声纳工作原理的简易说明

声纳工作原理的简易说明

声纳工作原理的简易说明

加拿大海军的M2S2声纳系统

声纳是一种非常重要的海军装备，随着潜艇等水下武器的使用而受到各国极大的重视。这里，我们不去讨论某个具体的装备，也不涉及太多的数学概念，而是从简单的物理原理入手，对声纳这个水中顺风耳做个简略的介绍。

▲自然界中的雷达和声纳

目前的声纳主要分为两类，主动声纳和被动声纳。主动声纳工作时类似雷达，更确切地说像蝙蝠，发出声波后，接受反射回来的声信号。既然原理类似，问题来了，为何不把雷达直接搬到水下呢？很简单，雷达依赖的电磁波在水下衰减严重，根本不足以用于远距离的探测。而声波是由物体振动产生，在水中的传播距离非常远，水中一声巨大的爆炸，上千公里远的地方也能听到。

如此得天独厚的优势，声波自然而然成为首选的媒介。既然声响在水里可以传播很远，那么放置一个听音器静静地听着别人吼叫也能起到收集信息的作用，那么被动声纳就应用而生。我们可以打个比方，某人冲着远处连绵不绝的大山高喊“我！爱！军！武！”，一段时间后

会有缥缈的回声传回来，“我～爱～军～武~”。这样，嗓子和耳朵就组成了主动声纳，如果知道声音的传播速度，手头恰好有个秒表，简单的计算就能得到此人和大山之间的距离。恭喜，这就是主动声纳技能。如果此时在大山的另一边，有人恰好只是听到了这句喊，好吧，他只是用了被动声纳的技能。

了解了大概的工作原理后，我们的问题就具体起来，如何产生声波？如何接收声波？我们不可能在水下还是用嗓子喊耳朵听，所以特殊的部件被开发出来用于这个目的，那就是水声换能器。

这种部件的主要有两种类型，用磁场或是用电场都可以让物体变形，这里我们集中介绍用电场控制物体变形和振动的原理，即逆压电效应和压电效应。

在二战后期之前的声纳系统一直不太给力，原因之一就是有正逆压电效应的材料不靠谱，而纳粹潜艇威胁巨大，迫使盟军投入大量精力去开发新材料。直到有一天，具有钙钛矿结构的钛酸钡（BaTiO3）被发现，使得声纳中的关键原件有了突破。之后参杂有铅的铅锆钛（PZT）陶瓷被发明，其性能非常优异，经过改进后的材料至今仍然被某些声纳使用。

▲用于产生超声波的的压电

陶瓷阵列（PI公司，德国）

所谓的正逆压电效应就是力和电的相互转换。当有外力F作用在压电体表面时，无论是拉伸还是压缩变形，都会在施加力的两个表面产生电荷。利用这个原理，就可以制成传感器。声波传播当中遇到这个传感器会引起传感器微小的振动，这种细微的变形会产生电荷信号。结合其他电路和计算机，就可以制成听声器。

▲正压电效应示意图

那么逆压电效应就是由电场来控制物体的形变。当压电体上下两端接好电线并且施加电压时，就会使物体沿着电场的方向伸长或是缩短。如果把电场的加载速度变快，即频率加大，就能让该物体形变加快产生振动发出声波。再加上其他的配套设备，就成了主动声纳的声源。

▲逆压电效应示意图

（以下这段话比较难理解，老师们看到勿笑，学有余力的学霸们请努力查资料理解，不感兴趣的同学们请自行忽略。）在钛酸钡或是PZT 的晶体结构中，正负电荷中心位置重合，直到温度降低到某个值后正负电荷的中心不再重合就会产生偶极，这个偶极产生的现象带来了自发极化。

在陶瓷体中，自发极化取向相同的区域又会产生电畴，电畴在外电场下会翻转以保持和电场相同的方向。在此期间，如果电畴转向的角度不是180度，那么这种转动就会带来陶瓷形状的改变即大电场下的应变，如果是交变电场，一个加载周期内就会出现回滞现象。所以，实际应用中都是预先用大电场极化，让电畴向一个方向取向，之后就尽量不要改变电场的方向以免引起回滞和退极化现象。当然某些电子存储设备除外。

言归正传，解决产生声波和接收声波的问题后，为了增强性能，声纳的单元一般都会做成阵列的形式，配合上其他的设备如移相器等等，实现对某个特定区域的扫描。大型的阵列常见的有球形或是柱状，尺寸之大以致潜艇的鱼雷发射管都要让路。军舰或是潜艇尾部由于有推进系统经常形成盲区，所以拖曳声纳远离舰尾的噪音区就应运而生。

▲光纤拖曳声呐概念图

▲布置于核潜艇的艇

首的综合声纳基阵

在现代的水下对抗中，使用主动声纳其实并不多，而被动式静默式的才是主流。比如一个穿黑衣的夜行人，用手电筒固然对自己可以很方便，但是手电的灯光同样会暴露自己的位置。为了做到全方位的探测，潜艇艇身左右两侧还有一系列的阵列。当同一个信号分别被两个以上的阵列听到后，已知声波传播速度和两个阵列之间的距离的话，利用这个信号这两个阵列的时间差，就能解算出声波源头到接收装置的距离。两个阵列之间布置越远，解算就越精确。

▲法国核潜艇使用的舷侧阵

▲潜艇的声纳布置示意

文末，我们还是来看看国外的达人们是如何自制一个主动声纳的。