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  • 聲吶原理及應用

    一、什么是聲納

    聲納就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。聲納技術至今已有100年歷史,它是1906年由英國海軍的劉易斯·尼克森所發明。他發明的第一部聲納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被應用到戰場上,用來偵測潛藏在水底的潛水艇。

    目前,聲納是各國海軍進行水下監視使用的主要技術,用于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,聲納技術還廣泛用于魚雷制導、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。

    二、聲納工作原理

    聲波是觀察和測量的重要手段。 在水中進行觀察和測量,具有得天獨厚條件的只有聲波。這是由于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,在兩萬公里外還可以收到信號,低頻的聲波還可以穿透海底幾千米的地層,并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。

    三、聲納結構與分類

    聲納裝置一般由基陣、電子機柜和輔助設備三部分組成?;囉伤晸Q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。電子機柜一般有發射、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、與聲納基陣的傳動控制相配套的升降、回轉、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等裝置,以及聲納導流罩等。

    換能器是聲納中的重要器件,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”,相當于空氣中的揚聲器;二是在水下接收聲波,稱為“接收換能器”,相當于空氣中的傳聲器。換能器在實際使用時往往同時用于發射和接收聲波,專門用于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。
    聲納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納。例如按工作方式可分為主動聲納和被動聲納;按裝備對象可分為水面艦艇聲納、潛艇聲納、航空聲納、便攜式聲納和海岸聲納等。

    主動聲納:主動聲納技術是指聲納主動發射聲波“照射”目標,而后接收水中目標反射的回波以測定目標的參數。大多數采用脈沖體制,也有采用連續波體制的。它由簡單的回聲探測儀器演變而來,它主動地發射超聲波,然后收測回波進行計算,適用于探測冰山、暗礁、沉船、海深、魚群、水雷和關閉了發動機的隱蔽的潛艇;

    被動聲納:被動聲納技術是指聲納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。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,特別適用于不能發聲暴露自己而又要探測敵艦活動的潛艇。

    四 聲納安裝及運用

    傳統上潛艇安裝聲納的主要位置是在最前端的位置,由于現代潛艇非常依賴被動聲納的探測效果,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納型態還包括安裝在艇身其他位置的被動聲納聽音裝置,利用不同位置收到的同一訊號,經過電腦處理和運算之后,就可以迅速的進行粗淺的定位,對于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。

    另外一種聲納稱為“拖曳聲納”,因為這種聲納裝置在使用時,以纜線與潛艇連接,聲納的本體則遠遠的拖在潛艇的后面進行探測,拖曳聲納的使用大幅強化潛艇對于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,由于水流的聲音的干擾,位于前方的聲納無法聽到這個區域的訊號而形成一個盲區。使用拖曳聲納之后就能夠消除這個盲區,找出躲在這個區域的目標。