從寂靜中聽聲
——聲吶的基本原理

畢 琳/文

聲吶是利用水中聲波對水下目標(biāo)進(jìn)行探測、定位和通信的電子設(shè)備，是水聲學(xué)中應(yīng)用最廣泛、最重要的一種裝置。實(shí)際上是以聲音導(dǎo)航測距。

聲吶的緣起

人類從很久以前就開始利用聲波尋找水下物體。例如，漁民可以利用聲音來探測水下魚群，15世紀(jì)意大利的達(dá)·芬奇提出了用插到水中的空氣管來收聽遠(yuǎn)處航船噪聲的方法。聲吶技術(shù)至今已有100多年的歷史，英國海軍的劉易斯·尼克松在1906年發(fā)明了第一個聲吶接收設(shè)備，利用聲波來探測淹沒在水下的冰山。第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，以法國物理學(xué)家P.朗之萬為首的科學(xué)小組著手研究用水聲方法來探測潛艇，從此“聲吶”作為海軍潛艇的秘密武器登上了歷史舞臺。

“聲吶”一詞誕生于第二次世界大戰(zhàn)，頻發(fā)的海洋戰(zhàn)爭使人們對水下偵查和反潛技術(shù)的需求越來越強(qiáng)烈，在這個時期作為水聲兵器的聲吶得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。聲吶作用的距離不斷增加，對目標(biāo)的分辨能力不斷提高，出現(xiàn)了各種功能的軍用聲吶，大到核潛艇上的巨型聲吶，小到魚雷頭上的制導(dǎo)聲吶。在第二次世界大戰(zhàn)期間，交戰(zhàn)各方共損失一千多艘潛艇，其中大部分是被聲吶發(fā)現(xiàn)的?！岸?zhàn)”后，美、蘇兩霸進(jìn)行軍備競賽，水聲兵器也是重要內(nèi)容之一。此后，隨著信息論和數(shù)字處理技術(shù)的迅速發(fā)展，核潛艇和核導(dǎo)彈的出現(xiàn)，使原來近距離監(jiān)測潛艇的戰(zhàn)術(shù)性聲探測，逐步發(fā)展為在大洋中遠(yuǎn)距離監(jiān)測核潛艇的戰(zhàn)略性聲探測。從最初的探測水下冰山，到偵察打擊潛藏在暗處的敵人，聲吶始終是其中至關(guān)重要的一環(huán)。聲吶的出現(xiàn)，不僅減小了航海事故的發(fā)生率，提高了人們的航海安全系數(shù)，也為保衛(wèi)國家領(lǐng)海主權(quán)，維護(hù)國家安全立下了汗馬功勞。

深海中的眼睛

海水是電的良導(dǎo)體，而電磁波在導(dǎo)體中存在著“趨膚效應(yīng)”，即電磁波在導(dǎo)體中傳播時，會趨近于導(dǎo)體的表面而無法深入導(dǎo)體內(nèi)部。這樣一來，無往不勝的電磁波在水中傳播時會陷入水表層的渦流中而無法深入。磁場雖不受趨膚效應(yīng)的影響，但它衰減太快，只能作用于巨型目標(biāo)或在米級范圍內(nèi)進(jìn)行感應(yīng)。聲波是一種機(jī)械縱波，它的傳播依賴于介質(zhì)分子之間的相互推動，而液體具有難以壓縮的特性，聲波在水中會以漣漪擴(kuò)散的方式不斷地傳遞下去。所以在水下，聲信號成了遠(yuǎn)距離傳遞信息與能量的最佳選擇。深海聲道中一個幾公斤的炸彈爆炸后，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。人們利用聲音在水介質(zhì)中的傳播特性研制出了各種聲吶設(shè)備，它們不僅在水下軍事通信、導(dǎo)航和反潛作戰(zhàn)中有著至關(guān)重要的地位，而且在和平時期已經(jīng)成為人類認(rèn)識、開發(fā)和利用海洋的重要手段。隨著聲吶技術(shù)的不斷進(jìn)步，洞悉海底兩萬里不再是夢，聲吶當(dāng)之無愧成為透視深海的千里眼。

聲吶種類繁多，功能各異，按工作原理主要分為主動聲吶和被動聲吶兩種。首批問世的聲吶就是受蝙蝠的啟發(fā)創(chuàng)造出來的主動聲吶，是仿生學(xué)的一個驕傲。蝙蝠是唯一真正有飛翔能力的哺乳動物，它具有一種非凡的本領(lǐng)，就是能在黑暗中準(zhǔn)確地捕食。1794年，意大利的生物學(xué)家帕蘭扎尼發(fā)現(xiàn)，蒙住眼睛的蝙蝠在布滿縱橫交錯的細(xì)線的房間里來回飛行卻不會觸碰細(xì)線，但如果把蝙蝠的耳朵蒙上它就會像無頭蒼蠅般四處亂撞。這引起了科學(xué)家極大的興趣。后來科學(xué)家利用高頻脈沖檢測裝置證明了蝙蝠具有先進(jìn)的超聲波定位本領(lǐng)，即蝙蝠在飛行過程中會發(fā)出一種人耳聽不到的超聲波，當(dāng)超聲波被物體擋住后會反射回來被蝙蝠的耳朵接收，根據(jù)反射波到達(dá)的時間和方位蝙蝠就可以判斷出食物的位置。

受蝙蝠覓食原理的啟發(fā)，人們發(fā)明了利用聲波在水下測量目標(biāo)位置的儀器——主動聲吶。主動聲吶發(fā)射某種形式的聲信號，利用信號在水下傳播途中障礙物或目標(biāo)反射的回波來進(jìn)行探測。由于目標(biāo)信息保存在回波之中，所以可根據(jù)接收到的回波信號來判斷目標(biāo)的存在，并測量或估計(jì)目標(biāo)的距離、方位、速度等參量。主動聲吶主要由換能器基陣、發(fā)射機(jī)、定時中心、接收機(jī)、顯示器、控制器等幾個部分組成。

被動聲吶技術(shù)是指聲吶被動接收艦船等水中目標(biāo)產(chǎn)生的輻射噪聲和水聲設(shè)備發(fā)射的信號，以測定目標(biāo)的方位和距離。目標(biāo)發(fā)出的聲音及其特征在聲吶設(shè)計(jì)時并不可控，設(shè)計(jì)者對其了解也往往不全面，只能對某預(yù)定目標(biāo)的聲音進(jìn)行設(shè)計(jì)。如目標(biāo)為潛艇，那么目標(biāo)自身發(fā)出的噪聲包括螺旋槳轉(zhuǎn)動噪聲、艇體與水流摩擦產(chǎn)生的動水噪聲，以及各種發(fā)動機(jī)的機(jī)械振動引起的輻射噪聲等。此時，安置在己方潛艇上的被動聲吶將目標(biāo)潛艇的噪聲作為信號進(jìn)行監(jiān)測。從技術(shù)上看，被動聲吶比主動聲吶更加復(fù)雜，它不僅要接收目標(biāo)潛艇產(chǎn)生的經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸后變得十分微弱的噪聲，還要將其與潛艇自身產(chǎn)生的噪聲區(qū)分開來并進(jìn)行精確分析，因而被動聲吶需要采用比主動聲吶更多的信號處理措施。由于被動聲吶本身不發(fā)射信號，被動聲波技術(shù)在海水中只是單程傳播，所以目標(biāo)將不會覺察聲吶的存在及其意圖，隱蔽性極強(qiáng)，故特別適用于不能發(fā)聲暴露自己而又要探測敵艦活動的潛艇。

此外，聲吶還有許多不同的分類方式。例如，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；按使用者不同可分為軍用聲吶和民用聲吶；按用途可分為探測聲吶、偵查聲吶、導(dǎo)航聲吶和警戒聲吶；按裝配方式可分為拖曳聲吶、艦殼聲吶和直升機(jī)吊放聲吶等。

在風(fēng)雨中成長

抗戰(zhàn)時期，毛澤東同志深刻地總結(jié)了中華民族歷史上有海無防、任人宰割的歷史教訓(xùn)，深刻認(rèn)識到建設(shè)海軍、發(fā)展海權(quán)、鞏固海防對中華民族生存發(fā)展的重要性與緊迫性，提出了建設(shè)強(qiáng)大海軍的思想。在人民海軍創(chuàng)建初期，他多次要求一定要建立強(qiáng)大的海軍。這一意志被海軍將士所傳承，踏上了以聲吶研發(fā)為主的求索之路。

中國海軍建立初期實(shí)行的是近岸防御的戰(zhàn)略，水面艦艇兵力構(gòu)成以輕小型艦艇為主，反潛艦艇也不例外，獵潛艇就是當(dāng)時中國海軍水面反潛體系的骨干和主體。20世紀(jì)80年代，為了進(jìn)一步提高獵潛艇的性能，中國海軍為其加裝了引自法國的SS-12型艇載小型拖曳變深聲吶，通過調(diào)節(jié)拖纜長度改變拖體與艦艇的距離和下潛深度。其最大的優(yōu)點(diǎn)就是遠(yuǎn)離載艦，可以降低載艦噪聲對聲吶的干擾。1991年末隨著蘇聯(lián)的解體和冷戰(zhàn)的結(jié)束，中國的國際環(huán)境有了根本變化，我們可能會受到來自當(dāng)今最先進(jìn)核潛艇的挑戰(zhàn)。這些核潛艇配備有當(dāng)今最先進(jìn)的綜合聲吶系統(tǒng)，探測距離遠(yuǎn)、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，對我國的聲吶反潛技術(shù)提出了更高的要求。2003年我國自主研發(fā)的SJG-206型拖曳聲吶成功投入使用，這是21世紀(jì)初中國水聲行業(yè)的驕傲。它全長300米，最大作用距離100海里，最大工作深度接近1000米，其對核潛艇等目標(biāo)的探測距離在80千米左右，可以同時跟蹤5個以上的目標(biāo)，使我國綜合反潛系統(tǒng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

70年迎難而上，70年風(fēng)雨兼程，我國的聲吶技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從無到有、從有到精的偉大飛躍，這其中包含著一代代科研工作者的心血和廣大海軍將士們的不懈追求。聲吶——在蔚藍(lán)的大海深處默默守護(hù)著國家安全的勇士——令百姓們安居，給侵略者恫嚇。（國防科工局經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展中心）