关于声纳的问题
解释和介绍
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声纳是一种利用水下声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备。它是水声学中应用最广泛和最重要的装置。它是SONAR这个词的翻译，SONAR是声音导航和测距的缩写。
声纳技术有100年的历史。它是由英国海军的刘易斯·尼克松在1906年发明的。他发明的第一个声纳仪器是被动听音装置，主要用于探测冰山。这项技术在第一次世界大战中被应用于战场，用于探测隐藏在水下的潜艇。
目前，声纳是各国海军用于水下监视的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪。进行水下通信导航，保障军舰、反潜机、反潜直升机的战术机动和水下武器的使用。此外，声纳技术还广泛应用于鱼雷制导、水雷引信、探鱼、海上石油勘探、船舶导航、水下作业、水文调查和海底地质地貌调查等领域。
和很多科技的发展一样，社会的需求和科技的进步推动了声纳技术的发展。
工作原理
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声波是一种重要的观察和测量手段。有意思的是，英语中的“声音”一词，意思是作为名词的“声音”和作为动词的“探测”，可见声音和探测的密切关系。
在水中进行观测和测量，只有声波具有独特的条件。这是因为其他探测手段的作用距离很短，光在水中的穿透能力非常有限。即使在最清澈的海水中，人也只能看到十几米到几十米范围内的物体。电磁波在水中衰减也太快，波长越短损耗越大，即使使用大功率低频电磁波也只能传播几十米。但是声波在水中传播的衰减要小得多。几公斤的炸弹在深海通道爆炸，两万公里外都能收到信号。低频声波还可以穿透海底几千米的地层，获取地层中的信息。到目前为止，还没有发现比声波更有效的手段在水中进行测量和观察。
结构和分类
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声纳装置一般由阵列、电子机柜和辅助设备组成。阵列由水声换能器按一定的几何图案排列而成，其形状通常为球形、圆柱形、扁平形或线形，又可分为接收阵列、发射阵列或收发阵列。电子机柜一般有发射、接收、显示和控制子系统。辅助设备包括供电设备、连接电缆、水下接线盒和中继器、与声纳基阵传输控制相匹配的升降、回转、俯仰、收放、拖曳、悬挂和释放装置、声纳导流罩等。
换能器是声纳中的重要器件，是将声能转换成机械能、电能、磁能等其他形式能量的装置。它有两个用途:一是在水下发射声波，称为“发射换能器”，相当于空气中的扬声器；二是在水下接收声波，称为“接收换能器”，相当于空气中的麦克风(俗称“麦克风”或“话筒”)。换能器在实际使用中经常被用来同时发射和接收声波，专门用于接收的换能器也被称为“水听器”。换能器的工作原理是某些材料在电场或磁场的作用下膨胀和收缩，产生压电效应或磁致伸缩效应。
声纳的分类根据声纳的工作方式、装备对象、战术用途、基阵携带方式和技术特点，可以分为不同种类的声纳。比如按工作方式可分为主动声纳和被动声纳；按装备对象可分为水面舰艇声呐、潜艇声呐、航空声呐、便携式声呐和海岸声呐。
主动声纳:主动声纳技术是指声纳主动发射声波“照射”目标，然后接收水下目标反射的回波，确定目标的参数。大多采用脉冲制，也有采用连续波制的。它是从一个简单的回声检测仪器演变而来的。它主动发射超声波，然后收集并计算回波。适用于探测冰山、暗礁、沉船、海水深度、鱼群、水雷和发动机关闭的隐蔽潜艇。
被动声纳:被动声纳技术是指声纳被动接收舰船等水下目标产生的辐射噪声和水声设备发出的信号，以确定目标的方向。它是由简单的水听器演变而来的。它监听目标发出的噪音，判断目标的位置和一些特征。特别适用于不能通过声音暴露自己，但又想探测敌舰活动的潜艇。
安装和应用
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传统上，潜艇声纳安装的主要位置是在最前方。由于现代潜艇非常依赖被动声呐的探测效果，庞大的无线电装置不仅使潜艇直径上升，还使原本在这个位置的鱼雷发射管放弃，向两侧撤退。
潜艇上安装的其他声纳类型还包括安装在船体其他位置的被动声纳听音装置。利用不同位置接收到的同一信号，经过计算机处理和计算，可以快速进行浅层定位，这对于船体较大的潜艇是有利的，因为测量基线长，精度高。
另一种声呐叫“拖曳声呐”，因为这种声呐装置是用电缆连接到潜艇上的，将声呐体拖到潜艇后面很远的地方进行探测。拖曳声纳的使用大大增强了潜艇全方位、不同深度的探测能力，尤其是在潜艇的尾端。这是因为潜艇的尾部也是动力输出的部分。由于水流声音的干扰，位于前方的声纳听不到这一区域的信号，形成盲区。使用拖曳声纳后，可以消除这一盲区，发现隐藏在这一区域的目标。
有趣的是，声纳并不是人类的专利，很多动物都有自己的“声纳”。蝙蝠用喉咙每秒发出10-20次超声波脉冲，用耳朵接收回声。凭借这种“主动声纳”，他们可以探测到微小的昆虫和厚度为0.1毫米的铁丝障碍物..飞蛾等昆虫也有“被动声纳”，可以清楚地听到40米外蝙蝠的超声波，因此经常躲避攻击。但有些蝙蝠可以使用昆虫听不到的高频超声波或低频超声波，这样捕到昆虫的命中率还是很高的。看来动物也和人类一样在搞“声纳战”！海豚和鲸鱼等海洋哺乳动物有“水下声纳”，可以产生非常确定的信号来探索食物和相互交流。
海豚声纳的灵敏度很高。它能在数米外找到直径为0.2毫米的金属线和直径为1毫米的尼龙绳，能分辨出时差为200 burs的两个信号，能在数百米外找到鱼群，还能在不触碰的情况下，蒙上眼睛灵活快速地走过满是竹竿的水池。海豚声纳具有很强的“目标识别”能力，不仅能识别不同的鱼，区分黄铜、铝、胶木、塑料等不同材料，还能从记录其声音的人回放的声波中分辨出其自身声音的回声。海豚声纳的抗干扰能力也很惊人。如果有噪音干扰，它会加大通话强度盖过噪音，使其判断不受影响。而且海豚声纳也有表达感情的能力。已经证明，海豚是有“语言”的动物，它们的“对话”是通过它们的声纳系统进行的。特别是世界仅存的四种淡水海豚中最珍贵的中国长江中下游的白鳍豚，其声纳系统有明确的“分工”，用于定位、通讯和报警，并有通过调频调相的特殊功能。
很多种类的鲸鱼都是用声音来探测和交流的，频率比海豚低很多，范围也远很多。其他海洋哺乳动物，如海豹和海狮，也会发出声纳信号进行探测。
一辈子生活在极度黑暗的海洋深处的动物，不得不借助声纳等手段搜寻猎物，躲避攻击。他们声纳的性能远远超出了现代人类技术的能力。解开这些动物声纳之谜一直是现代声纳技术的重要研究课题。
影响因素
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影响声纳工作性能的因素除了声纳本身的技术条件外，还有外界条件。直接因素有传播衰减、多径效应、混响干扰、海洋噪声、自噪声、目标反射特性或辐射噪声强度等。大部分与海洋环境因素有关。比如声波受海水介质和海面、海底不均匀分布的影响和制约，会产生折射、散射、反射和干涉，声线弯曲，信号波动和失真，改变传播路径，出现声阴影区，严重影响声纳的作用距离和测量精度。现代声纳可以根据海域声速-深度变化形成的传播条件，适当选择基阵的工作深度和俯仰角，利用声波的不同传播路径(直达声、海底反射、汇聚区和深海通道)，克服水声传播条件的不利影响，提高声纳探测距离。再比如，载体平台的自噪声主要与速度有关。速度越高，自噪声越大，声纳作用距离越近，越远。目标的反射能力越大，被对方主动声纳发现的距离就越远；目标辐射噪声强度越大，被对方被动声纳发现的距离就越远。