基本介紹
- 中文名：聲吶
- 外文名：sonar
- 全稱：聲音導航與測距
- 類型：主動式和被動式
發展沿革,歷史沿革,工作原理,結構分類,結構,安裝,分類,發展趨勢,影響因素,生物“聲吶”,套用領域,軍事,海洋測繪,海流流速測量,海洋漁業,水聲通信,相關事件,聲吶危害,
發展沿革
聲吶是一種聲學探測設備，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）。
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，因此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，探測水底下的物體，或者是以其作為導航的依據。作遠距離傳輸的能量形式。於是探測水下目標的技術——聲吶技術便應運而生。
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，因此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，探測水底下的物體，或者是以其作為導航的依據。作遠距離傳輸的能量形式。於是探測水下目標的技術——聲吶技術便應運而生。
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。
和許多科學技術的發展一樣，社會的需要和科技的進步促進了聲吶技術的發展。俄羅斯海軍專門將一艘核子K-403號潛艇改成聲吶測試用艇，可見其重視程度。
歷史沿革
聲吶技術至今已有超過100年歷史，它是1906年由英國海軍的劉易斯·尼克森所發明。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。到第一次世界大戰時開始被套用到戰場上，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”。
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），後來英國人也接受了此叫法。
工作原理
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。
聲吶模式
聲吶模式結構分類
結構
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、連線電纜、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。它有兩個用途：一是在水下發射聲波，稱為“發射換能器”，相當於空氣中的揚聲器；二是在水下接收聲波，稱為“接收換能器”，相當於空氣中的傳聲器（俗稱“聽筒”）。換能器在實際使用時往往同時用於發射和接收聲波，專門用於接收的換能器又稱為“水聽器”。換能器的工作原理是利用某些材料在電場或磁場的作用下發生伸縮的壓電效應或磁致伸縮效應。
安裝
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，以纜線與潛艇連線，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。
分類
聲吶的分類可按其工作方式，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。
主動聲吶：主動聲吶技術是指聲吶主動發射聲波“照射”目標，而後接收水中目標反射的回波時間，以及回波參數以測定目標的參數。有目的地主動從系統中發射聲波的聲吶稱為主動聲吶。可用來探測水下目標，並測定其距離、方位、航速、航向等運動要素。主動聲吶發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反射的回波來進行探測。由於目標信息保存在回波之中，所以可根據接收到的回波信號來判斷目標的存在，並測量或估計目標的距離、方位、速度等參量。具體地說，可通過回波信號與發射信號問的時延推知目標的距離，由回波波前法線方向可推知目標的方向，而由回波信號與發射信號之間的頻移可推知目標的徑向速度。此外由回波的幅度、相位及變化規律，可以識別出目標的外形、大小、性質和運動狀態。 主動聲吶主要由換能器基陣（常為收發兼用）、發射機（包括 波形發生器、發射波束形成器）、定時中心、接收機、顯示器、控制器等幾個部分組成。
被動聲吶：被動聲吶技術是指聲吶被動接收艦船等水中目標產生的輻射噪聲和水聲設備發射的信號，以測定目標的方位和距離。它由簡單的水聽器演變而來，它收聽目標發出的噪聲，判斷出目標的位置和某些特性，特別適用於不能發聲暴露自己而又要探測敵艦活動的潛艇。
利用接收換能器基陣接收目標自身發出的噪聲或信號來探測 目標的聲吶稱為被動聲吶。由於被動聲吶本身不發射信號，所以目標將不會覺察聲吶的存在及其意圖。目標發出的聲音及其特徵，在聲吶設計時並不為設計者所控制，對其了解也往往不全面。聲吶設計者只能對某預定目標的聲音進行設計，如目標為潛艇，那么目標自身發出的噪聲包括螺旋槳轉動噪聲、艇體與水流摩擦產生的動水噪聲，以及各種發動機的機械振動引起的輻射噪聲等。因此被動聲吶（噪音站）與主動聲吶最根本的區別在於它在本艦噪聲背景下接收遠場目標發出的噪聲。此時，目標噪聲作為信號，且經遠距傳播後變得十分微弱。由此可知，被動聲吶往往工作於低信噪比情況下，因而需要採用比主動聲吶更多的信號處理措施。被動聲吶沒有發射機部分。回音站、測深儀、通信儀、探雷器等等均可歸入主動聲吶類，而噪音站、偵察儀等則歸人被動聲吶類。
發展趨勢
冷戰結束之後的海戰場已進入了信息戰時代。聲吶的發展也邁向了知識和資訊時代，主要表現在以下方面：
繼續向低頻、大功率、大基陣方向發展。
鑒於聲波在海水中的傳播特性以及低頻大功率與基陣的關係，開發大孔徑低頻聲吶技術是解決遠程探潛、進行有效反潛的前提。
向系統性、綜合性發展。
艦艇聲吶系統將由單項功能的單部聲吶逐步發展為由多部聲吶組成的收一發分置、多基地、多感測器的綜合聲吶系統，並進而構成潛艇戰和反潛戰聲知識基作戰系統。如美國水面艦艇裝備的AN/SQQ一89反潛綜合作戰系統，它是由艦殼主動聲吶、戰術拖曳線陣列聲吶、艦載直升機搜潛系統和聲吶信號處理機、反潛火控系統和聲吶狀態方式評估系統等組成。該系統於1991年開始裝備“阿利伯克”級驅逐艦。
向系列化、模組化、標準化、高可靠性和可維修性發展。
現代聲吶設備，無論是換能器基陣、還是信號處理機櫃及顯控台，都趨向採用標準化的模組式結構。這種結構具有擴展性好、互換性強、便於維修、可靠性強、研製周期短、研製經費少的優點。
計算機的套用使聲吶向智慧型化方向發展。
用計算機進行聲吶波束形成、信號處理、目標跟蹤與識別、系統控制、性能監測、故障檢測等。可大大提高聲吶的性能。隨著第五代計算機(即人工智慧計算機)的問世，聲吶也正在向智慧型化方向發展。目前神經網路的研究取得了令人矚目的進展，它與計算機技術和信號處理技術相結合，使聲吶智慧型化成為可能。
由均勻傳播介質、各向同性噪聲場和單個平面波信號條件下的聲吶設計發展為開發和利用非平面波、非高斯、非平穩信號和噪聲實際特性的環境處理的聲吶設計，以獲取和占有更多的信息和知識，大幅度提高聲吶檢測距離、定位精度、識別正確率和目標運動分析/跟蹤能力。
聲吶裝備的支撐技術
被動測距
被動測距聲吶是從70年代初開始研製的。從理論上講，只要聲吶基 陣的孔徑足夠大，用三點陣測距是沒有問題的。關鍵是把三個基陣的聲 中心的相對延時精確測量出來。可以證明，被動測距的相對誤差等於測 延時的相對誤差。
合成孔徑技術
合成孔徑聲吶的研製近十年來受到很大的重視。已經報導有相當高性能的樣機問世。合成孔徑作為一種技術在雷達上成功套用已近40幾年了，但在聲吶上遲遲得不到實質性的進展，主要是由於聲傳播的海洋介 質比無線電傳播的大氣介質複雜很多，另外聲吶平台運動速度與聲傳播 速度之比是1：106，所以合成孔徑聲吶的運動補償、成像遠比合成孔徑雷 達複雜。 合成孔徑聲吶的初步研究結果是令人振奮的，它大約可以在400m的 距離上達10cm的分辨力，在以前是無法達到的。 美國DTI(Dynamic Technology Inc)研製的樣機在Washington湖作試 驗時，甚至得到了一架早先沉沒湖底的飛機殘骸的“像”。 合成孔徑技術還用於高分辨力的波束成形，這在安靜型潛艇輻射噪 聲中可以獲得套用，利用這種技術可以把潛艇作為一個體積元，確定對輻 射噪聲最有貢獻分量的部位。
水聲通信與水下GPS 水聲通信一直是聲吶研究中的一個重要領域，美國和北約的其它國 家有一系列研究課題是與水聲通信有關的。水聲通信系統的性能一直是 受傳輸率和作用距離約束的。Kilfoyle等根據美國幾十次海試結果。給出 了一條曲線認為在現階段傳輸率(以khit/s為單位)的乘積不超過40。 但在70年代初，這個值只有5左右。因為為了提高傳輸速率，而一旦頻率 增高了，傳播損失增大，作用距離就下降了。所以R·Rt___40km kbit/s
數據融合
由於聲吶系統的集成度越來越高，數據量越來越大，單靠聲吶員處理 多平台、多感測器的信息就顯得很不夠。所以數據融合的技術自然而然地受到重視。目前，雖然還不能完全做到全自動判別。但至少為輔助決策 提供了強有力的工具。 數據融合從所處理的信息層次來分，可以分為三級，即基無級，特徵級和決策級。研究課題的級別越到底層就越複雜。現在大多數的研究工作還是圍繞決策級展開的。 數據融合中的一個基本定理，保證了聲吶系統進行數據融合的必要性，這個定理是說，無論是獨立觀測資料還是相關觀測資料，最佳的線性 數據融合所帶來的誤差不會大於任何個別觀測資料所帶來的誤差。
目標識別與水下快速運動目標軌跡提取
數字式聲吶的基本功能是測向和測距，目標識別的功能通常由聲吶 員通過鑑別目標輻射噪聲來完成。隨著聲吶技術的發展，國外的一些聲 納已具備目標識別功能，甚至專門配置魚雷報警聲吶。
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、海洋噪聲、自噪聲、目標反射特徵或輻射噪聲強度等，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布和海面、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，運載平台的自噪聲主要與航速有關，航速越大自噪聲越大，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；目標輻射噪聲強度越大，被對方被動聲吶發現的距離就越遠。
可變深度聲吶
可變深度聲吶生物“聲吶”
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200ps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、塑膠等不同的物質材料，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，如果有噪聲干擾，它會提高叫聲的強度蓋過噪聲，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－我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。而我們人類發明的“聲吶”就是通過鯨和海豚的原理髮明的。
套用領域
軍事
水聲技術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。隨著現代聲吶技術的發展和進步，新一代聲吶具有更先進的探測性能和更遠的探測距離，一些高科技聲吶還具有相當高的解析度，能夠識別蛙人和可疑水下航體。
海洋測繪
隨著海洋高新技術的介入和裝備的不斷升級，水下地形聲學探測技術獲得了迅速的發展，現已成為世界各海洋國家在海洋測繪方面的重要研究領域之一。利用聲吶技術進行海洋測繪的設備有：單波束回聲測深儀、側掃聲吶、多波束測深、淺地層剖面儀。
海流流速測量
現代聲吶技術可以利用都卜勒效應進行流速測定，這種聲吶系統使用一對裝在船底傾斜向下的指向性換能器，由海底回波中的都卜勒頻移可以得到艦船相對於海底的航速。另一方面，若將聲吶固定在流動的海域中，它可以自動檢測和記錄海水的流動速度及方向。
海洋漁業
水聲通信
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導，中國有潛艇在南海進行正常的訓練活動， 聲吶目前是各國海軍不可或缺的主要技術。聲吶技術作為導航和探測水下艦艇活動的技術被廣泛套用於艦艇裝備中。中頻主動聲吶就是向周圍海域發射中頻率波段的聲波，以探測敵方潛艇，這對於反潛作戰來說是最有效的。美軍艦艇和潛水艇中大都配備了中頻聲吶系統。中頻聲吶可持續釋放超過235分貝的噪聲，其範圍可達數千平方英里的海域。
當時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，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，展開後可長達1700米，造價大約為2000萬美元。
聲吶危害
美國自然資源保護委員會（NRDC）的一項報告顯示，軍事聲吶等不斷加劇的海洋噪聲正影響著海豚、鯨的生活，因為這些動物必須依賴聲音進行交配、覓食以及躲避天敵。報告稱，海洋噪聲輕則影響海洋生物的長期行為，重則導致它們聽力喪失甚至死亡。
NRDC的研究結果認為，目前科學界對於軍用聲吶可以傷害、殺死並大範圍破壞海洋哺乳動物這一點上已經沒有爭議。美國環境和鯨保護組織也多年致力於保護海洋哺乳動物免受美軍聲吶影響的研究，結果顯示聲吶與鯨的死亡率之間的關聯很緊密。另外，聲吶也降低了大比目魚和其他魚類捕食的成功率，還影響了魚類的繁殖率和巨型海龜的行為等。一些魚類的內耳也受到了嚴重的傷害，這直接威脅著它們的生存。
由中頻聲吶試驗導致的鯨大量擱淺及死亡事件不斷發生：1996年5月， 美軍在北約的一次演習中，有14頭劍吻鯨在希臘海岸擱淺；2000年3月，美軍在百慕達海域再度進聲吶實驗，由於軍艦配備的聲吶影響，3個種類共16頭鯨擱淺在長達150米的海岸線上，其中6頭死亡，多個物種成群擱淺是非常罕見的，科學家發現沖灘擱淺的突吻鯨眼睛、顱部出血，肺爆裂，自此美軍接受了聲吶對海洋哺乳動物行為有影響的觀點；2002年7月，66頭領航鯨在美國麻薩諸塞州的鱈雪角集體自殺，原因同樣與聲吶實驗有關；2004年7月，在環太平洋軍事演習中，美軍聲吶測試開始後不久，夏威夷沿岸的淺水中就有200頭鯨魚擱淺，其中1頭鯨魚仔死亡；2005年初，由於美軍聲吶試驗，37頭鯨擱淺在北卡羅萊納州的外灘；2009年3月，美國“無瑕號”在南海被中國漁政人員和漁民攔截並驅趕前，打開聲吶“工作”後不久就在“無瑕號”聲吶範圍內的香港海岸邊，出現一條長逾10米的成年座頭鯨迷航擱淺。
科學家稱聲吶發射的聲波可能幹擾鯨和海豚利用自身聲吶捕食。海軍的聲吶還可能驚嚇某些鯨類，特別是突吻鯨，促使它們衝出水面造成危險後果。目前的政策要求海軍當有海洋哺乳動物在附近時要關停聲吶並採用其它手段來保護動物。
低頻主動聲吶技術比目前海軍裝備於多種潛艇和其他艦艇的中頻主動聲吶技術更加先進。低頻主動聲吶目前只在美海軍的兩艘艦上使用，兩艘均部署在西太平洋，聯邦政府禁止它們在夏威夷群島海域使用這種聲吶。
在這種情況下，一方面海軍發射水下聲波用於感知水下目標，另一方面，低頻主動聲吶聲波比其他聲吶輻射的範圍更廣，環境保護主義者認為它對海洋哺乳動物有更大的危害。(《海洋面臨的污染與保護》)
