「发明创造的故事」（187）——科学家发明声呐的故事

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科学家发明声呐的故事

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1941年12月，太平洋战争爆发。美国人的潜艇仿佛长了眼睛似的，穿过了日本人设置的层层水雷封锁线，神不知鬼不觉地钻进日本海，向日本舰船发起突然袭击，使日本海军损失惨重；与此同时，日本的潜艇一钻进美国的军港或海岸边，不知怎的，就遭到美国军舰或飞机的攻击。

“这是怎么回事呢?”日本海军官员百思不得其解，“难道美国人使用了什么秘密武器?”的确，美国人使用了一种“秘密武器”——声呐。

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“秘密武器”——声呐

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声呐是一种利用声波在水下测定目标距离和运动速度的仪器。美国人在潜艇上装了类似声呐的“探雷器”，因此对于日本人设置的水雷封锁线及舰船的所在位置一目了然；美国人还在军港和海岸的航道口装上了声呐，这样，海里的任何动静都逃不过美国人的“耳目”。

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声呐诞生于第二次世界大战。它的发明，凝聚着几代科学家的心血。早在1490年，意大利著名美术家、科学家达·芬奇就注意到了声音在水中的传播。有一次，他来到海边写生。完成一幅画后，好奇的达·芬奇忽然产生了一个念头：水里面到底有没有什么声音?于是，他取来一根管子，将管子的一端插到水里，管子的另一端放在耳朵旁。结果听到了“咕噜咕噜”的声音。经过仔细地辨认，他发现这是远方的船航行时螺旋桨击水放出的声响。达·芬奇的这根管子可以算是声呐最古老的祖先了。

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3个多世纪后，瑞士物理学家柯拉顿和德国数学家斯特模，对声音在水中的传播进行了深入的探讨。在这以后，许多科学家也进行这方面的研究。经过反复实验，他们比较精确地测出声音在水中的传播速度为5500公里每小时，比在空气中的传播快4倍。此外，科学家们还发现，声音在水中传播，遇到海洋中的物体或海底时，声音会被反射回来，此时也被“吞掉”一些声波。不同频率的声波，在水中被吸收和反射的程度也不相同。超声波能量集中，可朝一个方向传播，反射回来的声波比较强烈。

这个时期，正值潜水艇在海里称王称霸的时期。人们对于潜水艇的神出鬼没正感到束手无策。自然而然地，科学家们想到：利用超声波在水中的传播特性，不就可以测出潜艇所在的方位、距离了吗?

可是，要实现超声波在水中的发射和接收谈何容易!一时研制潜水艇“克星”的工作搁浅了！1880年，法国科学家彼埃尔•居里(居里夫人的丈夫)等成功地制造出换能器，实现了电、声信号的转换。这样，通过换能器，可将电波变成声波，并向海里发射；声波遇到物体后，又反射回来，换能器接收到声波，并把它变成电波，显示出来。根据超声波发出到接收一去一回所用的时间和音调高低等，就可测出目标的距离和位置，判断出目标的性质。

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就这样，世界上第一代声呐诞生了。后来，科学家在第一代声呐的基础上，做了许多改进，发明了“主动式声呐”和“被动式声呐”两大类。

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主动式声呐，主动发出声信号，去寻找水下目标，根据声波的反射情况做出判断；被动式声呐，收听水中目标发出的噪音，从而测出目标所在的方位、距离。然而，这两类声呐在使用过程中，也暴露出一些缺陷：主动式声呐发出的声波容易被水中的潜水艇发现；被动式声呐对于不发声的目标无能为力。

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科学家们决心对声呐做进一步的改进。他们从海豚的身上得到了启迪。

本世纪60年代，生物学家诺里斯发现，用橡皮蒙住海豚的双眼，丝毫不影响它的活动；可把海豚前额蒙住，它在水下就像瞎子一样，到处乱撞。显然，海豚是用前额发出声波来行动的。

经过进一步研究，科学家发现海豚有两架“声波发射机”：当它“观察”远距离目标时，它就发射低声，以实现远距离传播；当它“观察”近距离目标时，它就改发超声，以提高分辨率。它也有两架“声波接收机”。海豚的声呐竟是如此先进，如此完美!科学家“虚心”向海豚学习，以海豚的声呐为发明的奋斗目标。

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不久，美国科学家发明了军用高级声呐。它是一种多波束回声探测仪，采用两套相同的水听器发射阵。它的性能要比先前的声呐出色得多。

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科学家还从海豚声呐外的特制导流罩抗水流噪音的性能，得到启发，研制出“声呐导流罩”。有了它，军舰可不必像以前那样需要静止下来时才使用声呐，即使在高速前进，也可以使用声呐，而不受自身噪音的干扰。

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声呐的用途十分广泛。在军舰、潜艇、反潜飞机上安装声呐之后，可以准确确定敌方舰艇、鱼雷和水雷的方位。同时，它还能区别前方的目标是鲸鱼还是潜艇，是敌方潜艇还是我方潜艇呢。在民用方面，可以使轮船在黑夜和雾天航行时及时发现前方的船只或暗礁；可以告诉渔民哪儿有鱼群；还可以用来研究海洋地质，搜寻海下沉船，进行水下通信联系等等。