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声纳技术(水下的耳目)

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  • 2021-06-10 21:33:50
  • 来源:好房365

声纳技术(水下的耳目)

潜艇自发明并投人海战后,常常对敌方进行突然袭击,造成重创。声纳问世后,这种局面大为改观,潜艇不再是无处可寻。

水下的耳目-声纳的发明

电声互转换 军舰“千里眼”

1490年,意大利的科学家达·芬奇,把一根管子放到水中,另一头放到耳朵上。他惊奇地发现,能听到很远的船航行螺旋桨击水声。这可以说是原始声纳的诞生。

1827年,瑞土物理学家柯拉顿和德国数学家斯特模为了测出水中的声速,他俩在日内瓦的湖上,把一只大钟放在水下,人工进行敲击,然后测出声音在水下传递的速度。科学家们在试验中惊奇地发现,声音在水中传播的速度居然达到每小时5500千米,要比声音在空气中的速度快4倍,4个小时就可以跨过太平洋。科学家们还发现,声音在海洋里前进时,一路上要被海水“蚕食”,在遇到海洋中的物体和海底时,声波还会反射回来,此时也被“吞掉”了很多声波。不同频率的声波,在海水中被吸收和反射的程度也不相同。每秒振动在2万次以上的超声波,极容易被海水所吸收。但它有个特点,其能量集中,能朝一个方向前进,反射回来的声波也比较强烈。科学家们认为,如果这种超声波在海里传递,遇上潜艇,就会有强烈的回波,这样不就可以捕捉住潜艇了吗?

水下的耳目-声纳的发明

1840年,焦耳发现了磁致伸缩效应。1880年,英国的科学家比埃尔·居里首先突破这一点。他找到一种天然的压电晶体,制造出换能器,实现了电、声信号的转换。将电波变成声波,在海里发射,遇到物体后,声波反射回来,换能器又把声波变成电波,在特制的仪器上显示出来。第一架声纳就这样制造出来了。

后来科学家们又发现,根据发射出超声波信号到接收回波所需时间,就可以准确地测出与目标的距离或者海底的深度。许多科学家开始了这方面的研究。1915年,法国物理学家保罗·郎之万等人提出利用声波探测法,并在巴黎开始了这项研究。1916年,郎之万成功地研制成一个装置,能很快探测到水中100米外的钢板发出来的声波。世界上第一个无源声纳就这样诞生了。但这种无源声纳只能被动地接受水下物体发出的声波并对其进行测量,而不能主动地对水下无声目标进行搜寻和测量。如何才能用一种有效的方法发出声波脉冲信号并接受从水下物体反射回的声波,同时将这个水下物体的位置准确计算出来呢?郎之万想起了比埃尔·居里等人许多年前发现的压电效应。于是郎之万开始进行利用石英板做声纳装置的研究工作。不久,英国皇家海军的波意尔教授接替了郎之万的工作。英国军方更是对这项研究采取了严格的保密措施,还为这项研究取了一个代号“阿斯迪克”。很快,一种既能发射声波又能接收声波的有源声纳系统的研究取得了成功。1918年底,波意尔教授领导的英国皇家海军研究小组正式在军舰上安装、实验他们的声纳装置。世界上第一个探测水下目标的有源声纳装置就这样问世了。

水下的耳目-声纳的发明

有了声纳和雷达,军舰就好比装上了“千里眼”和“顺风耳”,对付和搜索潜艇就有办法了。太平洋战争爆发后,美国人的潜艇利用声纳原理,制成了“探雷器”装在潜艇上,穿过了日本人的层层水雷封锁线,钻进日本海向日本舰船发起突然袭击。美国的军港和海岸,在航道口都装上了声纳,使得许多日本潜艇一钻进来,就遭到美国军舰或飞机的攻击。德国人的潜艇“狼群”战术,称王称霸一时,但当英国人有了声纳后,这些“水下狼群”便一只只被上,被深水炸弹炸得粉身碎骨,葬身于海底。

可见科学家利用超声波这匹水下“千里马”,制成声纳,其在军事上的价值有多么大。

水下的耳目-声纳的发明

海豚启示 日益灵敏

科学发展是无止境的,现在声纳还远远不能适应反潜战的需要。于是,科学家们在生物声纳上寻找启发。从20世纪60年代开始,终于在海豚身上解开了神奇之谜。人们发现海豚身上的声纳,是最先进最高超的。

1961年,著名的鲸类专家诺里斯发现,用橡皮蒙住海豚双眼,海豚照样能穿过水下金属组成的“迷宫”,还能准确无误地找到水下的维生素胶丸。可是要是把海豚前额蒙住,海豚在水下就变得乱撞一气了。可见海豚是用前额发出声波来捕捉目标的。科学家解剖发现,海豚前额有个瓜状脂肪体,它像一个声透镜那样起聚焦作用,把声波聚成声束辐射出去。“瓜”状体还可以改变形状以控制发出不同幅度的声束;甚至可以在向前发射主体声束的同时,又可向90度方向发射一小的声束;它还可以随意改变每秒钟发射的脉冲数,最多时可达150千赫。

水下的耳目-声纳的发明

科学家们反复研究和实验,发现海豚有两架“声波发射机”。距离目标远时,它就发射低声,利用低声传播远的特点进行探测。当离目标近时,它就改发超声以提高分辨率。它好比用一架“发射和”封通讯用的“哨音”;另一架“发射机”则发出定位用的“滴答”声。

那么海豚的“声波接收机”又装在哪里呢?科学家发现海豚耳朵不大起作用,“声波接收机”是在下颌骨里。下颌骨中空、壁有一层薄膜,中间充满了脂肪,一直向后延伸到耳骨,并将其包围,从而形成一个独特的声波导管。同时,耳骨周围的组织又对这个波导管和头骨、上颌骨进行了有效的隔声,使得海豚接收声波有着良好的方向性。据科学家探测,海豚经下颌骨接受的声音,比通过耳朵多5倍。到达海豚下颌骨的回波角度为30°~90°,这时声波传导率最高。科学家还发现,海豚在接近猎物时有摇头的习惯,这是它在调整回波角度,是为了听得更准确。科学家还发现,海豚也有两部“声波接收机”,对两种不同频率的声波很敏感:一种是用于回声定位的高频超声波,另一种是用于通讯的频率低的声波。

水下的耳目-声纳的发明

海豚奇妙高超的声纳之谜,被科学家揭开了。美国的水声专家据此立即研制出军用的高级声纳。目前已研制出一种多波束回声探测仪,采用两套相同的水听器发射阵,每套能发射11个波束;每束宽5度,从而改变了普通测深仪只能发射一种声波的状况,效率就大大提高了。

科学家们还从海豚高速游泳中听觉不受水流噪声影响受到启发,寻根究底,发现海豚声纳外装有特制的导流罩,大大提高了声纳抗干扰的能力。起初,二次世界大战中发明的声纳,只能在静止时才听得到远处目标的噪声,当军舰航行时,特别是高速,噪音很大,将目标的噪音给淹没了,就再也听不到目标的噪音了。有了声纳导流罩,这个问题便得到解决,即使军舰开高速也能排除自身的噪音,去发现水下的潜艇。

科学家从海豚身上受到启发,使声纳作用有了很大提高,因而“水下的耳目”变得更加精明了。

声纳家族 各有千秋

声纳是一种水下探测设备,不仅仅军队使用,民间也使用。如探测鱼群、海洋开发、研究海底地形、水文测量、海洋石油勘探、水下作业、探测海底礁石等。声纳在军事上用于水中目标搜索、警戒、识别、跟踪、监视和测定、进行水下通信和导航。声纳技术还用于鱼雷自导和水雷引信。

声纳是一个大家族,在军队服务的主要有四种:水面舰艇声纳,它的主要任务是反潜,探听有没有潜水艇进攻,它的探测距离不同,近一点的达到5海里,最大的探测距离达到120海里;潜艇上服务声纳,它主要探测水下目标和水面目标,探听周围有没有别的潜艇存在以及水面上有沿者敌人的舰船,同时它还为鱼雷提供导航;机载声纳,在反潜巡逻机和反潜直升机上服务,它有一个很长的尾巴连着搜集水里的情报:固定声纳,在固定的位置上站岗放哨,它在海底或是飘浮在海面,侦香敌人的港艇,保卫国家的海防,藏在海底的声纳隐蔽性非常好,能够长时间地工作。

声纳本身是靠收集声音侦查水下目标的,靠声音侦查也有一个不足之处,携带声纳的船只自己也要发出声音,为了使自己发出的声音不干扰声纳的工作,潜艇、舰船都把声纳安放在声音比较小的部位。要避开螺旋桨、发动机这些地方,潜艇用声纳一般要放在顶部。舰艇携带的声纳,有一种叫做拖拽声纳,用一根绳索拉着声纳,离开船尾10米~100米的距离,这样防止声纳受舰船本身声音的干扰。声纳是一种很重要的探测设备,由于声纳靠声波探测,受水文条件的影响和目标变化的影响都很大。比如,在同一海区进行探测潜艇的作业,在冬天探测效果很好,到了夏天由于水温升高,探测的效果就明显下降,有时根本找不到目标。因为海水有的地方温度高,有的地方温度低,在这种变化层里声纳就很不稳定。如果有风浪、海底地形变化大、目标运行速度快等,都会影响声纳探测结果。为了进一步增强反潜艇的探测能量,除去要提高声纳性能外,还发明一些不完全靠声音探测的办法,与声纳配合使用。比如利用雷达或是用磁力探测仪、红外探测仪及废气探测仪等,因为常规潜艇不可能长期在水下活动,而是隔一两天就要浮出水面补充氧气,只要它一浮出水面就会被雷达发现。潜艇都是用钢佚制造的,它在水中航行会使磁场发生变化,可以用磁力方法来探测有没有潜艇。另外,潜艇本身散发一定的热量,也可以用红外探测的办法发现潜艇的存在。潜艇还要排出一些废气,可以利用测量废气来探测潜艇。所以各种探测设备要和声纳配合起来使用,才能起到最佳的效果。

水下的耳目-声纳的发明

随着现代电子计算机技术的广泛应用,声纳技术也取得了进一步的发展,在测量精度和速度上达到了新的水平。有矛必有盾,对付声纳也是有办法的,其中最有效的办法是降低潜艇发动机发出的声音,使对方不易发现。另外也可以利用干扰器对敌方的声纳装置实施干扰;或者利用模拟器产生一些虚假的信号来欺骗敌方的声纳,使敌人真假难辨。反声纳的技术出现以后,反过来又促进了声纳技术的发展。

水下的耳目-声纳的发明


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