淺談聲吶

聲吶及其應用

聲吶就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，聲吶技術是1906年由英國海軍的劉易斯·尼克森發明的，聲吶是各國海軍進行水下監視使用的主要技術，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、水文測量和海底地質地貌的勘測等。

為什么利用聲波對水下目標進行探測

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的物體，電磁波在水中衰減太快，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，聲波在水中傳播衰減就小得多，在深海中爆炸一個幾千克的炸彈，在兩萬千米外還可以收到信號，低頻的聲波還可以穿透海底幾千米的地層，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，因此。在水中進行觀察和測量，具有得天獨厚條件的只有聲波。

聲吶的結構

聲吶裝置一般由基陣、電子機柜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、平板形，有接收基陣、發射機陣或收發合一基陣之分，電子機柜一般有發射、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，與聲吶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，以及聲吶導流罩等。

換能器是聲吶中的重要器件，它是聲能與其他形式的能如機械能、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致伸縮效應。

聲吶的分類

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，按工作方式可分為主動聲吶和被動聲吶，主動聲吶技術是指聲吶主動發射聲波“照射”目標，而后接收水中目標反射的回波以測定目標的參數，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，它主動發射超聲波，然后收測回波進行計算，適用于探測冰山、暗礁、沉船、海深、魚群、水雷和關閉了發動機的隱蔽潛艇，被動聲吶技術是指聲吶被動接收艦船等水中目標產生的輻射噪聲和水聲設備發射的信號，以測定目標的方位，它由簡單的水聽器演變而來，它收聽目標發出的噪聲，判斷出目標的位置和某些特性，特別適用于不能發聲暴露自己而又要探測敵艦活動的潛艇。

動物聲吶

聲吶并非人類的專利，不少動物都有它們自己的“聲吶”。

蝙蝠用喉頭每秒發射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，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更高。

海豚和鯨等海洋哺乳動物則擁有“水下聲吶”，它們能產生一種十分確定的信號探尋食物和相互通信，海豚聲吶的靈敏度很高，能發現幾米以外直徑0.2mm的金屬絲和直徑1mm的尼龍繩，能區別開只相差200μs的兩個信號，能發現幾百米外的魚群，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，區分開黃銅、鋁、電木、塑料等不同的物質材料，還能區分開自己發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，海豚聲吶還具有感情表達能力，已經證實海豚是一種有“語言”的動物，它們的“交談”正是通過其聲吶系統進行的，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“分工”明確，有為定位用的，有為通信用的，有為報警用的，并有通過調頻來調制位相的特殊功能，鯨類也用聲來探測和通信，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吶信號進行探測。

終生在極度黑暗的大洋深處生活的動物是不得不采用聲吶等手段來搜尋獵物和防避攻擊的，它們的聲吶性能是人類現代技術所遠不能及的，解開這些動物聲吶之謎，一直是現代聲吶技術的重要研究課題。