声学定位黑“魔法”：声呐技术

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前言

声学中有这么一项定位黑“魔法”技术，其内容之丰富，涉猎面之广，远超我们常人想像。它就是“声呐”。

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今天的文章我们着重挑选了其中一部分跟大家分享。

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一、声呐技术的发展简史

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1906年：最早出现

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由英国海军的刘易斯·尼克森所发明并在第一次世界大战用来侦测潜藏在水底的潜水艇。

1915年：崭露头角

法国物理学家Paul Langevin与俄国电气工程师Constantin Chilowski合作发明了第一部用于侦测潜艇的主动式声呐设备。尽管后来压电式变换器取代了他们一开始使用的静电变换器，但他们的工作成果仍然影响了未来的声呐设计。

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1917年：Robert Boyle在年中制作出了一个用于测试的原始型号主动声呐，由于该项目很快就划归ASDIC，（反潜/盟军潜艇侦测调查委员会）管辖，此种主动声呐亦被称英国人称为“ASDIC”，为区别于SONAR的音译“声呐”，将ASDIC翻译为“潜艇探测器”。

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1918年：产品的诞生

英国和美国都生产出了成品。

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1920年：英国在皇家海军HMS Antrim号上测试了称为“ASDIC”的声呐设备

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1924年：在波特兰成立了一所反潜学校——皇家海军Ospery号（HMS Osprey），并且设立了一支有四艘装备了潜艇探测器的舰艇的训练舰队。

1931年：美国研究出了类似的装置，称为SONAR（声呐）。

声呐的应用

声呐 (sonar)

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它是由声音(sound)、导航 (navigation) 和测距 (ranging) 3个英文单词的字头构成的，是声音导航测距的缩写，全称为声音导航与测距。

这是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子设备。它有主动式和被动式两种类型，属于声学定位的范畴，是一项非常复杂的技术。

二、声纳技术类型

1.主动声呐

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主动声呐技术是指声呐主动发射声波“照射”目标，而后接收水中目标反射的回波时间，以及回波参数来测定目标的参数。有目的地主动从系统中发射声波的声呐称为主动声呐。

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它的主要作用是用来探测水下目标，并测定其距离、方位、航速、航向等运动要素。

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比如，主动声呐发射某种形式的声信号（声波），信号就会在水下进行传播，传播途中遇到障碍物或目标后，声波就会反射回来（这个波，称为回波），以此来进行水下探测及定位。

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主动声呐探测水下目标示意图

2.被动声呐

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被动声呐技术是指声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位和距离。它是由简单的水听器演变而来，通过收听目标发出的噪声，判断出目标的位置和某些特性。

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如果说主动声呐是发射声波信号，那么它就是单向接收信号。由于被动声波技术在海水中只是单程传播，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。

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例如，上个世纪70年代发生过的，美国潜水艇“隆头鱼”号随艇执行任务后却与苏联的回声-2号潜水艇离奇相撞事件，就与声呐技术系统应用相关。

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1969年美苏潜艇相撞 - 被动声呐

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三、水声测深技术的应用

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在以前声呐主要作用于战争，因为它能很好地对敌方进行探查及潜伏，往往能做到出其不意的效果。

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自从冷战结束后，海战场也逐渐进入了信息战时代。声呐的发展也迈向了知识和信息时代。

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1.军事领域

水声技术是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。

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主要应用于海底反潜，检测并识别蛙人和可疑水下航体等，以此保障国家海上安全。

2.海洋测绘领域

随着海洋高新技术的介入和装备的不断升级，水下地形声学探测技术获得了迅速的发展，现已成为世界各海洋国家在海洋测绘方面的重要研究领域之一。

它可以对海底进行探测，并把探测的数据以信号的形式发送回来，从而实现海底测绘，具体如视频所示。

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3.海流流速测量领域

现代声呐技术可以利用多普勒效应进行流速测定，这种声呐系统使用一对装在船底倾斜向下的指向性换能器，由海底回波中的多普勒频移可以得到舰船相对于海底的航速。

另一方面，若将声呐固定在流动的海域中，它可以自动检测和记录海水的流动速度及方向。

4.海洋渔业领域

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探鱼仪是一种可用于发现鱼群的动向、鱼群所在地点、范围的声呐系统，利用它可以大大提高捕鱼的产量和效率。

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通常在发射声波后，声波就会在水中进行传播，当遇到鱼群时，声波就会反射回来，形成实时动态数据，从而进行计数、诱鱼、捕鱼等。

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5.水声通信领域

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水声通信是水面舰艇、潜艇间相互通信的重要手段，利用声纳系统在水下可代替导线的连接，使用声束来传递信息，实现舰艇之间的通信和交流。

比如，当潜艇处在潜航状态时，无线电和其它通信方式都将失效，唯一可能的通信方式就是水声通信。

如我国在2012年6月15日，蛟龙号探查马里亚纳海沟，潜深至7062.68米。其命令和数据传送就是使用了水声通信技术进行传送的。

图片来源于网络

除了上述应用范畴，声呐并非人类的专利，不少动物都有它们自己的“声呐技术”，如蝙蝠、海豚、鲸等。它们的声呐系统是人类现代技术所远不能及的。

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而未来对声呐的应用，现代声呐技术的研究将起关键性作用。

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