潜艇的耳目

徐斌斌

潜艇有眼睛和耳朵？你是不是觉得有些奇怪，其实这个眼睛和耳朵就是声呐。

我们都知道，声音可以在固体、液体和气体中传播，而且遇到障碍物后会被反射回来。蝙蝠的回声定位利用的就是这一特点。而声呐就是一种利用声波能在水中传播的特性，通过电声转换和信息处理，来完成水下探测和通讯任务的电子设备。它是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。它可以接收从被探测物体上发射来的声波来确定该物体的信息，也可以向被探测的物体发射出声波，利用回声的特征来确定对方的信息。从这个方面上讲可以把声呐分成主动式声呐和被动式声呐。因为当水中或水面目标运动时，会产生机械振动和噪声，被动式声纳就可以接收到这种信号来探测对方的信息。这种被动式声呐隐蔽性好，识别目标能力强，缺点同样很明显，就是不能侦察静止的目标。主动式声纳可解决这一问题，但主动式声呐易暴露自己，且探测距离比被动式声呐短。

你可能会问了，为什么在水中是用声波来进行相应的探测？光波或者其他波不行吗？这是因为在水中进行观察和测量，声波具有得天独厚的优势，其他探测手段实现的探测距离都很短。就说光吧，它在水中的穿透能力非常有限，即使在最清澈的海水中，人们也只能看到十几米到几十米深的物体；电磁波在水中传播损失也很大，即使用大功率的低频电磁波，也只能准确传递几十米。但是声波在水中传递过程中的衰减就小很多。有科学家做过这样的实验：在深海中一个几公斤的炸弹爆炸时，两万公里外还可以收到讯号。所以在液体中进行测量和观察，至今还没有比声波更有效的手段。

声呐的技术至今已有100多年历史了。其实早在1490年，意大利著名艺术家和工程师达·芬奇就曾说过：“如果使船停航，将一根长管的封口端插入水中，而将开口放在耳旁，便能听到远处的航船。”可以说，达·芬奇所说的这种听测管即是现代声纳的雏型。这种方式跟中国古时提到的“伏地听声”异曲同工。但这种听测管非常原始，它只是被动地接收传来的信号，不能探测水下目标的方位，灵敏度也很低，属被动式声呐的一种。

从严格意义上说，第一部声呐仪是1906年由英国海军的刘易斯·尼克松所发明。他发明的是一种被动式的聆听装置，属于被动式声呐，主要用来侦测远处的冰山。

真正促进声呐迅速发展与成熟的是历史上著名的“泰坦尼克号”事件。1912年4月14日，英国豪华大客轮“泰坦尼克号”在赴美首航途中的北大西洋与冰山相撞而沉没，这一有史以来最大的海难事故引起了很大的震动，促使科学家研究对冰山的探测定位。英国科学家里查孙在船沉没后的第5天和一个月以后连续申报了两项专利，其中一个就提出利用声波在空气中和水中探测障碍物，要使用有指向性的发射换能器。

换能器是声呐中的重要器件（如下图），它是声能与其他形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换的装置。它有两个用途：一是在水下发射声波，称为“发射换能器”，相当于空气中的扬声器；二是在水下接收声波，称为“接收换能器”，相当于空气中的传声器（麦克风）。1913年，美国科学家费森登用自己设计的动圈式换能器制造了第一台回声探测仪。1914年4月他用这台设备发出的500～1000Hz的声波成功地探测到2海里（约合3.7公里）之外的冰山。

紧接着，1914年第一次世界大战爆发，从而极大地推动了水声定位技术的发展。第一次世界大战期间，德国人利用新发明的U型潜艇，击沉了大量协约国的军舰和商船，一时横行无敌，对协约国和其他国家的海上运输造成了很大的威胁，几乎中断了横跨大西洋的运输。协约国和其他国家十分恼火，也下定决心发展水声设备，用来侦测潜藏在水底的潜水艇。当时不少著名的科学家都参加了这一工作，使得声呐技术突飞猛进。这其中就包括年轻的俄国电机工程师希洛夫斯基、法国著名物理学家朗之万等。朗之万和希洛夫斯基使用高频率的超声波，1915年底和1916年初在塞纳河的两岸间做传播试验获得成功，实现了两公里的单向传播，收到了海底的反射信号和200m外一块钢板的反射信号。

第二次世界大战及战后年代，各国都意识到了声呐技术的重要性，声呐技术得到了更为全面的发展。这时期，声呐探测的距离不断增加，对目标的分辨能力不断提高，相继出现了各种类型的声呐，如核潜艇上的巨型声呐，鱼雷头上的制导声呐等。

最初大力发展声呐的主要目的是用于探测敌方潜艇，因此它还有一个很响亮的称号“水下侦察兵”。不过随着技术的发展，声呐已发展到第五代，即数字式声呐，性能有了很大提高。已经不仅仅只是用于军事上的搜索潜艇、探测水雷、海底警戒、水下导航、水中（鱼雷、水雷等）制导和对抗，还用于海洋资源的探测、研究和开发，如探测鱼群和虾群，探测海洋的深度、海底礁石、沉船、油管、海底电缆和水下障碍物以及海底石油和天然气等。

其实声呐也不是人类的专利，不少动物都有它们自己的“声呐”。如果你是一个游戏发烧友，你一定玩过《红色警戒》，游戏中美军一方就有一种水下武器──海豚，它攻击潜艇的方式就是利用超声波，这也是一种带有攻击性的声呐系统。

蝙蝠利用自己的“主动声呐”可以探查到很细小的昆虫及0.1mm粗细的金属丝障碍物。而飞蛾等昆虫也具有“被动声呐”，能清晰地听到40m以外的蝙蝠超声，因而往往得以逃避攻击。

我国长江中下游的白鳍豚，它的“声呐”系统更为完整，“分工”更为明确，有定位用的，有通讯用的，有报警用的，并有通过调频来调制位相的特殊功能。多种鲸类都用声呐来探测和通信。其他海洋哺乳动物，如海豹、海狮等也都会发射出声呐信号，进行探测。

现在回过头来看看文中一开始提到的潜艇相撞事故。美国环球安全网主任、防务专家约翰·派克在接受新华社记者采访时就曾经表示，本次的潜艇相撞事故可能与双方关闭了主动声呐而仅使用被动声呐有关。潜艇在低速行驶状态下噪音很小，很难被探测到。如果使用主动声呐，又可能会暴露行踪。因此，事故发生前，两艘潜艇可能都只使用了被动声呐，它可能探测不到缓慢移动的潜艇，这也可能是英法潜艇相撞的真正原因。

人教版物理八年级上册第二章《声现象》课外延伸阅读