
1912年4月14日深夜,英国建造的世界最大邮轮“泰坦尼克号”正航行在一片漆黑的纽芬兰海面上。“冰山!”正在船首瞭望的船员惊呼了起来。但一切都已经无法挽回了,全速航行的巨轮撞到了冰山上,酿成了人类历史上空前的海难……
“泰坦尼克号”的悲剧却直接导致了用于水下侦察的声纳的发明。
“声纳”原来的意思是声音导航和测距,“声纳”二字取的是英文缩拼读音的谐音。
实际上,早在14世纪,意大利科学家达·芬奇就开始了水下侦察的探索。达·芬奇发现水能够传递声音,并进而发明了被后人称为达·芬奇声管的早期水声器材。1490年,达·芬奇在他的日记中是这样描述他的声管的:“如果使船停止航行,将一根长管的头插入水中,将耳朵贴近长管的末端,就能听到远处航船的声音。”当时还没有出现机器驱动的轮船,有的仅仅是桨船、帆船,但达·芬奇声管已经能听到船行进的声音,这足以说明这一发明的优良性能。所以,后来人们将达·芬奇声管称为原始声纳。
1827年,瑞士物理学家丹尼尔·科拉顿和法国数学家查理士·斯特姆合作,进行了人类历史上第一次水中声速的测量,测出声音在水中的速度为每秒1435米,是声音在空气中速度的4倍。科学家们还发现,声音在海洋中前进时,一路上会被海水“蚕食”,在遇到海洋中的物体和海底时,声波还会反射回来,此时也会被“吞掉”不少声波。这些发现为声纳的真正诞生创造了非常重要的条件。
“泰坦尼克号”的沉没引起举世震惊,也带来了声纳发展的春天。1912年4月19日,也就是悲剧发生5天后,英国科学家理查森即大声呼吁:用空气回声装置进行定位!一个月后,他又提出了与空气回声定位相仿的水声回声定位方案。这就是世界上第一个主动声纳的设想方案。
理查森的设想是,声纳本身向水中发射声波,声波碰到水中物体后反射回来,声纳又能自己接收,从而探知前面有物体存在。利用这种装置,人们就能在黑夜和大雾等不良海况下直接探测到前方冰山等障碍物,从而避免类似“泰坦尼克号”那样的悲剧重演。
理查森的主动声纳设想理论上无懈可击,但限于当时的技术条件,这一设想没有付诸实施。直到第一次世界大战开始后,理查森的设想才又引起了人们的注意。
一战期间,德国潜艇肆无忌惮地攻击协约国的军舰和商船,仅1915年,德国潜艇每月就击沉协约国船舶20万吨以上,而德国潜艇平均每月仅损失一艘半!“哎哟,太可怕啦!得赶快发明一种能发现德国潜艇的仪器!”英国军方赶紧成立了一个潜艇探测研究委员会,研制成了噪声定位仪。这种仪器能听到潜艇在水下航行时螺旋桨转动击水的声音,并能根据噪声最强的方向,大略地判断出潜艇所在的方向。不过,如果德国潜艇趴在海下不动,噪声定位仪就无能为力了。从水下突然冒出的事先埋伏的德国潜艇仍令英国人猝不及防。
当英国人为此一筹莫展时,英国人的盟友——法国人却在另一个方向上进行研究。1915年3月,法国物理学家郎之万和希洛斯基在1912年理查森设想的基础上,提出了使用超声波进行水下探测的设想。1916年,郎之万成功地在水里产生了超声波,他发明的装置能很快探测到水下100米远的铁板发射回来的声音。
接下来的问题,是要找到一种有效的方法来产生超声波脉冲和接收从水下物体反射回来的声音,接收回声后,要使水下物体的位置能计算出来。这项工作花费了郎之万大量的精力,后来,郎之万终于在法国物理学家皮埃尔·居里和雅克·居里多年前发现的石英压电效应中得到启发,用石英制成了接收器,最后发明了被称为“回声定位仪”的声纳。
“回声定位仪”由换能器发出声波,声波碰到潜艇或其他物件后反射回来,经换能器接收,又变成电信号,经接收机放大处理,就会在显示器的荧光屏上显示出来,人们根据声波信号一去一回所用的时间和音调高低等,就可测出目标的距离和位置,判断出目标的性质。
遗憾的是,等郎之万的“回声定位仪”在1918年底问世,尚未为对付德国潜艇作出贡献,一战便结束了。直到二战开始,它才在海上大显身手,有效地制约了德国潜艇。
现在,声纳已成为各类舰艇和船只必备的仪器了。
声纳是一种电子设备,它利用水下声波探测、定位和通信。声纳设备一般由三部分组成:阵列、电子机柜和辅助设备。该阵列是通过以一定的几何图案排列和组合水声换能器而形成的。阵列的形状通常是球形、圆柱形、扁平形或线形。它分为接收阵列、发射阵列或接收和发射阵列。电子机柜通常具有传输、接收、显示和控制子系统。辅助设备包括供电设备、连接电缆、水下接线盒和扩声器、提升、旋转、俯仰、收放、牵引、悬挂、投放等与声纳阵列、声纳圆顶等传输控制相匹配的设备。
声学(声纳)是支国海军用于水下监视的主要技术手段,用于探测、分类、定位和跟踪水下目标。开展水下通信和导航,确保船只、反潜飞机和反潜直升机的战术机动性以及水下武器的使用。此外,声纳技术还广泛应用于鱼雷制导、水雷引信、鱼类探测、近海石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌测量等。根据声纳的工作方式、装备对象、战术用途、阵列携带方式和技术特点,可以将其分为不同类型。例如,根据工作模式,它可以分为主动声纳和被动声纳。根据装备对象,可分为水面舰艇声纳、潜艇声纳、航空声纳、便携式声纳和海岸声纳等。
主动声纳技术是指声纳主动发射声波来?照亮?目标,然后接收目标在水中反射的回波来确定目标的参数。大多数采用脉冲系统,有些采用连续波系统。被动声纳技术是指声纳被动接收水下目标(如船只)产生的辐射噪声和水声设备发出的信号,以确定目标的方位。
影响声纳工作性能的因素不仅有声纳自身的技术条件,还有外界条件。更直接的因素包括传播衰减、多径效应、混响干扰、海洋噪声、自噪声、目标反射特性或辐射噪声强度等。这主要与海洋环境因素有关。例如,由于海水介质分布的不均匀性以及海面和海床的影响和限制,声波会产生折射、散射、反射和干扰,并会产生声波线路的弯曲、信号的波动和失真,导致传播路径的变化和声阴影区的出现,这将严重影响声纳的工作距离和测量精度。