战争促成的发明声纳技术 人类的另一双耳朵

作者:程刚来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-07-05

声呐技术至今已有100年历史,那么,它是怎么发明的呢?

  声纳,又译声呐,是英文缩写SONAR的音译,它是一种利用声波在水下的传播特性来进行导航和测距,再通过电声转换和信息处理,完成水下探测和通讯任务的电子设备。分主动式和被动式两种类型,属于声学定位的范畴。声呐技术至今已有100年历史,那么,它是怎么发明的呢?

意大利帕维亚大学的“偶极子”拖曳水听器阵

意大利帕维亚大学的“偶极子”拖曳水听器阵

(图片来自西北工业大学航海学院“声呐原理”精品课)

  1914 年,第一次世界大战爆发。战争初期,德国先进的武器装备让他们在战场上占尽了便宜。特别是他们的U—9 型潜艇就像海底幽灵一般,让海面上的舰船惊心不已。仅9 月 22 日一天,德军的一艘U—9 型潜艇只用了半小时就击沉了三艘英国巡洋舰,英军损失了 1200 余名水兵,如果再不想出制服潜艇的办法,解除德国潜艇的严重威胁,英国海军恐怕就会一败再败,最后甚至所有的舰船都保不住。

u-9

大名鼎鼎的u-9型潜艇

  该如何应对水下潜艇呢?英国海军人员集智攻关,他们认为,制服这种特殊的武器,首先要解决侦察的问题,也就是要发现它,只有发现了它才能发射鱼雷命中目标,这个时候,就迫切需要一种能探测这些水下“恶狼”的办法。

  郎之万和希洛斯基两位科学家接受了这个任务,他们带着科研团队随即投入到紧张的研究之中。经翻阅相关资料发现,其实早在1906年,英国海军的一位科研人员刘易斯·尼克森,为了使舰船航行安全,他便发明了一种具有现代意义的声呐仪,但这种声纳仪被称为是一种被动式的聆听装置,主要用来侦测冰山,没有得到广泛应用。 1912 年的时候,由于“泰坦尼克号”的沉没,为了尽快把船打劳上岸,科学家理查森也曾提出过类似的课题,就是通过使用超声波,通过回声来探测水下的物体,然而,直到第一次世界大战爆发前,这种想法还难以实现。

泰塔尼克

“泰塔尼克号”资料图片

  郎之万和希洛斯基认为,这个课题就是一个突破口,他们立即着手立项,很快便得到批准投入研究。鉴于对前面资料的分析,两位科学家认为,目前研究的关键就是要找到一种有效的方法来产生超声波脉冲和接收从水下物体反射回来的声音,更重要的是,接收回声的方法要使水下物体的位置能计算出来。

  一天,郎之万泡在图书馆里,一边翻看资料,一边苦苦地思索着研究的切入点。突然,他翻到了比埃尔·居里和雅克·居里在许多年前发现的压电效应。这个压电效应是指石英在受到压缩时会产生一个很小的电流。反过来,如果向石英施加一个电流,石英就会有轻微的膨胀。看到这段内容,郎之万豁然开朗,这段资料表明,石英和其他压电物质既能做声音的发射器,也能做声音的接收器啊!。于是,郎之万开始着手进行用石英板做接收器的研究工作,为了更快地推进这项研究,他特意邀请了在石英物质方面专家波意尔教授,他当时正为帕克斯顿港的皇家海军工作。

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声呐装置的水下扩展探头

(图片来自西北工业大学航海学院“声呐原理”精品课)

  一年后,他们便有了收获,他们用石英物资研制成功了一种发射器和接收器,他的主要功能是释放超声波,并接收接触物体后反射回来的超声波,并通过运算系统,精确计算被侦测物体的位置及体积等,这便是有源声纳系统的开篇探索。1918 年底,英国皇家海军研究小组开始在军舰上试验他们研制的声纳装置并很快投入战场,此时战争即将结束,但困兽犹斗德军潜艇依然活跃在海底,可这回,吃亏的却是他们,靠着声纳的主动寻找和精确的定位,皇家海军每天都能击中德军潜艇,要不是此时战争快要结束,德国海军就可能完败。

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