“聲吶”的概念及技術(shù)發(fā)展

摘 要：聲吶是水下目標觀察和探測的重要手段，在對馬航客機MH370的水下搜尋中，聲吶起到了至關(guān)重要的作用。文章將系統(tǒng)地介紹聲吶技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢，希望對業(yè)內(nèi)人士有所幫助。

關(guān)鍵詞：聲吶，發(fā)展趨勢

中圖分類號：N04；O42 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8578（2014）S1-0129-03

The Concept and Technology Development of Sonar

ZHANG Jie

Abstract：Sonar technology is an important manner to observe and detect the underwater objectives， which played a critical role in searching for the lost flight MH370. In this paper， the research progress in sonar technology area is introduced， hopeing to be helpful for the people in the field.

Keywords：sonar，development trend

收稿日期：2014-06-01

作者簡介：張潔（1986—），女，河南許昌人，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心實審審查員，主審領(lǐng)域為聲學與振動測量，通信方式：zhangjie_4@sipo.gov.cn。

引 言

聲吶是利用聲波對水下目標進行探測和定位識別或在水中進行通訊的技術(shù)總稱。最早是由英國海軍劉易斯·尼克松于1906年發(fā)明的，主要用來偵測冰山，由于該項目劃歸反潛艇偵查調(diào)查委員會（antisubmarine detection investigation committee， 簡稱ASDIC）管轄，因此英國人也將這種設(shè)備稱為ASDIC。1931年，美國研究出類似裝置，采用三個英文單詞sound（聲音）、navigation（導(dǎo)航）以及ranging（測程）的字頭構(gòu)成一個新的名詞sonar并被廣泛接受，聲吶作為其音譯也成為了正式的名稱[1]。根據(jù)《說文解字》的釋義，吶者，言之訥也；納者，入也。聲吶是通過接收水下聲波對目標進行探測和定位，因此筆者認為“聲吶”更為貼切。全國科學技術(shù)名詞審定委員會也將“聲吶”作為規(guī)范名詞。

聲吶在第一次世界大戰(zhàn)期間開始應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，至今已歷經(jīng)100多年的發(fā)展。21世紀聲吶作為一種水下目標探測、定位和通信的電子裝置，是各國研究和發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。

一 聲吶技術(shù)的特點

聲吶技術(shù)較其他探測方法在水下的應(yīng)用相比，具有一些突出的優(yōu)點[3-4]：

（1）聲波在水中的傳播性能相對于電磁波、光波等更為良好，能量耗損較低，探測范圍更廣；

（2）探測方式靈活多變，可以適應(yīng)不同的地形和探測需求；

（3）探測設(shè)備較為隱蔽，適于配合防衛(wèi)和戰(zhàn)術(shù)需求；

（4）布設(shè)方便快速、造價低廉。

二 聲吶技術(shù)分類與應(yīng)用

聲吶系統(tǒng)可以從多種角度分類，不同的聲吶按照某種分類方法屬于一類，而按其他分類方法可能又屬于不同的類別。下面將通過不同的分類角度介紹各種聲吶的主要特點。

（一）按工作原理分類

按照聲吶的工作原理可分為主動聲吶和被動聲吶兩類。

1.主動聲吶

主動發(fā)射聲波“照射”目標、而后接收水中目標反射的回波以測定目標參數(shù)的聲吶成為主動聲吶。主動聲吶系統(tǒng)一般由發(fā)射機、換能器（常為收發(fā)兩用）、接收機、顯示器和控制器等幾個部件組成。工作時，發(fā)射機產(chǎn)生所需要的電信號，激勵換能器將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘栂蛩邪l(fā)射，聲信號在遇到目標障礙物時將會以聲學回波的形式返回換能器，換能器將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)過信息處理可以測得目標的距離、范圍、速度等參數(shù)。由于主動聲吶是主動發(fā)射探測信號，因而可以確定收發(fā)信號的時間差進而精確計算測定目標的距離，并且可以對沉船、飛機及其他固定不動的障礙物進行探測。主動聲吶的限制在于容易受到散射體散射信號所產(chǎn)生混響的干擾，因而作用距離較短，主要用于水面艦艇和潛艇。2009年法航客機447在大西洋海域失去聯(lián)絡(luò)，對飛機黑匣子的搜尋持續(xù)了兩年時間，最終委托伍茲霍爾海洋研究所采用聲吶潛水器成功找到了位于4000米水下的黑匣子，其中所采用的聲吶就是主動聲吶。

2.被動聲吶

被動聲吶自身并不發(fā)射信號，通過被動接艦船等水中目標產(chǎn)生的輻射噪聲或水聲設(shè)備發(fā)射的信號來探測目標的范圍。其工作原理與主動聲吶基本相同，區(qū)別僅在于不需要發(fā)射聲波的換能器。被動聲吶的優(yōu)點在于隱蔽性強，適合不能發(fā)聲暴露自己又要探測敵艦活動的潛艇。但由于信號不可控，因而信噪比低，需要采取更多的信號處理措施。馬航客機MH370水下搜尋初期，由于黑匣子可以發(fā)出37.5kHz的水聲信標，因而能夠采用被動聲吶對其進行探測，并初步確定黑匣子大約位于水下4500米深度。但隨著時間推移，黑匣子失去供電，進一步的定位就需要采用主動聲吶進行。

（二）按裝備對象分類

按照聲吶的裝備對象可以分為艦用聲吶、潛艇聲吶、岸用聲吶和航空聲吶等。

1.艦用聲吶

艦用聲吶是裝備于水面艦艇的聲吶，主要用于現(xiàn)代海戰(zhàn)中的反潛戰(zhàn)。早期水面艦艇的聲吶基陣一般安裝于艦艏，通過旋轉(zhuǎn)升降或多波束等方式控制探測方向，由于基陣的孔徑受安裝平臺的限制，早期的艦用聲吶工作頻率較高（20～30kHz），作用距離有限。隨著美蘇兩國的全球軍備競賽、安靜型潛艇的出現(xiàn)使得遠程警戒聲吶勢在必行，因此拖曳陣聲吶得到了快速發(fā)展[2]。拖曳陣聲吶將換能器鑲嵌在電纜上形成線列陣，拖于艦艇尾部，其工作頻率可低至次聲頻段，探測距離可達300余海里，大大提高了水面艦艇反潛搜索能力。

2.潛艇聲吶

潛艇聲吶主要使用被動聲吶，承擔水中目標定位、水中目標探測、通訊和助航等多項任務(wù)，在導(dǎo)航過程中，也會采用主動聲吶。潛艇上所采用的寬帶強聲源類聲吶系統(tǒng)，還能夠?qū)撤铰晠冗M行干擾，使其無法正常工作。潛艇上所裝備的聲吶往往多達十幾種，來滿足不同功用的需要。

3.岸用聲吶

岸用聲吶常用于配合組成海岸防潛系統(tǒng)，將換能器設(shè)置在港口及附近某些特殊海區(qū)，警戒進入海岸附近的目標。此外，岸用聲吶還可作為大噸位船舶停靠的輔助設(shè)備，根據(jù)聲波在水中的船舶和反射，連續(xù)測出船舶運動的速度、加速度和船舷對碼頭的傾斜角度，作為引水員指揮船舶靠岸的依據(jù)，減少了由于人為判斷失誤而造成的碰撞碼頭事故。

4.航空聲吶

航空聲吶是用于裝備反潛飛機和反潛直升機的聲吶設(shè)備，也稱機載聲吶，進一步分為空中拖曳聲吶、空中吊放式聲吶和聲吶浮標。空中拖曳聲吶由低空飛行的飛機拖曳和控制水中換能器，但由于拖曳電纜的運動會產(chǎn)生流體噪聲、空泡噪聲以及載機機械噪聲，影響了探測距離，因此并未大量發(fā)展?？罩械醴攀铰晠妊b備于反潛直升機，主要采取逐點搜索的方式，在到達預(yù)定點后低空懸停，將換能器放入水中合適深度進行探測，探測可采用主動式或被動式。由于吊放式聲吶的換能器基陣需通過電纜與直升機相連，限制了飛機的機動性，而聲吶浮標正好克服了上述缺陷。聲吶浮標配置有無線電發(fā)射裝置，可以將探測到的目標信息經(jīng)無線電調(diào)制后發(fā)射至機載無線電接收機，從而實現(xiàn)更為靈活的水下探測。

三 結(jié) 語

隨著海面戰(zhàn)場進入信息化時代，核潛艇的增多以及遠程彈道導(dǎo)彈的發(fā)射能力提高，各國紛紛從主動聲吶轉(zhuǎn)而發(fā)展被動聲吶以滿足遠距離探測與識別的需求，繼續(xù)向低頻和大孔徑方向發(fā)展，并且隨著計算機在聲吶信號產(chǎn)生、信號處理性能監(jiān)測等方面的成熟應(yīng)用，聲吶也正在向智能化方向發(fā)展。在未來的海洋時代，聲吶系統(tǒng)將會扮演越來越重要的角色。

參考文獻

[1] 田坦， 劉國枝， 孫大軍.聲吶技術(shù)[M]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版社， 2000： 3.

[2] 何心怡， 張春華， 李啟虎. 拖曳線列陣聲吶及其左右舷分辨方法概述[J].艦船科學技術(shù)，2006， 28（5）： 9-14.

[3] 王炳和， 李宏昌. 聲吶技術(shù)的應(yīng)用及其最新進展[J]. 物理， 2001， 30（8）： 491-495.

[4] 徐鈞. 國外航空聲吶發(fā)展概述[J]. 聲學與電子工程， 2010， 97（1）： 50-53.