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聲吶
本詞條是多義詞，共2個義項
水下探測和通訊任務的電子設備
聲吶也作聲納，是英文縮寫“SONAR”的中文音譯（中國科技名詞審定委員會公布的規(guī)范譯名為 聲吶），其全稱為：Sound Navigation And Ranging（聲音導航與測距），是利用聲波在水中的傳播和反射特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理進行導航和測距的技術(shù)，也指利用這種技術(shù)對水下目標進行探測（存在、位置、性質(zhì)、運動方向等）和通訊的電子設備，是水聲學中應用最廣泛、最重要的一種裝置，有主動式和被動式兩種類型。
基本信息
| 中文名 | 聲吶 |
| 外文名 | sonar, sound navigation and ranging |
| 別名 | 聲納 聲音導航與測距 |
| 相關(guān)學科 | 船舶工程 海洋科學技術(shù) |
釋義與簡介
作為一種聲學探測設備，主動式聲吶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"，后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，無法做為偵測的訊號來源，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只，都利用這項技術(shù)的衍生系統(tǒng)，探測水底下的物體，或者是以其作為導航的依據(jù)。
聲吶
聲吶技術(shù)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(yè)、水文測量和海底地質(zhì)地貌的勘測等。
和許多科學技術(shù)的發(fā)展一樣，社會的需要和科技的進步促進了聲吶技術(shù)的發(fā)展。
俄羅斯海軍專門將一艘核子K-403號潛艇改成聲吶測試用艇，可見重視程度。
工作的原理
聲吶模式
”的意思，作為動詞就有“探測”的意思，可見聲與探測關(guān)系之緊密。
在水中進行觀察和測量，具有得天獨厚條件的只有聲波。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，人們也只能看到十幾米到幾十米內(nèi)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，也只能傳播幾十米。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，在兩萬公里外還可以收到信號，低頻的聲波還可以穿透海底幾千米的地層，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(fā)現(xiàn)比聲波更有效的手段。
結(jié)構(gòu)與分類
分類
聲吶的分類可按其工作方式，按裝備對象，按戰(zhàn)術(shù)用途、按基陣攜帶方式和技術(shù)特點等分類方法分成為各種不同的聲吶。例如按工作方式可分為主動聲吶和被動聲吶；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。
主動聲吶：主動聲吶技術(shù)是指聲吶主動發(fā)射聲波“照射”目標，而后接收水中目標反射的回波時間，以及回波參數(shù)以測定目標的參數(shù)。大多數(shù)采用脈沖體制，也有采用連續(xù)波體制的。它由簡單的回聲探測儀器演變而來，它主動地發(fā)射聲波，然后接收回波進行計算，適用于探測冰山、暗礁、沉船、海深、魚群、水雷和關(guān)閉了發(fā)動機的隱蔽的潛艇；
被動聲吶：被動聲吶技術(shù)是指聲吶被動接收艦船等水中目標產(chǎn)生的輻射噪聲和水聲設備發(fā)射的信號，以測定目標的方位和距離。它由簡單的水聽器演變而來，它收聽目標發(fā)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(fā)聲暴露自己而又要探測敵艦活動的潛艇。
安裝
傳統(tǒng)上潛艇安裝聲吶的主要位置是在最前端的位置，由于現(xiàn)代潛艇非常依賴被動聲吶的探測效果，巨大的收音裝置不僅僅讓潛艇的直徑水漲船高，原先在這個位置上的魚雷管也得乖乖讓出位置而退到兩旁去。
其他安裝在潛艇上的聲吶型態(tài)還包括安裝在艇身其他位置的被動聲吶聽音裝置，利用不同位置收到的同一訊號，經(jīng)過電腦處理和運算之后，就可以迅速的進行粗淺的定位，對于艇身較大的潛艇來說比較有利，因為測量的基線較長，準確度較高。另外一種聲吶稱為“拖曳聲吶”，因為這種聲吶裝置在使用時，以纜線與潛艇連接，聲吶的本體則遠遠的拖在潛艇的后面進行探測，拖曳聲吶的使用大幅強化潛艇對于全方位與不同深度的偵測能力，尤其是潛艇的尾端。這是因為潛艇的尾端同時也是動力輸出的部分，由于水流的聲音的干擾，位于前方的聲吶無法聽到這個區(qū)域的訊號而形成一個盲區(qū)。使用拖曳聲吶之后就能夠消除這個盲區(qū)，找出躲在這個區(qū)域的目標。
影響因素
聲吶
比較直接的因素有傳播衰減、多路徑效應、混響干擾、海洋噪聲、自噪聲、目標反射特征或輻射噪聲強度等，它們大多與海洋環(huán)境因素有關(guān)。例如，聲波在傳播途中受海水介質(zhì)不均勻分布和海面、海底的影響和制約，會產(chǎn)生折射、散射、反射和干涉，會產(chǎn)生聲線彎曲、信號起伏和畸變，造成傳播途徑的改變，以及出現(xiàn)聲陰區(qū)，嚴重影響聲吶的作用距離和測量精度。現(xiàn)代聲吶根據(jù)海區(qū)聲速--深度變化形成的傳播條件，可適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(qū)、深海聲道)來克服水聲傳播條件的不利影響，提高聲吶探測距離。又如，運載平臺的自噪聲主要與航速有關(guān)，航速越大自噪聲越大，聲吶作用距離就越近，反之則越遠；目標反射本領(lǐng)越大，被對方主動聲吶發(fā)現(xiàn)的距離就越遠；目標輻射噪聲強度越大，被對方被動聲吶發(fā)現(xiàn)的距離就越遠。
歷史沿革
聲吶
在1915年，法國物理學家Paul Langevin與俄國電氣工程師Constantin Chilowski合作發(fā)明了第一部用于偵測潛艇的主動式聲吶設備。盡管后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吶設計。
1916年，加拿大物理學家Robert Boyle承攬下一個屬于英國發(fā)明研究協(xié)會的聲吶項目，Robert Boyle在1917年年中制作出了一個用于測試的原始型號主動聲吶，由于該項目很快就劃歸ASDIC，（反潛/盟軍潛艇偵測調(diào)查委員會）管轄，此種主動聲吶亦被稱英國人稱為“ASDIC”，為區(qū)別于SONAR的音譯“聲吶”，將ASDIC翻譯為“潛艇探測器”。
1918年，英國和美國都生產(chǎn)出了成品。1920年英國在皇家海軍HMS Antrim號上測試了他們?nèi)苑Q為“ASDIC”的聲吶設備，1922年開始投產(chǎn)，1923年第六驅(qū)逐艦支隊裝備了擁有ASDIC的艦艇。
1931年美國研究出了類似的裝置，稱為SONAR（聲吶）。
生物聲納
聲吶并非人類的專利，不少動物都有它們自己的“聲吶”。蝙蝠就用喉頭發(fā)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，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范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著“聲吶戰(zhàn)”！海豚和鯨等海洋哺乳動物則擁有“水下聲吶”，它們能產(chǎn)生一種十分確定的訊號探尋食物和相互通迅。
海豚聲吶的靈敏度很高，能發(fā)現(xiàn)幾米以外直徑0．2mm的金屬絲和直徑lmm的尼龍繩，能區(qū)別開只相差200卜s時間的兩個信號，能發(fā)現(xiàn)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(qū)分開黃銅、鋁、電木、塑料等不同的物質(zhì)材料，還能區(qū)分開自己發(fā)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；而且，海豚聲吶還具有感情表達能力，已經(jīng)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(tǒng)。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(tǒng)“分工”明確，有為定位用的，有為通訊用的，有為報警用的，并有通過調(diào)頻來調(diào)制位相的特殊功能。
終身在極度黑暗的大洋深處生活的動物是不得不采用聲吶等各種手段來搜尋獵物和防避攻擊的，它們的聲吶的性能是人類現(xiàn)代技術(shù)所遠不能及的。解開這些動物聲吶的謎，一直是現(xiàn)代聲吶技術(shù)的重要研究課題。而我們?nèi)祟惏l(fā)明的“聲吶”就是通過鯨和海豚的原理發(fā)明的。
應用
軍事
水聲技術(shù)是各國海軍進行水下監(jiān)視使用的主要技術(shù)，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(zhàn)術(shù)機動和水中武器的使用。隨著現(xiàn)代聲納技術(shù)的發(fā)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，能夠識別蛙人和可疑水下航體。
海洋漁業(yè)
探魚儀是一種可用于發(fā)現(xiàn)魚群的動向、魚群所在地點、范圍的聲納系統(tǒng)，利用它可以大大提高捕魚的產(chǎn)量和效率；助魚聲納設備可用于計數(shù)、誘魚、捕魚、或者跟蹤尾隨某條魚等。海水養(yǎng)殖場已利用聲學屏障防止鯊魚的入侵，以及阻止龍蝦魚類的外逃。
水聲通信
相關(guān)事件
2009年6月16日，中國外交部發(fā)言人秦剛在記者會上表示，中國政府6月12日注意到了有關(guān)中國潛艇同美國“麥凱恩”號驅(qū)逐艦拖曳聲吶6月11日在菲律賓蘇比克附近意外相撞的報道，中國有潛艇在南海進行正常的訓練活動，目前沒有接到發(fā)生所述情況的報告。與此同時，美國防部海軍發(fā)言人6月15日發(fā)表聲明稱，不能確定聲吶被何物撞壞，更不能確定是被中國潛艇撞壞。
分析人士認為，美國軍方這一次如此低調(diào)可能是確實未能確定是和中國潛艇相撞。其次，目前朝核問題讓美國焦頭爛額，在這個節(jié)骨眼上，美國迫切需要中國的支持。
“麥凱恩”號已抵達日本佐世保港進行檢修。“麥凱恩”號的拖曳聲吶集成了探測、分類和交戰(zhàn)等子系統(tǒng)，展開后可長達1700米，造價大約為2000萬美元。
發(fā)展趨勢
冷戰(zhàn)結(jié)束之后的海戰(zhàn)場已進入了信息戰(zhàn)時代。聲吶的發(fā)展也邁向了知識和信息時代，主要表現(xiàn)在以下方面：
繼續(xù)向低頻、大功率、大基陣方向發(fā)展。
鑒于聲波在海水中的傳播特性以及低頻大功率與基陣的關(guān)系，開發(fā)大孔徑低頻聲吶技術(shù)是解決遠程探潛、進行有效反潛的前提。
向系統(tǒng)性、綜合性發(fā)展。
艦艇聲吶系統(tǒng)將由單項功能的單部聲吶逐步發(fā)展為由多部聲吶組成的收一發(fā)分置、多基地、多傳感器的綜合聲吶系統(tǒng)，并進而構(gòu)成潛艇戰(zhàn)和反潛戰(zhàn)聲知識基作戰(zhàn)系統(tǒng)。如美國水面艦艇裝備的AN/SQQ一89反潛綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)，它是由艦殼主動聲吶、戰(zhàn)術(shù)拖曳線陣列聲吶、艦載直升機搜潛系統(tǒng)和聲吶信號處理機、反潛火控系統(tǒng)和聲吶狀態(tài)方式評估系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)于1991年開始裝備“阿利伯克”級驅(qū)逐艦。
向系列化、模塊化、標準化、高可靠性和可維修性發(fā)展。
現(xiàn)代聲吶設備，無論是換能器基陣、還是信號處理機柜及顯控臺，都趨向采用標準化的模塊式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有擴展性好、互換性強、便于維修、可靠性強、研制周期短、研制經(jīng)費少的優(yōu)點。
計算機的應用使聲吶向智能化方向發(fā)展。
用計算機進行聲吶波束形成、信號處理、目標跟蹤與識別、系統(tǒng)控制、性能監(jiān)測、故障檢測等。可大大提高聲吶的性能。隨著第五代計算機（即人工智能計算機）的問世，聲吶也正在向智能化方向發(fā)展。神經(jīng)網(wǎng)絡的研究已取得令人矚目的進展，它與計算機技術(shù)和信號處理技術(shù)相結(jié)合，使聲吶智能化成為可能。
由均勻傳播介質(zhì)、各向同性噪聲場和單個平面波信號條件下的聲吶設計發(fā)展為開發(fā)和利用非平面波、非高斯、非平穩(wěn)信號和噪聲實際特性的環(huán)境處理的聲吶設計，以獲取和占有更多的信息和知識，大幅度提高聲吶檢測距離、定位精度、識別正確率和目標運動分析/跟蹤能力。
支撐技術(shù)
被動測距
被動測距聲吶是從70年代初開始研制的。從理論上講，只要聲吶基陣的孔徑足夠大，用三點陣測距是沒有問題的。關(guān)鍵是把三個基陣的聲中心的相對延時精確測量出來。可以證明，被動測距的相對誤差等于測延時的相對誤差。
合成孔徑技術(shù)
合成孔徑聲吶的研制近十年來受到很大的重視。已經(jīng)報道有相當高性能的樣機問世。合成孔徑作為一種技術(shù)在雷達上成功應用已近40幾年了，但在聲吶上遲遲得不到實質(zhì)性的進展，主要是由于聲傳播的海洋介質(zhì)比無線電傳播的大氣介質(zhì)復雜很多，另外聲吶平臺運動速度與聲傳播速度之比是1: 106，所以合成孔徑聲吶的運動補償、成像遠比合成孔徑雷達復雜。合成孔徑聲吶的初步研究結(jié)果是令人振奮的，它大約可以在400m的距離上達10cm的分辨力，在以前是無法達到的。美國DTI(Dynamic Technology Inc) 研制的樣機在Washington湖作試驗時，甚至得到了一架早先沉沒湖底的飛機殘骸的“像”。合成孔徑技術(shù)還用于高分辨力的波束成形，這在安靜型潛艇輻射噪聲中可以獲得應用，利用這種技術(shù)可以把潛艇作為一個體積元，確定對輻射噪聲最有貢獻分量的部位。
數(shù)據(jù)融合
由于聲吶系統(tǒng)的集成度越來越高，數(shù)據(jù)量越來越大，單靠聲吶員處理多平臺、多傳感器的信息就顯得很不夠，所以數(shù)據(jù)融合的技術(shù)自然而然地受到重視，雖然還不能完全做到全自動判別，但至少為輔助決策提供了強有力的工具。數(shù)據(jù)融合從所處理的信息層次來分，可以分為三級，即基無級，特征級和決策級。研究課題的級別越到底層就越復雜。現(xiàn)在大多數(shù)的研究工作還是圍繞決策級展開的。數(shù)據(jù)融合中的一個基本定理，保證了聲吶系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)融合的必要性，這個定理是說，無論是獨立觀測資料還是相關(guān)觀測資料，最佳的線性數(shù)據(jù)融合所帶來的誤差不會大于任何個別觀測資料所帶來的誤差。
目標識別與水下快速運動目標軌跡提取
數(shù)字式聲吶的基本功能是測向和測距，目標識別的功能通常由聲吶員通過鑒別目標輻射噪聲來完成。隨著聲吶技術(shù)的發(fā)展，國外的一些聲納已具備目標識別功能，甚至專門配置魚雷報警聲吶。
聲吶危害
美國自然資源保護委員會（NRDC）的一項報告顯示，軍事聲吶等不斷加劇的海洋噪聲正影響著海豚、鯨的生活，因為這些動物必須依賴聲音進行交配、覓食以及躲避天敵。報告稱，海洋噪聲輕則影響海洋生物的長期行為，重則導致它們聽力喪失甚至死亡。
NRDC 的研究結(jié)果認為，科學界對于軍用聲吶可以傷害、殺死并大范圍破壞海洋哺乳動物這一點上已經(jīng)沒有爭議。美國環(huán)境和鯨保護組織也多年致力于保護海洋哺乳動物免受美軍聲吶影響的研究，結(jié)果顯示聲吶與鯨的死亡率之間的關(guān)聯(lián)很緊密。另外，聲吶也降低了大比目魚和其他魚類捕食的成功率，還影響了魚類的繁殖率和巨型海龜?shù)男袨榈取Ｒ恍~類的內(nèi)耳也受到了嚴重的傷害，這直接威脅著它們的生存。
由中頻聲吶試驗導致的鯨大量擱淺及死亡事件不斷發(fā)生：1996 年 5 月，美軍在北約的一次演習中，有 14 頭劍吻鯨在希臘海岸擱淺；2000 年 3 月，美軍在百慕大海域再度進聲吶實驗，由于軍艦配備的聲吶影響，3 個種類共 16 頭鯨擱淺在長達 150 米的海岸線上，其中 6 頭死亡——多個物種成群擱淺是非常罕見的，科學家發(fā)現(xiàn)沖灘擱淺的突吻鯨眼睛、顱部出血，肺爆裂，自此美軍接受了聲吶對海洋哺乳動物行為有影響的觀點；2002 年 7 月，66 頭領(lǐng)航鯨在馬薩諸塞州的海邊集體自殺，原因同樣與聲吶實驗有關(guān)；2004 年 7 月，在環(huán)太平洋軍事演習中，美軍聲吶測試開始后不久，夏威夷沿岸的淺水中就有 200 頭鯨魚擱淺，其中 1 頭鯨魚仔死亡；2005 年初，由于美軍聲吶試驗，37 頭鯨擱淺在北卡羅萊納州的外灘；2009 年 3 月，美國“無瑕號”在南海被中國漁政人員和漁民攔截并驅(qū)趕前，打開聲吶“工作”后不久就在“無瑕號”聲吶范圍內(nèi)的香港海岸邊，出現(xiàn)一條長逾 10 米的成年座頭鯨迷航擱淺。
科學家稱聲吶發(fā)射的聲波可能干擾鯨和海豚利用自身聲吶捕食。海軍的聲吶還可能驚嚇某些鯨類，特別是突吻鯨，促使它們沖出水面造成危險后果。相關(guān)政策要求海軍當有海洋哺乳動物在附近時要關(guān)停聲吶并采用其它手段來保護動物。
低頻主動聲吶技術(shù)比海軍裝備于多種潛艇和其他艦艇的中頻主動聲吶技術(shù)更加先進，當前只在美海軍的兩艘艦上使用，均部署在西太平洋，聯(lián)邦政府禁止它們在夏威夷群島海域使用這種聲吶。
在這種情況下，一方面海軍發(fā)射水下聲波用于感知水下目標，另一方面，低頻主動聲吶聲波比其他聲吶輻射的范圍更廣，環(huán)境保護主義者認為它對海洋哺乳動物有更大的危害。
參考資料
[1]
解讀潛艇聲吶:多在艇殼貼鑲“擠走”魚雷發(fā)射管-中新網(wǎng)[引用日期2022-06-23 12:35:25]
[2]
解讀潛艇聲吶:多在艇殼貼鑲“擠走”魚雷發(fā)射管-中新網(wǎng)[引用日期2022-06-23 12:36:39]
[3]
鯨魚躍上海岸集體“自殺”兇手是人類？噪音污染海洋里也有[引用日期2022-06-23 12:38:17]
[4]
科學匯 | 潛水艇是如何下潛上浮的？為啥鯨魚能下潛千米而潛艇不能……[引用日期2022-06-23 12:38:40]
[5]
多國海軍研發(fā)反聲吶系統(tǒng)增強潛艇隱蔽性(圖)-中新網(wǎng)[引用日期2022-06-23 12:39:52]
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
