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聲吶是英文縮寫「SONAR」的音譯,其中文全稱為:聲音導航與測距,是一種利用聲波在水下的傳播特性,通過電聲轉換和信息處理,完成水下探測和通訊任務的電子設備。

聲吶聲吶

聲吶是英文縮寫「SONAR」的音譯,其中文全稱為:聲音導航與測距,是一種利用聲波在水下的傳播特性,通過電聲轉換和信息處理,完成水下探測和通訊任務的電子設備。它有主動式和被動式兩種類型,屬於聲學定位的範疇。聲吶是利用水中聲波對水下目標進行探測、定位和通信的電子設備,是水聲學中應用最廣泛、最重要的一種裝置。

1 聲吶 -概述

聲吶聲吶模式

作為一種聲學探測設備,主動式聲吶是在英國首先投入使用的,不過英國人把這種設備稱為「ASDIC」(潛艇探測器),美國人稱其為「SONAR」,後來英國人也接受了此叫法。

由於電磁波在水中衰減的速率非常的高,無法做為偵測的訊號來源,以聲波探測水面下的人造物體成為運用最廣泛的手段。無論是潛艇或者是水面船隻,都利用這項技術的衍生系統,探測水地下的物體,或者是以其作為導航的依據。

2 聲吶 -歷史沿革

聲吶聲吶

聲吶技術至今已有超過100年歷史,它是1906年由英國海軍的李維斯·理察森所發明。他發明的第一部聲吶儀是一種被動式的聆聽裝置,主要用來偵測冰山。這種技術,到第一次世界大戰時開始被應用到戰場上,用來偵測潛藏在水底的潛水艇,這些聲吶只能被動聽音,屬於被動聲吶,或者叫做「水聽器」。

在1915年,法國物理學家Paul Langevin與俄國電氣工程師Constantin Chilowski合作發明了第一部用於偵測潛艇的主動式聲吶設備。儘管後來壓電式變換器取代了他們一開始使用的靜電變換器,但他們的工作成果仍然影響了未來的聲吶設計。

1916年,加拿大物理學家Robert Boyle承攬下一個屬於英國發明研究協會的聲吶項目,Robert Boyle在1917年年中製作出了一個用於測試的原始型號主動聲吶,由於該項目很快就劃歸ASDIC,(反潛/盟軍潛艇偵測調查委員會)管轄,此種主動聲吶亦被稱英國人稱為「ASDIC」,為區別於SONAR的音譯「聲吶」,將ASDIC翻譯為「潛艇探測器」。

1918年,英國和美國都生產出了成品。1920年英國在皇家海軍HMS Antrim號上測試了他們仍稱為「ASDIC」的聲吶設備,1922年開始投產,1923年第六驅逐艦支隊裝備了擁有ASDIC的艦艇。

1924年在波特蘭成立了一所反潛學校——皇家海軍Ospery號(HMS Osprey),並且設立了一支有四艘裝備了潛艇探測器的艦艇的訓練艦隊。

1931年美國研究出了類似的裝置,稱為SONAR(聲吶)。

3 聲吶 -基本原理

聲波是觀察和測量的重要手段。有趣的是,英文「sound」一詞作為名詞是「聲」的意思,作為動詞就有「探測」的意思,可見聲與探測關係之緊密。

在水中進行觀察和測量,具有得天獨厚條件的只有聲波。這是由於其他探測手段的作用距離都很短,光在水中的穿透能力很有限,即使在最清澈的海水中,人們也只能看到十幾米到幾十米內的物體;電磁波在水中也衰減太快,而且波長越短,損失越大,即使用大功率的低頻電磁波,也只能傳播幾十米。

然而,聲波在水中傳播的衰減就小得多,在深海聲道中爆炸一個幾公斤的炸彈,在兩萬公裡外還可以收到信號,低頻的聲波還可以穿透海底幾千米的地層,並且得到地層中的信息。在水中進行測量和觀察,至今還沒有發現比聲波更有效的手段。

4 聲吶 -結構分類

聲吶裝置一般由基陣、電子機櫃和輔助設備三部分組成

基陣由水聲換能器以一定幾何圖形排列組合而成,其外形通常為球形、柱形、平板形或線列行,有接收基陣、發射機陣或收發合一基陣之分。

電子機櫃一般有發射、接收、顯示和控制等分系統。輔助設備包括電源設備、連接電纜、水下接線箱和增音機、與聲吶基陣的傳動控制相配套的升降、迴轉、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等裝置,以及聲吶導流罩等。

換能器是聲吶中的重要器件,它是聲能與其它形式的能如機械能、電能、磁能等相互轉換的裝置。

聲吶系統可以大致上分為兩類:

1)「主動聲吶」工作原理與雷達類似,會自己發出音響訊號,藉由這個訊號接觸物體后反射回來的變化,做為計算這個物體的相對方位與距離的資料。

2)「被動聲吶」的作用和傳統的水下聽音裝置「水聽器」(Hydraphone)極為相近,不發出任何訊號,只接收來自於周遭的各種音頻訊號來判斷與識別不同的物體。

5 聲吶 -應用發展

聲吶是各國海軍進行水下監視使用的主要技術,用於對水下目標進行探測、分類、定位和跟蹤;進行水下通信和導航,保障艦艇、反潛飛機和反潛直升機的戰術機動和水中武器的使用。此外,聲吶技術還廣泛用於魚雷制導、水雷引信,以及魚群探測、海洋石油勘探、船舶導航、水下作業、水文測量和海底地質地貌的勘測等。聲吶可按工作方式,按裝備對象,按戰術用途、按基陣攜帶方式和技術特點等分類方法分成為各種不同的聲吶。例如按工作方式可分為主動聲吶和被動聲吶;按裝備對象可分為水面艦艇聲吶、潛艇聲吶、航空聲吶、攜帶型聲吶和海岸聲吶,等等。

傳統上潛艇安裝聲吶的主要位置是在最前端的位置,由於現代潛艇非常依賴被動聲吶的探測效果,巨大的收音裝置不僅僅讓潛艇的直徑水漲船高,原先在這個位置上的魚雷管也得乖乖讓出位置而退到兩旁去。

其他安裝在潛艇上的聲吶型態還包括安裝在艇身其他位置的被動聲吶聽音裝置,利用不同位置收到的同一訊號,經過電腦處理和運算之後,就可以迅速的進行粗淺的定位,對於艇身較大的潛艇來說比較有利,因為測量的基線較長,準確度較高。

另外一種聲吶稱為「拖曳聲吶」,因為這種聲吶裝置在使用時,以纜線與潛艇連接,聲吶的本體則遠遠的拖在潛艇的後面進行探測,拖曳聲吶的使用大幅強化潛艇對於全方位與不同深度的偵測能力,尤其是潛艇的尾端。這是因為潛艇的尾端同時也是動力輸出的部分,由於水流的聲音的干擾,位於前方的聲吶無法聽到這個區域的訊號而形成一個盲區。使用拖曳聲吶之後就能夠消除這個盲區,找出躲在這個區域的目標。

6 聲吶 -影響因素

影響聲吶工作性能的因素除聲吶本身的技術狀況外,外界條件的影響很嚴重。比較直接的因素有傳播衰減、多路徑效應、混響干擾、海洋雜訊、自雜訊、目標反射特徵或輻射雜訊強度等,它們大多與海洋環境因素有關。例如,聲波在傳播途中受海水介質不均勻分佈和海面、海底的影響和制約,會產生折射、散射、反射和干涉,會產生聲線彎曲、信號起伏和畸變,造成傳播途徑的改變,以及出現聲陰區,嚴重影響聲吶的作用距離和測量精度。

現代聲吶根據海區聲速--深度變化形成的傳播條件,可適當選擇基陣工作深度和俯仰角,利用聲波的不同傳播途徑(直達聲、海底反射聲、會聚區、深海聲道)來克服水聲傳播條件的不利影響,提高聲吶探測距離。又如,運載平台的自雜訊主要與航速有關,航速越大自雜訊越大,聲吶作用距離就越近,反之則越遠;目標反射本領越大,被對方主動聲吶發現的距離就越遠;目標輻射雜訊強度越大,被對方被動聲吶發現的距離就越遠。

7 聲吶 -相關動物

聲吶並非人類的專利,不少動物都有它們自己的「聲吶」。蝙蝠就用喉頭髮射每秒10-20次的超聲脈衝而用耳朵接收其回波,藉助這種「主動聲吶」它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。然而有的蝙蝠能使用超出昆蟲偵聽範圍的高頻超聲或低頻超聲,從而使捕捉昆蟲的命中率仍然很高。看來,動物也和人類一樣進行著「聲吶戰」!海豚和鯨等海洋哺乳動物則擁有「水下聲吶」,它們能產生一種十分確定的訊號探尋食物和相互通迅。

多種鯨類都用聲來探測和通信,它們使用的頻率比海豚的低得多,作用距離也遠得多。其他海洋哺乳動物,如海豹、海獅等也都會發射出聲吶信號,進行探測。

海豚聲吶的靈敏度很高,能發現幾米以外直徑0.2mm的金屬絲和直徑lmm的尼龍繩,能區別開只相差200卜s時間的兩個信號,能發現幾百米外的魚群,能遮住眼睛在插滿竹竿的水池子中靈活迅速地穿行而不會碰到竹竿;海豚聲吶的「目標識別」能力很強,不但能識別不同的魚類,區分開黃銅、鋁、電木、塑料等不同的物質材料,還能區分開自己發聲的回波和人們錄下它的聲音而重放的聲波;海豚聲吶的抗干擾能力也是驚人的,如果有雜訊干擾,它會提高叫聲的強度蓋過雜訊,以使自己的判斷不受影響;而且,海豚聲吶還具有感情表達能力,已經證實海豚是一種有「語言」的動物,它們的「交談」正是通過其聲吶系統。尤其是僅存於世的四種淡水豚中最珍貴的一種-中國長江中下游的白鰭豚,它的聲吶系統「分工」明確,有為定位用的,有為通訊用的,有為報警用的,並有通過調頻來調製位相的特殊功能。

終身在極度黑暗的大洋深處生活的動物是不得不採用聲吶等各種手段來搜尋獵物和防避攻擊的,它們的聲吶的性能是人類現代技術所遠不能及的。解開這些動物聲吶的謎,一直是現代聲吶技術的重要研究課題。

8 聲吶 -相關事件

2009年6月16日,中國外交部發言人秦剛在記者會上表示,中國政府6月12日注意到了有關中國潛艇同美國「麥凱恩」號驅逐艦拖曳聲吶6月11日在菲律賓蘇比克附近意外相撞的報道,中國有潛艇在南海進行正常的訓練活動,目前沒有接到發生所述情況的報告。與此同時,美國防部海軍發言人6月15日發表聲明稱,不能確定聲吶被何物撞壞,更不能確定是被中國潛艇撞壞。

分析人士認為,美國軍方這一次如此低調可能是確實未能確定是和中國潛艇相撞。其次,目前朝核問題讓美國焦頭爛額,在這個節骨眼上,美國迫切需要中國的支持。

「麥凱恩」號已抵達日本佐世保港進行檢修。「麥凱恩」號的拖曳聲吶集成了探測、分類和交戰等子系統,展開后可長達1700米,造價大約為2000萬美元。

9 聲吶 -參考資料

[1] 海都網 http://www.hdzxw.com/news/2009/6-18/FD_U_Article-1-42-47-5551027.html

[2] 江門新聞網 http://www.jmnews.com.cn/c/2009/02/18/21/c_5894054.shtml 

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