海洋声学研究 -海洋声学国家重点实验室

水声学是声学的一个分支，它主要研究声波在水下的辐射、传播和接收, 用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。水声学的研究领域主要包括:新型水声换能器；水中非线性声学；水声场的时空结构(如信号场的相关、简正波场的分离和应用、数值声场预报和信道匹配等);水声信号处理技术(如最佳时空处理水声信号的参量估计等);海洋中的噪声和混响背景、散射和起伏, 目标反射和舰船辐射噪声;海洋媒质的声学特性(如沉积层和海底海面内波及湍流的声学特性)等。

一、产生背景

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水声是人类迄今为止所知道的唯一能在海洋里远 距离传播的能量形式。其他的物理媒介，如可见光、电磁波、激光等在海水中传播时会很快地衰减掉，因而无法传向远方。声呐(sonar)一词源于第二次世界大战期间，由声音(sound)、导航(navigation)和测距(ranging)3个英文单词构成。今天，声呐的定义是:“利用水下声波判断海洋中物体的存在、位置及类型的方法和设备。

声呐的发展如果从1490年意大利人达·芬奇发现声管算起，至今已有500 多年的历史了。达·芬奇描述的：如果你停下船，把一根长管的一端放入水中，把露出水面的一端放在耳朵边，将听到离你很远的船的声音,实际上就是现代被动声呐的雏形。

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1912年，当时世界上体积最庞大的客运邮轮泰坦尼克号在首航时撞上冰山沉没。这起沉船悲剧，促使一些公司开始研发能预警冰山和航行中其他危险的设备。1914 年，第一个有实用意义的回声测距仪由美国波士顿水下信号公司的费森登(Fessenden，Reginald Aubrey)研发成功并在美国申请了专利，这是一个能发出低频声音信号，然后切换到测听状态接收回声信号的电子振荡器。利用这个装置能够探测到3公里以外的冰山，但仍无法精准确定冰山所处的方位。

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1918年，法国著名科学家朗之万(Paul Longivan) 研制成压电式换能器产生了超声波，并应用当时刚出现的真空管放大技术进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声呐。不过这种声呐尚未在战争中发挥作用，第一次世界大战就结束了。第二次世界大战前，一些国家的舰艇已经装备了用电子管放大器制作的声呐。第二次世界大战中，由于战争的需要，各国都投入了较大的力量进行水声研究并发展声呐技术，促使声呐在探测目标时从机械旋转的步距式发展到电子扫描式 同时，还研制出了声制导鱼雷和音响水雷。冷战结束后，由于可在水下长期潜航的低噪声、安静型核潜艇的出现，世界海洋强国都投入了巨大的人力、物力、 财力开展水下攻防和信息战的研究。声呐技术成为优先发展并取得许多突破性进展的领域，并在国家安全和国民经济的诸多领域发挥重要作用。

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二、我国水声学发展起源

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水声信号处理和声呐技术是一门发展迅速、需求推动力强大、应用前景异常广阔的学科。

20世纪60年代以来，由于潜艇的被动和主动隐身需求，潜艇螺旋桨降噪技术和大推力、低转速螺旋桨技术，以及覆盖潜艇表面的消声瓦的研制受到空前重视。而低噪声、安静型潜艇的出现又催生了用于目标探测和识别的低频、大孔径拖线阵声呐的研制和低频大功率发射基阵的使用，同时又在海洋领域推动了对低频水声信道特性的研究。强劲的需求成为声呐新技术迅速发展的重要原因。

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水声学不是一门纯理论的学科，其发展和完善依赖于大量有准备的实验测试。理论推导的结果和对声呐设备性能的预估，需要经过一系列实验室、湖上和海上试验的反复验证。由于水声学研究的特殊性，需要较大的人力、财力投入。深入的基础研究是声呐技术创新的源泉，回顾声呐发展的历史就可以证明这一点我国国防水声学的研究工作开始于1956年，当时，时任法国国家原子能委员会顾问的著名科学家汪德昭(1957年当选中国科学院学部委员)回国。二战时，汪德昭曾在著名水声学专家朗之万的实验室从事水声学研究。回国后，汪德昭和著名声学专家马大猷(1955年当选中国科学院学部委员)、应崇福 (1993 年当选为中国科学院院士)一道参与了中国科学院电子学研究所(以下简称“电子所”)的筹建工作，并在电子所内设立水声、超声、电声研究室，系统全面地开始了我国的声学研究。汪德昭于1957年赴 苏联考察水声研究，1958年率队参加中苏联合水声考察，并筹建了中国科学院南海、东海、北海工作站为我国国防水声学的研究奠定了坚实的基础。

汪德昭根据我国当时的条件，提出“由浅入深，由近及远”的我国水声事业发展战略方针，并带领年轻的科技工作者独立自主地开展水声物理学、水声工程学的研究。这一系列举措，使我国在浅海水声传播、混响、海洋环境噪声、数字式声呐设计等领域取得一批具有重大理论和实际意义的创新成果，“使我国在‘国际声学大合唱’中占有一席之地”。

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三、当代的发展

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海洋是人类的摇篮，地球表面的70%以上被海洋所覆盖。我国是名副其实的海洋大国，党的十八大已经把建设海洋强国作为国家战略。习近平总书记指出，“要进一步关心海洋，认识海洋，经略海洋，推动我国海洋强国建设不断取得新成就”。

水声是人类迄今为止所知道的唯一能在海洋里远距离传播的能量形式。其他物理媒介，如可见光、电磁波、激光等在海水里传播时会很快衰减，无法传向远方。因此，声呐技术是获取、利用、处理海洋信息的重要手段， 在国家安全和国民经济发展中具有独特的作用。在声学领域的众多分支学科中，没有其他学科像水声学那样，其发展受着战争需求的推动。反过来，水 声学的发展又为水下战武器装备的研制和创新注入活力。现代声呐的发明要早于雷达，但是公众对声呐的了解远 远不如雷达，这是因为声呐在军事上主要用于对水面舰艇、潜艇的探测，近代则扩展到水下预警、反蛙人等，因 而声呐被披上了神秘的面纱。

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在民用领域，声呐技术是了解海面、水体、海底各种参数的重要手段，包括声速剖面、温盐深分布、海流、 内波、中尺度涡、海底地貌/地形等。声呐设备还用于海底科学观测网、海底油气田勘探、海难救助、水下考古、海洋灾害预警等方面。在国家安全领域，声呐设备安装于各种不同的平台，包括水面舰艇、潜艇、直升机、 无人/载人潜器、岸站、鱼雷、水雷等，发挥着信息收集、远程预警、目标定位和识别、导航、近程/远程武器引 导等作用。

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我国是一个海洋大国，但还不是海洋强国。发展声呐技术对海洋资源开发、海洋环境保护、海洋灾害预警以 及国家安全具有重大意义。水声学的理论和技术是海洋开发和应用方面最重要的支撑力量之一，具有不可替代的 地位。国防水声学的发展需要国家层面长周期的大投入，有一定风险。声呐技术的发展一方面要创新思维，坚持 自力更生的道路，另一方面又要借鉴世界先进技术

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当今世界上充满着合作与竞争，而海洋的竞争实际上是高技术的竞争。我国既是陆地大国，也是海洋大国， 拥有广泛的海洋战略利益。经过多年发展，我国海洋事业总体上进入了历史上最好的发展时期，海洋也必将成 为决定我国经济实力和政治地位的极其重要的因素之一。

我国国防水声学的研究工作始于1956年，在汪德昭、马大猷、应崇福等老一辈科学家的带领下，一批批年轻 的科研工作者独立自主开展水声学研究，使我国在“国际声学大合唱”中占据了一席之地。深入的基础研究是 声呐技术创新的源泉，回顾声呐发展的历史就可以证明这一点。2018年，习近平总书记在海南考察时指出，一 定要向海洋进军，加快建设海洋强国，推动我国海洋科技全面发展。只有技术创新才能实现跨越式发展，声呐 设计者在21世纪初处于这样一种充满机遇和挑战的年代中，一定能取得新的突破、新的成功。

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