科普文：聲吶的原理很簡單，但是使用好卻很複雜

聲納是一種非常重要的海軍裝備，隨著潛艇等水下武器的使用而受到各國極大的重視。這裡，我們不去討論某個具體的裝備，也不涉及太多的數學概念，而是從簡單的物理原理入手，對聲納這個水中順風耳做個簡略的介紹。

▲自然界中的雷達和聲納

目前的聲納主要分為兩類，主動聲納和被動聲納。主動聲納工作時類似雷達，更確切地說像蝙蝠，發出聲波後，接受反射回來的聲信號。既然原理類似，問題來了，為何不把雷達直接搬到水下呢？很簡單，雷達依賴的電磁波在水下衰減嚴重，根本不足以用於遠距離的探測。而聲波是由物體振動產生，在水中的傳播距離非常遠，水中一聲巨大的爆炸，上千公里遠的地方也能聽到。

如此得天獨厚的優勢，聲波自然而然成為首選的媒介。既然聲響在水裡可以傳播很遠，那麼放置一個聽音器靜靜地聽著別人吼叫也能起到收集信息的作用，那麼被動聲納就應用而生。我們可以打個比方，某人沖著遠處連綿不絕的大山高喊「我！愛！軍！武！」，一段時間後會有縹緲的回聲傳回來，「我～愛～軍～武~」。這樣，嗓子和耳朵就組成了主動聲納，如果知道聲音的傳播速度，手頭恰好有個秒錶，簡單的計算就能得到此人和大山之間的距離。恭喜，這就是主動聲納技能。如果此時在大山的另一邊，有人恰好只是聽到了這句喊，好吧，他只是用了被動聲納的技能。

了解了大概的工作原理後，我們的問題就具體起來，如何產生聲波？如何接收聲波？我們不可能在水下還是用嗓子喊耳朵聽，所以特殊的部件被開發出來用於這個目的，那就是水聲換能器。

這種部件的主要有兩種類型，用磁場或是用電場都可以讓物體變形，這裡我們集中介紹用電場控制物體變形和振動的原理，即逆壓電效應和壓電效應。

在二戰後期之前的聲納系統一直不太給力，原因之一就是有正逆壓電效應的材料不靠譜，而納粹潛艇威脅巨大，迫使盟軍投入大量精力去開發新材料。直到有一天，具有鈣鈦礦結構的鈦酸鋇（BaTiO3）被發現，使得聲納中的關鍵原件有了突破。之後參雜有鉛的鉛鋯鈦（PZT）陶瓷被發明，其性能非常優異，經過改進後的材料至今仍然被某些聲納使用。

▲用於產生超聲波的的壓電陶瓷陣列（PI公司，德國）

所謂的正逆壓電效應就是力和電的相互轉換。當有外力F作用在壓電體表面時，無論是拉伸還是壓縮變形，都會在施加力的兩個表面產生電荷。利用這個原理，就可以製成感測器。聲波傳播當中遇到這個感測器會引起感測器微小的振動，這種細微的變形會產生電荷信號。結合其他電路和計算機，就可以製成聽聲器。

▲正壓電效應示意圖

那麼逆壓電效應就是由電場來控制物體的形變。當壓電體上下兩端接好電線並且施加電壓時，就會使物體沿著電場的方向伸長或是縮短。如果把電場的載入速度變快，即頻率加大，就能讓該物體形變加快產生振動發出聲波。再加上其他的配套設備，就成了主動聲納的聲源。

▲逆壓電效應示意圖

（以下這段話比較難理解，老師們看到勿笑，學有餘力的學霸們請努力查資料理解，不感興趣的同學們請自行忽略）在鈦酸鋇或是PZT的晶體結構中，正負電荷中心位置重合，直到溫度降低到某個值後正負電荷的中心不再重合就會產生偶極，這個偶極產生的現象帶來了自發極化。

在陶瓷體中，自發極化取向相同的區域又會產生電疇，電疇在外電場下會翻轉以保持和電場相同的方向。在此期間，如果電疇轉向的角度不是180度，那麼這種轉動就會帶來陶瓷形狀的改變即大電場下的應變，如果是交變電場，一個載入周期內就會出現回滯現象。所以，實際應用中都是預先用大電場極化，讓電疇向一個方向取向，之後就盡量不要改變電場的方向以免引起回滯和退極化現象。當然某些電子存儲設備除外。

言歸正傳，解決產生聲波和接收聲波的問題後，為了增強性能，聲納的單元一般都會做成陣列的形式，配合上其他的設備如移相器等等，實現對某個特定區域的掃描。大型的陣列常見的有球形或是柱狀，尺寸之大以致潛艇的魚雷發射管都要讓路。軍艦或是潛艇尾部由於有推進系統經常形成盲區，所以拖曳聲納遠離艦尾的噪音區就應運而生。

▲光纖拖曳聲吶概念圖

▲布置於核潛艇的艇首的綜合聲納基陣

在現代的水下對抗中，使用主動聲納其實並不多，而被動式靜默式的才是主流。比如一個穿黑衣的夜行人，用手電筒固然對自己可以很方便，但是手電筒的燈光同樣會暴露自己的位置。為了做到全方位的探測，潛艇艇身左右兩側還有一系列的陣列。當同一個信號分別被兩個以上的陣列聽到後，已知聲波傳播速度和兩個陣列之間的距離的話，利用這個信號這兩個陣列的時間差，就能解算出聲波源頭到接收裝置的距離。兩個陣列之間布置越遠，解算就越精確。

▲法國核潛艇使用的舷側陣

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【軍武次位面】第三季第9集：戰鬥種族親歷記 俄羅斯莫斯科，戰鬥種族大本營，無數老司機嚮往的地方。本期軍武，我們的製作團隊終於在今年3月，「潛伏」進了戰鬥種族的軍營，進入射擊場親身體驗槍械打靶，無照駕駛T-55坦克，跟5對負重輪們並肩作戰。希望我們的搞笑日常能讓大家會心一笑，如有雷同純屬巧合。

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