潛艇的耳目

徐斌斌

潛艇有眼睛和耳朵？你是不是覺得有些奇怪，其實這個眼睛和耳朵就是聲吶。

我們都知道，聲音可以在固體、液體和氣體中傳播，而且遇到障礙物后會被反射回來。蝙蝠的回聲定位利用的就是這一特點。而聲吶就是一種利用聲波能在水中傳播的特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，來完成水下探測和通訊任務的電子設(shè)備。它是水聲學中應用最廣泛、最重要的一種裝置。它可以接收從被探測物體上發(fā)射來的聲波來確定該物體的信息，也可以向被探測的物體發(fā)射出聲波，利用回聲的特征來確定對方的信息。從這個方面上講可以把聲吶分成主動式聲吶和被動式聲吶。因為當水中或水面目標運動時，會產(chǎn)生機械振動和噪聲，被動式聲納就可以接收到這種信號來探測對方的信息。這種被動式聲吶隱蔽性好，識別目標能力強，缺點同樣很明顯，就是不能偵察靜止的目標。主動式聲納可解決這一問題，但主動式聲吶易暴露自己，且探測距離比被動式聲吶短。

你可能會問了，為什么在水中是用聲波來進行相應的探測？光波或者其他波不行嗎？這是因為在水中進行觀察和測量，聲波具有得天獨厚的優(yōu)勢，其他探測手段實現(xiàn)的探測距離都很短。就說光吧，它在水中的穿透能力非常有限，即使在最清澈的海水中，人們也只能看到十幾米到幾十米深的物體；電磁波在水中傳播損失也很大，即使用大功率的低頻電磁波，也只能準確傳遞幾十米。但是聲波在水中傳遞過程中的衰減就小很多。有科學家做過這樣的實驗：在深海中一個幾公斤的炸彈爆炸時，兩萬公里外還可以收到訊號。所以在液體中進行測量和觀察，至今還沒有比聲波更有效的手段。

聲吶的技術(shù)至今已有100多年歷史了。其實早在1490年，意大利著名藝術(shù)家和工程師達·芬奇就曾說過：“如果使船停航，將一根長管的封口端插入水中，而將開口放在耳旁，便能聽到遠處的航船。”可以說，達·芬奇所說的這種聽測管即是現(xiàn)代聲納的雛型。這種方式跟中國古時提到的“伏地聽聲”異曲同工。但這種聽測管非常原始，它只是被動地接收傳來的信號，不能探測水下目標的方位，靈敏度也很低，屬被動式聲吶的一種。

從嚴格意義上說，第一部聲吶儀是1906年由英國海軍的劉易斯·尼克松所發(fā)明。他發(fā)明的是一種被動式的聆聽裝置，屬于被動式聲吶，主要用來偵測遠處的冰山。

真正促進聲吶迅速發(fā)展與成熟的是歷史上著名的“泰坦尼克號”事件。1912年4月14日，英國豪華大客輪“泰坦尼克號”在赴美首航途中的北大西洋與冰山相撞而沉沒，這一有史以來最大的海難事故引起了很大的震動，促使科學家研究對冰山的探測定位。英國科學家里查孫在船沉沒后的第5天和一個月以后連續(xù)申報了兩項專利，其中一個就提出利用聲波在空氣中和水中探測障礙物，要使用有指向性的發(fā)射換能器。

換能器是聲吶中的重要器件（如下圖），它是聲能與其他形式的能如機械能、電能、磁能等相互轉(zhuǎn)換的裝置。它有兩個用途：一是在水下發(fā)射聲波，稱為“發(fā)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（麥克風）。1913年，美國科學家費森登用自己設(shè)計的動圈式換能器制造了第一臺回聲探測儀。1914年4月他用這臺設(shè)備發(fā)出的500～1000Hz的聲波成功地探測到2海里（約合3.7公里）之外的冰山。

緊接著，1914年第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，從而極大地推動了水聲定位技術(shù)的發(fā)展。第一次世界大戰(zhàn)期間，德國人利用新發(fā)明的U型潛艇，擊沉了大量協(xié)約國的軍艦和商船，一時橫行無敵，對協(xié)約國和其他國家的海上運輸造成了很大的威脅，幾乎中斷了橫跨大西洋的運輸。協(xié)約國和其他國家十分惱火，也下定決心發(fā)展水聲設(shè)備，用來偵測潛藏在水底的潛水艇。當時不少著名的科學家都參加了這一工作，使得聲吶技術(shù)突飛猛進。這其中就包括年輕的俄國電機工程師希洛夫斯基、法國著名物理學家朗之萬等。朗之萬和希洛夫斯基使用高頻率的超聲波，1915年底和1916年初在塞納河的兩岸間做傳播試驗獲得成功，實現(xiàn)了兩公里的單向傳播，收到了海底的反射信號和200m外一塊鋼板的反射信號。

第二次世界大戰(zhàn)及戰(zhàn)后年代，各國都意識到了聲吶技術(shù)的重要性，聲吶技術(shù)得到了更為全面的發(fā)展。這時期，聲吶探測的距離不斷增加，對目標的分辨能力不斷提高，相繼出現(xiàn)了各種類型的聲吶，如核潛艇上的巨型聲吶，魚雷頭上的制導聲吶等。

最初大力發(fā)展聲吶的主要目的是用于探測敵方潛艇，因此它還有一個很響亮的稱號“水下偵察兵”。不過隨著技術(shù)的發(fā)展，聲吶已發(fā)展到第五代，即數(shù)字式聲吶，性能有了很大提高。已經(jīng)不僅僅只是用于軍事上的搜索潛艇、探測水雷、海底警戒、水下導航、水中（魚雷、水雷等）制導和對抗，還用于海洋資源的探測、研究和開發(fā)，如探測魚群和蝦群，探測海洋的深度、海底礁石、沉船、油管、海底電纜和水下障礙物以及海底石油和天然氣等。

其實聲吶也不是人類的專利，不少動物都有它們自己的“聲吶”。如果你是一個游戲發(fā)燒友，你一定玩過《紅色警戒》，游戲中美軍一方就有一種水下武器──海豚，它攻擊潛艇的方式就是利用超聲波，這也是一種帶有攻擊性的聲吶系統(tǒng)。

蝙蝠利用自己的“主動聲吶”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。

我國長江中下游的白鰭豚，它的“聲吶”系統(tǒng)更為完整，“分工”更為明確，有定位用的，有通訊用的，有報警用的，并有通過調(diào)頻來調(diào)制位相的特殊功能。多種鯨類都用聲吶來探測和通信。其他海洋哺乳動物，如海豹、海獅等也都會發(fā)射出聲吶信號，進行探測。

現(xiàn)在回過頭來看看文中一開始提到的潛艇相撞事故。美國環(huán)球安全網(wǎng)主任、防務專家約翰·派克在接受新華社記者采訪時就曾經(jīng)表示，本次的潛艇相撞事故可能與雙方關(guān)閉了主動聲吶而僅使用被動聲吶有關(guān)。潛艇在低速行駛狀態(tài)下噪音很小，很難被探測到。如果使用主動聲吶，又可能會暴露行蹤。因此，事故發(fā)生前，兩艘潛艇可能都只使用了被動聲吶，它可能探測不到緩慢移動的潛艇，這也可能是英法潛艇相撞的真正原因。

人教版物理八年級上冊第二章《聲現(xiàn)象》課外延伸閱讀