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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 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 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 。 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 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 。声波传播当中遇到这个传感 会引起传感 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 。 ▲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