在水中觀察測量時，只有聲波是唯壹的。這是因為其他探測手段的作用距離很短，光在水中的穿透能力非常有限。即使在最清澈的海水中，人也只能看到十幾米到幾十米範圍內的物體。電磁波在水中衰減也太快，波長越短損耗越大，即使使用大功率低頻電磁波也只能傳播幾十米。但是聲波在水中傳播的衰減要小得多。幾公斤的炸彈在深海通道爆炸，兩萬公裏外都能收到信號。低頻聲波還可以穿透海底幾千米的地層，獲取地層中的信息。到目前為止，還沒有發現比聲波更有效的手段在水中進行測量和觀察。
聲納是利用聲波對水下目標進行探測和定位的裝置，是水聲學中應用最廣泛、最重要的裝置。它是SONAR這個詞的翻譯，SONAR是聲音導航和測距的縮寫。
聲納分為主動聲納和被動聲納。主動聲納是從簡單的回聲探測儀器發展而來的。它主動發射超聲波，然後收集並計算回波。它適用於探測冰山、暗礁、沈船、海洋深度、魚群、地雷和發動機關閉的隱藏潛艇。另壹方面，被動聲納是從簡單的水聽器發展而來的。它監聽目標發出的噪音，判斷目標的位置和壹些特征。特別適用於不能暴露自己但又想探測敵艦活動的潛艇。
換能器是聲納中的重要器件，是將聲能轉換成機械能、電能、磁能等其他形式能量的裝置。它有兩個用途:壹是在水下發射聲波，稱為“發射換能器”，相當於空氣中的揚聲器；二是在水下接收聲波，稱為“接收換能器”，相當於空氣中的麥克風(俗稱“麥克風”或“話筒”)。換能器在實際使用中經常被用來同時發射和接收聲波，專門用於接收的換能器也被稱為“水聽器”。換能器的工作原理是某些材料在電場或磁場的作用下膨脹和收縮，產生壓電效應或磁致伸縮效應。
和很多科技的發展壹樣，社會的需求和科技的進步推動了聲納技術的發展。
“冰海沈船”事件促使了回聲探測儀的誕生。1912 4月14日，英國豪華客輪泰坦尼克號在首航美國途中，在北大西洋與冰山相撞後沈沒。歷史上最大的沈船事故引起了巨大的震動，促使科學家們研究冰山的探測和定位。英國科學家l. F .孫國豪在沈船後5天和1個月申請了兩項專利，利用聲波探測空氣和水中的障礙物，並提出使用定向發射換能器，但它沒有繼續努力實現他的專利。1913年，美國科學家R·A·費森登申請了多項水下探測專利，並利用自己設計的動圈換能器制成了第壹臺回聲探測器。1965438+2004年4月，他用這臺設備發出的500-1000 Hz的聲波成功探測到了2海裏(3.7公裏)外的冰山。
然後，1914年爆發了第壹次世界大戰，極大地推動了水聲定位定向武器的發展。第壹次世界大戰期間，德國潛艇發動了“無限潛艇戰”，壹時所向披靡，對協約國和其他國家的海上運輸構成極大威脅，幾乎中斷了跨大西洋運輸。協約國等國非常憤怒，相繼研制水聲設備探測水下潛艇。當時，許多著名的科學家參加了這項工作。俄羅斯壹位年輕的電氣工程師奇洛夫斯基(C. Chilovsky)很早就在冰海沈船事件的影響下開始了水聲探測設備的研制。第壹次世界大戰開始後，他在瑞士山區養病，感受到反潛戰的重要性，於是將研究方向轉到利用高頻聲波對付潛艇。回聲檢測的想法。他的建議於1915年2月被法國政府采納，交由法國著名物理學家朗之萬教授實施。朗之萬和奇洛夫斯基決定使用高頻超聲波。他們使用雲母靜電換能器，將雲母片放在兩個電極中，施加交流電壓發射聲波，使用碳粒麥克風作為接收換能器。用這樣簡單的設備，在1915年底和1916年初在塞納河兩岸進行的間作繁殖試驗獲得成功，實現了兩公裏的單向繁殖。他們成功的消息傳到了英國，英國也成立了壹個團隊開發回聲探測器。
為了增加探測距離，需要提高發射強度和接收靈敏度。他們利用1880 ~ 1881年發現的壓電效應來產生和接收超聲波，但這種壓電效應仍然很微弱。正好當時電子領域發明了壹種大功率電子管高頻放大器，正好用來放大壓電效應。剩下的問題是找到具有壓電效應的應時單晶。
191711年6月，郎之萬終於說服了壹位配鏡師，將他珍藏多年的直徑約10英寸的應時單晶展品贈送出去，從中切下晶片，做成應時壓電接收換能器，再配以雲母靜電發射換能器，完成了6公裏的單向信號收發。後來，應時被用來代替雲母完成8公裏的單向信號傳輸。
得知朗之萬的成功後，英國人到處尋找大塊的晶體。英國地質博物館裏的水晶展品全部走完之後，他們來到了法國水晶眼鏡商那裏。他們從倉庫裏找到了大量的晶體，並制作了回聲探測器。美國科學家聽了英法代表團對朗之萬成功的介紹後，也加強了這方面的研究工作。
在此期間，人們還發展了被動聲納，它可以通過聽敵艦的噪音來確定自己的位置。最早的被動聲納只有兩個接收器，通過人類頭部攜帶的聽診器來聽。為了精確確定距離，後來發展成了每邊有多個水聽器的線性陣列。通過旋轉線陣，用耳朵判斷敵艦位置。
遺憾的是，直到壹戰結束，他們都沒有進壹步的建樹。超聲波回波探測成功得太晚，以至於在第壹次世界大戰中沒有顯示出它的巨大威力。然而，朗之萬及其同事的傑出成就開創了超聲波檢測的應用技術。
在第壹次世界大戰後的幾年裏，主動聲納和被動聲納都得到了進壹步的發展。英美主要發展主動聲納，使用高頻，使其遠離艦船噪聲頻段，不受艦船噪聲幹擾。比如朗之萬的聲納頻率是38kHz，後續的聲納頻率大多是10 kHz ~ 30 kHz，而且因為頻率高，可以形成很強的指向性。這個時候德國是戰敗國。根據《凡爾賽條約》的規定，不允許建造潛艇，只允許建造小噸位的戰艦。他們的註意力集中在被動聽音系統的開發上。德國巡洋艦“歐根王子”號每側裝有60個水聽器的* *陣列，設計得很好，對以後被動聲納的發展影響很大。到1923，朗之萬和奇洛夫斯基共同研制的回聲探測器在法國物理學會50周年展覽上展出。當時大約有3000艘戰艦裝備了不同類型的水聲設備。1937出現了溫度深度計，可以快速測量和計算海水中聲速隨深度的變化，從而掌握聲音傳播的條件，為聲納的進壹步發展奠定基礎。
聲納作為壹種水聲武器，在第二次世界大戰和戰後幾年得到了全面發展。在此期間，聲納的作用範圍在增加，分辨目標的能力在提高。各種類型的聲納已經出現，從核潛艇上的巨型聲納到魚雷頭部的制導聲納。為了在二戰中使用聲納，美國集中力量深入研究聲速分布對聲音傳播的影響，美蘇獨立發現是水文分布造成的。海洋通道”，聲波不會與海面和海底發生碰撞，而是可以傳播很遠的距離。二戰期間，交戰雙方損失了1000多艘潛艇，其中大部分是被聲納發現的。二戰後，美蘇進行軍備競賽，水聲武器是其中壹項重要內容。隨著信息論和數字處理技術的飛速發展以及核潛艇和核導彈的出現，潛艇近距離監視的戰術聲學探測已經發展成為核潛艇在海洋遠距離監視的戰略聲學探測。聲納為了增加探測距離，降低使用頻率，以減少海洋的吸收和接收；為了保持較強的指向性，會增加水聽器的數量，按照壹定的空間分布安裝成為聲納陣列；為了減少螺旋槳噪音的幹擾，聲納往往安裝在船頭底部，但是船尾方向就成了聲納搜索不到的盲區。因此研制出用拖纜在船尾的海水中拖動聲吶，其深度可以調節，稱為變深度聲吶，使聲吶不受惡劣海況的影響。另外，換能器陣列的長度要增加，但船的長度有限，所以在船後拖壹條長電纜，安裝幾百個換能器，組成壹個幾百米長的拖曳線列陣，可以放在壹千米深的深水層中進行遠距離探測；為了快速大面積搜索某海域的潛艇，還發展了直升機投放聲納浮標的方法，如圖3-8所示。反潛機可以攜帶80多個聲納浮標。浮標放在海面後，可由電腦控制，可同時監測30多個聲納浮標，快速大面積搜索海域。
蘇聯解體，兩大強國對峙消失後，聲納逐漸轉向淺海勘探和海洋開發應用的研究。開發了海洋聲學層析成像技術，可以觀測200 ~ 300公裏範圍內的海洋現象，將海洋視為人體進行透視和層析。最近，海洋氣候聲學溫度測量已經發展到測量海洋通道的聲速，並且根據聲速和海水溫度的關系，可以計算海洋通道上的溫度，並且可以獲得由於二氧化碳的溫室效應而導致的溫升數據，以解決人類環境保護的重大問題。
現在聲納有了突飛猛進的發展。現代聲納的作用範圍增加了數百倍，定向精度可以達到幾分之壹度，包括電子計算機和非常復雜的大規模集成電路。現代核潛艇聲吶站的換能器直徑幾米，重量十幾噸，耗電量相當於壹個小城市。目前，除了船載聲納外，在港口、重要海峽和主要航道還固定布置了巨大的聲納換能器陣列。對於潛艇來說，這是聲納編織的壹個重圍。
此外，反偵查技術也發展迅速。如幹擾聲吶工作的噪聲阻斷技術、減少回波反射的隱身技術、幹擾聲吶判斷的假目標等。這些在現代軍事術語中被稱為電子對抗。
有趣的是，聲納並不是人類的專利，很多動物都有自己的“聲納”。蝙蝠用喉嚨每秒發出10-20次超聲波脈沖，用耳朵接收回聲。憑借這種“主動聲納”，他們可以探測到微小的昆蟲和厚度為0.1毫米的鐵絲障礙物..飛蛾等昆蟲也有“被動聲納”，可以清楚地聽到40米外蝙蝠的超聲波，因此經常躲避攻擊。但有些蝙蝠可以使用昆蟲聽不到的高頻超聲波或低頻超聲波，這樣捕到昆蟲的命中率還是很高的。看來動物也和人類壹樣在搞“聲納戰”！海豚和鯨魚等海洋哺乳動物有“水下聲納”，可以產生非常確定的信號來探索食物和相互交流。
海豚聲納靈敏度很高。它能在數米外發現直徑為0.2 mm的金屬線和直徑為1mm的尼龍繩，分辨出兩個時差為200μs的信號，發現數百米外的魚群，蒙上眼睛靈活快速地走過滿是竹竿的水池而不觸碰它們。海豚聲納具有很強的“目標識別”能力，不僅能識別不同的魚，區分黃銅、鋁、膠木、塑料等不同材料，還能從記錄其聲音的人回放的聲波中分辨出其自身聲音的回聲。海豚聲納的抗幹擾能力也很驚人。如果有噪音幹擾，它會加大通話強度蓋過噪音，使其判斷不受影響。而且海豚聲納也有表達感情的能力。已經證明，海豚是有“語言”的動物，它們的“對話”是通過它們的聲納系統進行的。特別是世界僅存的四種淡水海豚中最珍貴的中國長江中下遊的白鰭豚，其聲納系統有明確的“分工”，用於定位、通訊和報警，並有通過調頻調相的特殊功能。
很多種類的鯨魚都是用聲音來探測和交流的，頻率比海豚低很多，範圍也遠很多。其他海洋哺乳動物，如海豹和海獅，也會發出聲納信號進行探測。
壹輩子生活在極度黑暗的海洋深處的動物，不得不借助聲納等手段搜尋獵物，躲避攻擊。他們聲納的性能遠遠超出了現代人類技術的能力。解開這些動物聲納之謎壹直是現代聲納技術的重要研究課題。
和很多科技的發展壹樣，社會的需求和科技的進步推動了聲納技術的發展。
“冰海沈船”事件促使了回聲探測儀的誕生。1912 4月14日，英國豪華客輪泰坦尼克號在首航美國途中，在北大西洋與冰山相撞後沈沒。歷史上最大的沈船事故引起了巨大的震動，促使科學家們研究冰山的探測和定位。英國科學家l. F .孫國豪在沈船後5天和1個月申請了兩項專利，利用聲波探測空氣和水中的障礙物，並提出使用定向發射換能器，但它沒有繼續努力實現他的專利。1913年，美國科學家R·A·費森登申請了多項水下探測專利，並利用自己設計的動圈換能器制成了第壹臺回聲探測器。1965438+2004年4月，他用這臺設備發出的500-1000 Hz的聲波成功探測到了2海裏(3.7公裏)外的冰山。
然後，1914年爆發了第壹次世界大戰，極大地推動了水聲定位定向武器的發展。第壹次世界大戰期間，德國潛艇發動了“無限潛艇戰”，壹時所向披靡，對協約國和其他國家的海上運輸構成極大威脅，幾乎中斷了跨大西洋運輸。協約國等國非常憤怒，相繼研制水聲設備探測水下潛艇。當時，許多著名的科學家參加了這項工作。俄羅斯壹位年輕的電氣工程師奇洛夫斯基(C. Chilovsky)很早就在冰海沈船事件的影響下開始了水聲探測設備的研制。第壹次世界大戰開始後，他在瑞士山區養病，感受到反潛戰的重要性。在那之後，他將研究轉向為潛艇使用高頻聲波。回聲檢測的想法。他的建議於1915年2月被法國政府采納，交由法國著名物理學家朗之萬教授實施。朗之萬和奇洛夫斯基決定使用高頻超聲波。他們使用雲母靜電換能器，將雲母片放在兩個電極中，施加交流電壓發射聲波，使用碳粒麥克風作為接收換能器。用這樣簡單的設備，在1915年底和1916年初在塞納河兩岸進行的間作繁殖試驗獲得成功，實現了兩公裏的單向繁殖。他們成功的消息傳到了英國，英國也成立了壹個團隊開發回聲探測器。
為了增加探測距離，需要提高發射強度和接收靈敏度。他們利用1880 ~ 1881年發現的壓電效應來產生和接收超聲波，但這種壓電效應仍然很微弱。正好當時電子領域發明了壹種大功率電子管高頻放大器，正好用來放大壓電效應。剩下的問題是找到具有壓電效應的應時單晶。
191711年6月，郎之萬終於說服了壹位配鏡師，將他珍藏多年的直徑約10英寸的應時單晶展品贈送出去，從中切下晶片，做成應時壓電接收換能器，再配以雲母靜電發射換能器，完成了6公裏的單向信號收發。後來，應時被用來代替雲母完成8公裏的單向信號傳輸。
得知朗之萬的成功後，英國人到處尋找大塊的晶體。英國地質博物館裏的水晶展品全部走完之後，他們來到了法國水晶眼鏡商那裏。他們從倉庫裏找到了大量的晶體，並制作了回聲探測器。美國科學家聽了英法代表團對朗之萬成功的介紹後，也加強了這方面的研究工作。
在此期間，人們還發展了被動聲納，它可以通過聽敵艦的噪音來確定自己的位置。最早的被動聲納只有兩個接收器，通過人類頭部攜帶的聽診器來聽。為了精確確定距離，後來發展成了每邊有多個水聽器的線性陣列。通過旋轉線陣，用耳朵判斷敵艦位置。
遺憾的是，直到壹戰結束，他們都沒有進壹步的建樹。超聲波回波探測成功得太晚，以至於在第壹次世界大戰中沒有顯示出它的巨大威力。然而，朗之萬及其同事的傑出成就開創了超聲波檢測的應用技術。
在第壹次世界大戰後的幾年裏，主動聲納和被動聲納都得到了進壹步的發展。英美主要發展主動聲納，使用高頻，使其遠離艦船噪聲頻段，不受艦船噪聲幹擾。比如朗之萬的聲納頻率是38kHZ，後續的聲納頻率大多是10 ~ 30 kHz，而且因為頻率高，可以形成很強的指向性。這個時候德國是戰敗國。根據《凡爾賽條約》的規定，不允許建造潛艇，只允許建造小噸位的戰艦。他們的註意力集中在被動聽音系統的開發上。德國巡洋艦“歐根王子”號每側裝有60個水聽器的* *陣列，設計得很好，對以後被動聲納的發展影響很大。到1923，朗之萬和奇洛夫斯基共同研制的回聲探測器在法國物理學會50周年展覽上展出。當時大約有3000艘戰艦裝備了不同類型的水聲設備。1937出現了溫度深度計，可以快速測量和計算海水中聲速隨深度的變化，從而掌握聲音傳播的條件，為聲納的進壹步發展奠定基礎。
聲納作為壹種水聲武器，在第二次世界大戰和戰後幾年得到了全面發展。在此期間，聲納的作用範圍在增加，分辨目標的能力在提高。各種類型的聲納已經出現，從核潛艇上的巨型聲納到魚雷頭部的制導聲納。為了在二戰中使用聲納，美國集中力量深入研究聲速分布對聲音傳播的影響，美蘇獨立發現是水文分布造成的。海洋通道”，聲波不會與海面和海底發生碰撞，而是可以傳播很遠的距離。二戰期間，交戰雙方損失了1000多艘潛艇，其中大部分是被聲納發現的。二戰後，美蘇進行軍備競賽，水聲武器是其中壹項重要內容。隨著信息論和數字處理技術的飛速發展以及核潛艇和核導彈的出現，潛艇近距離監視的戰術聲學探測已經發展成為核潛艇在海洋遠距離監視的戰略聲學探測。聲納為了增加探測距離，降低使用頻率，以減少海洋的吸收和接收；為了保持較強的指向性，會增加水聽器的數量，按照壹定的空間分布安裝成為聲納陣列；為了減少螺旋槳噪音的幹擾，聲納往往安裝在船頭底部，但是船尾方向就成了聲納搜索不到的盲區。因此研制出用拖纜在船尾的海水中拖動聲吶，其深度可以調節，稱為變深度聲吶，使聲吶不受惡劣海況的影響。另外，換能器陣列的長度要增加，但船的長度有限，所以在船後拖壹條長電纜，安裝幾百個換能器，組成壹個幾百米長的拖曳線列陣，可以放在壹千米深的深水層中進行遠距離探測；為了快速大面積搜索某海域的潛艇，還發展了直升機投放聲納浮標的方法，如圖3-8所示。反潛機可以攜帶80多個聲納浮標。浮標放在海面後，可由電腦控制，可同時監測30多個聲納浮標，快速大面積搜索海域。
蘇聯解體，兩大強國對峙消失後，聲納逐漸轉向淺海勘探和海洋開發應用的研究。開發了海洋聲學層析成像技術，可以觀測200 ~ 300公裏範圍內的海洋現象，將海洋視為人體進行透視和層析。最近，海洋氣候聲學溫度測量已經發展到測量海洋通道的聲速，並且根據聲速和海水溫度的關系，可以計算海洋通道上的溫度，並且可以獲得由於二氧化碳的溫室效應而導致的溫升數據，以解決人類環境保護的重大問題。
現在聲納有了突飛猛進的發展。現代聲納的作用範圍增加了數百倍，定向精度可以達到幾分之壹度，包括電子計算機和非常復雜的大規模集成電路。現代核潛艇聲吶站的換能器直徑幾米，重量十幾噸，耗電量相當於壹個小城市。目前，除了船載聲納外，在港口、重要海峽和主要航道還固定布置了巨大的聲納換能器陣列。對於潛艇來說，這是聲納編織的壹個重圍。
此外，反偵查技術也發展迅速。如幹擾聲吶工作的噪聲阻斷技術、減少回波反射的隱身技術、幹擾聲吶判斷的假目標等。這些在現代軍事術語中被稱為電子對抗。
有趣的是，聲納並不是人類的專利，很多動物都有自己的“聲納”。蝙蝠用喉嚨每秒發出10-20次超聲波脈沖，用耳朵接收回聲。憑借這種“主動聲納”，他們可以探測到微小的昆蟲和厚度為0.1毫米的鐵絲障礙物..飛蛾等昆蟲也有“被動聲納”，可以清楚地聽到40米外蝙蝠的超聲波，因此經常躲避攻擊。但有些蝙蝠可以使用昆蟲聽不到的高頻超聲波或低頻超聲波，這樣捕到昆蟲的命中率還是很高的。看來動物也和人類壹樣在搞“聲納戰”！海豚和鯨魚等海洋哺乳動物有“水下聲納”，可以產生非常確定的信號來探索食物和相互交流。
海豚聲納的靈敏度很高。它能在數米外找到直徑為0.2毫米的金屬線和直徑為1毫米的尼龍繩，能分辨出時差為200 burs的兩個信號，能在數百米外找到魚群，還能在不觸碰的情況下，蒙上眼睛靈活快速地走過滿是竹竿的水池。海豚聲納具有很強的“目標識別”能力，不僅能識別不同的魚，區分黃銅、鋁、膠木、塑料等不同材料，還能從記錄其聲音的人回放的聲波中分辨出其自身聲音的回聲。海豚聲納的抗幹擾能力也很驚人。如果有噪音幹擾，它會加大通話強度蓋過噪音，使其判斷不受影響。而且海豚聲納也有表達感情的能力。已經證明，海豚是有“語言”的動物，它們的“對話”是通過它們的聲納系統進行的。特別是世界僅存的四種淡水海豚中最珍貴的中國長江中下遊的白鰭豚，其聲納系統有明確的“分工”，用於定位、通訊和報警，並有通過調頻調相的特殊功能。
很多種類的鯨魚都是用聲音來探測和交流的，頻率比海豚低很多，範圍也遠很多。其他海洋哺乳動物，如海豹和海獅，也會發出聲納信號進行探測。
壹輩子生活在極度黑暗的海洋深處的動物，不得不借助聲納等手段搜尋獵物，躲避攻擊。他們聲納的性能遠遠超出了現代人類技術的能力。解開這些動物聲納之謎壹直是現代聲納技術的重要研究課題。