聲呐:利用聲波進行水下探測的技術或設備-中文百科頻道

釋義與簡介

作為一種聲學探測設備，主動式聲呐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"，後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，無法做為偵測的訊号來源，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隻，都利用這項技術的衍生系統，探測水底下的物體，或者是以其作為導航的依據。

聲呐技術至今已有100年曆史，它是1906年由英國海軍的劉易斯·尼克森所發明。他發明的第一部聲呐儀是一種被動式的聆聽裝置，主要用來偵測冰山。這種技術，到第一次世界大戰時被應用到戰場上，用來偵測潛藏在水底的潛水艇。

聲呐是各國海軍進行水下監視使用的主要技術，用于對水下目标進行探測、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術機動和水中武器的使用。此外，聲呐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、水文測量和海底地質地貌的勘測等。和許多科學技術的發展一樣，社會的需要和科技的進步促進了聲呐技術的發展。其中俄羅斯海軍專門将一艘核子K-403号潛艇改成聲呐測試用艇，可見重視程度。

工作的原理

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隻有聲波。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，人們也隻能看到十幾米到幾十米内的物體；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，也隻能傳播幾十米。

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，在兩萬公裡外還可以收到信号，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，至今還沒有發現比聲波更有效的手段。

結構與分類

結構

聲呐裝置一般由基陣、電子機櫃和輔助設備三部分組成。基陣由水聲換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、平闆形或線列行，有接收基陣、發射機陣或收發合一基陣之分。電子機櫃一般有發射、接收、顯示和控制等分系統。輔助設備包括電源設備、連接電纜、水下接線箱和增音機、與聲呐基陣的傳動控制相配套的升降、回轉、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等裝置，以及聲呐導流罩等。

換能器是聲呐中的重要器件，它是聲能與其它形式的能如機械能、電能、磁能等相互轉換的裝置。它有兩個用途：一是在水下發射聲波，稱為“發射換能器”，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生伸縮的壓電效應或磁緻伸縮效應。

分類

聲呐的分類可按其工作方式，按裝備對象，按戰術用途、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呐。例如按工作方式可分為主動聲呐和被動聲呐；按裝備對象可分為水面艦艇聲呐、潛艇聲呐、航空聲呐、便攜式聲呐和海岸聲呐等。

主動聲呐：主動聲呐技術是指聲呐主動發射聲波“照射”目标，而後接收水中目标反射的回波時間，以及回波參數以測定目标的參數。大多數采用脈沖體制，也有采用連續波體制的。它由簡單的回聲探測儀器演變而來，它主動地發射聲波，然後接收回波進行計算，适用于探測冰山、暗礁、沉船、海深、魚群、水雷和關閉了發動機的隐蔽的潛艇。

被動聲呐：被動聲呐技術是指聲呐被動接收艦船等水中目标産生的輻射噪聲和水聲設備發射的信号，以測定目标的方位和距離。它由簡單的水聽器演變而來，它收聽目标發出的噪聲，判斷出目标的位置和某些特性，特别适用于不能發聲暴露自己而又要探測敵艦活動的潛艇。

影響因素

影響聲呐工作性能的因素除聲呐本身的技術狀況外，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、混響幹擾、海洋噪聲、自噪聲、目标反射特征或輻射噪聲強度等，它們大多與海洋環境因素有關。例如，聲波在傳播途中受海水介質不均勻分布和海面、海底的影響和制約，會産生折射、散射、反射和幹涉，會産生聲線彎曲、信号起伏和畸變，造成傳播途徑的改變，以及出現聲陰區，嚴重影響聲呐的作用距離和測量精度。現代聲呐根據海區聲速--深度變化形成的傳播條件，可适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、深海聲道)來克服水聲傳播條件的不利影響，提高聲呐探測距離。又如，運載平台的自噪聲主要與航速有關，航速越大自噪聲越大，聲呐作用距離就越近，反之則越遠；目标反射本領越大，被對方主動聲呐發現的距離就越遠；目标輻射噪聲強度越大，被對方被動聲呐發現的距離就越遠。

曆史沿革

聲呐技術至今已有超過100年曆史，它是1906年由英國海軍的李維斯·理察森所發明。他發明的第一部聲呐儀是一種被動式的聆聽裝置，主要用來偵測冰山。這種技術，到第一次世界大戰時開始被應用到戰場上，用來偵測潛藏在水底的潛水艇，這些聲呐隻能被動聽音，屬于被動聲呐，或者叫做“水聽器”。

在1915年，法國物理學家Paul Langevin與俄國電氣工程師Constantin Chilowski合作發明了第一部用于偵測潛艇的主動式聲呐設備。盡管後來壓電式變換器取代了他們一開始使用的靜電變換器，但他們的工作成果仍然影響了未來的聲呐設計。

1916年，加拿大物理學家Robert Boyle承攬下一個屬于英國發明研究協會的聲呐項目，Robert Boyle在1917年年中制作出了一個用于測試的原始型号主動聲呐，由于該項目很快就劃歸ASDIC，（反潛/盟軍潛艇偵測調查委員會）管轄，此種主動聲呐亦被稱英國人稱為“ASDIC”，為區别于SONAR的音譯“聲呐”，将ASDIC翻譯為“潛艇探測器”。

1918年，英國和美國都生産出了成品。1920年英國在皇家海軍HMS Antrim号上測試了他們仍稱為“ASDIC”的聲呐設備，1922年開始投産，1923年第六驅逐艦支隊裝備了擁有ASDIC的艦艇。

1924年在波特蘭成立了一所反潛學校——皇家海軍Ospery号（HMS Osprey），并且設立了一支有四艘裝備了潛艇探測器的艦艇的訓練艦隊。

1931年美國研究出了類似的裝置，稱為SONAR（聲呐）。

生物“聲納”

聲呐并非人類的專利，不少動物都有它們自己的“聲呐”。蝙蝠就用喉頭發射每秒10-20次的超聲脈沖而用耳朵接收其回波，借助這種“主動聲呐”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“被動聲呐”，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範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。看來，動物也和人類一樣進行着“聲呐戰”！海豚和鲸等海洋哺乳動物則擁有“水下聲呐”，它們能産生一種十分确定的訊号探尋食物和相互通迅。多種鲸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、海獅等也都會發射出聲呐信号，進行探測。

應用

軍事

水聲技術是各國海軍進行水下監視使用的主要技術，用于對水下目标進行探測、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術機動和水中武器的使用。随着現代聲納技術的發展和進步，新一代聲納具有更先進的探測性能和更遠的探測距離，一些高科技聲納還具有相當高的分辨率，能夠識别蛙人和可疑水下航體。