团介绍朗之万的成功后，也加强了这方面的研究工作。

　　在这段时间里，人们还研制了被动声呐，通过收听敌舰的噪声来测定它的方位。最早的被动收听声呐只有两个接收器，通过带在人头上的听诊器收听。为准确地确定距离，后来发展成每侧多个水听器的有空间分布的线阵，靠旋转线阵，用耳朵判断敌舰的方位。

　　可惜直到第一次世界大战结束，他们也没有做出进一步的成果。超声回声探测成功太晚，没有能在第一次世界大战中显示巨大威力。但是，朗之万和它的同事们的杰出成就，开创了超声检测的应用技术。

　　第一次世界大战以后的年代里，主动声呐和被动声呐都得到进一步的发展。英美以发展主动式声呐为主，使用了较高的频率，使之与本舰的噪声频段相差较远，能不受本舰噪声干扰，如朗之万的声呐频率是38kHZ，后继的声呐频率也大多在10～30kHZ，而且由于频率较高，可以形成很强的指向性。而此时德国是战败国，根据凡尔赛和约的规定，不得建潜艇，并只能有吨位小的军舰，他们的注意力则集中在发展被动收听系统。德国的欧根王子号巡洋舰上装有每侧60个水听器的共形阵，设计精良，对以后的被动声呐发展影响很大。到1923年时，在法国物理学会50周年纪念展览会上展出了朗之万和希洛夫斯基共同研制的回声探测仪，在当时总共约有3000多条战舰装有不同型号的水声设备。1937年出现了温度深度计，能很快地测量和计算海水中声速随深度的变化，从而掌握声音传播的条件，为声呐的进一步发展打下了基础。

　　第二次世界大战及战后年代作为水声兵器的声呐得到了较全面的发展。这时期，声呐作用的距离不断增加，对目标的分辨能力不断提高，出现了各种类型的声呐，大到核潜艇上的巨型声呐，鱼雷头上的制导声呐。二次大战中为了使用声呐，美国集中力量深入地研究了声速分布对声传播的影响，美国和苏联各自独立地发现了由于水文分布而产生的。大洋声道”，声波在这里不会碰撞海面和海底，而可以传播很远的距离。在二次大战期间，交战各方共损失一千多艘潜艇，其中大部分是被声呐发现的。二战后，美、苏两霸进行军备竞赛，水声兵器是重要内容之一。随着信息论和数字处理技术的迅速发展，核潜艇和核导弹的出现，使原来近距离监测潜艇的战术性声探测，发展为在大洋中远距离监测核潜艇的战略性声探测。为了增大探测距离，声呐降低了使用频率以减少海洋的吸现收；而为保持较强的方向性，水听器的数量就要增加，并按一定的空间分布安装起来，成为声呐基阵；为减小自身螺旋桨噪声的干扰，常把声呐安装在舰首的底部，但这样舰尾方向就成了声呐搜索不到的盲区，为此，又发展成用拖缆将声呐拖在舰尾的海水中，并可调整其深度，叫可变深声呐，这样又能使声呐不受海面恶劣情况的影响；另外，换能器阵的长度要增大，但船的长度又有限，于是在船后拖一条长长的电缆，装上数百个换能器，构成几百米长的拖曳线列阵，放在一千米深的深水层里，可探测很远的距离；为了迅速、大面积地搜索某海区的潜艇，还发展了用直升飞机投放声呐浮标的方法，如图3－8。反潜飞机能携带八十多个声呐浮标，浮标布放海面后，由计算机控制，能同时监视三十多个声呐浮标，迅速对海区实行大面积搜索。

　　苏联解体，两强对峙的局面消失后，声呐逐步转向浅海探测和海洋开发应用的研究。发展了能观察200～300公里范围海洋现象的海洋声层析术，把大洋当作人体进行透视、层析。最近又发展了大洋气候声学测温，测量大洋声道的声速，根据声速与海水温度的关系，算出大洋声道上的温度，得到由于二氧化碳的温室效应产生的温升资料，去解决人类环境保护的重大问题。

　　现在的声呐有了飞跃的发展。现代声呐的作用距离增加了几百倍，定向精度可以达到几分之一度，包括电子计算机和很复杂的大规模集成电路。现代核潜艇声呐站的换能器，直径达到几米，重量达十吨，用电相当于一个小城市的用电量。现在除了舰载声呐以外，在港口、重要海峡和主要航道处，都固定地布设有庞大的声呐换能器基阵，对潜艇来说，这是由声呐织成的天罗地网。

　　此外，反探测技术也发展很快。如干扰声呐工作的噪声堵塞技术，降低回波反射的隐身技术，以及干扰声呐员判断的假目标等等。这些在现代军事术语中叫做电子对抗。

　　有趣的是，声呐并非人类的专利，不少动物都有它们自己的“声呐”。蝙蝠就用喉头发射每秒10-20次的超声脉冲而用耳朵接收其回波，借助这种“主动声呐”它可以探查到很细小的昆虫及0．1mm粗细的金属丝障碍物。而飞蛾等昆虫也具有“被动声呐”，能清晰地听到40m以外的蝙蝠超声，因而往往得以逃避攻击。然而有的蝙蝠能使用超出昆虫侦听范围的高频超声或低频超声，从而使捕捉昆虫的命中率仍然很高。看来，动物也和人类一样进行着“声呐战”！海豚和鲸等海洋哺乳动物则拥有“水下声呐”，它们能产生一种十分确定的讯号探寻食物和相互通迅。

　　海豚声呐的灵敏度很高，能发现几米以外直径0．2mm的金属丝和直径lmm的尼龙绳，能区别开只相差200卜s时间的两个信号，能发现几百米外的鱼群，能遮住眼睛在插满竹竿的水池子中灵活迅速地穿行而不会碰到竹竿；海豚声呐的“目标识别”能力很强，不但能识别不同的鱼类，区分开黄铜、铝、电木、塑料等不同的物质材料，还能区分开自己发声的回波和人们录下它的声音而重放的声波；海豚声呐的抗干扰能力也是惊人的，如果有噪声干扰，它会提高叫声的强度盖过噪声，以使自己的判断不受影响；而且，海豚声呐还具有感情表达能力，已经证实海豚是一种有“语言”的动物，它们的“交谈”正是通过其声呐系统。尤其是仅存于世的四种淡水豚中最珍贵的一种－我国长江中下游的白鳍豚，它的声呐系统“分工”明确，有为定位用的，有为通讯用的，有为报警用的，并有通过调频来调制位相的特殊功能。

　　多种鲸类都用声来探测和通信，它们使用的频率比海豚的低得多，作用距离也远得多。其他海洋哺乳动物，如海豹、海狮等也都会发射出声呐信号，进行探测。

　　终身在极度黑暗的大洋深处生活的动物是不得不采用声呐等各种手段来搜寻猎物和防避攻击的，它们的声呐的性能是人类现代技术所远不能及的。解开这些动物声呐的谜，一直是现代声呐技术的重要研究课题。

要事先知道仪器的精确度