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声纳工作原理的简易说明

归档日期:07-17       文本归类:导航声纳      文章编辑:爱尚语录

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  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。

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