利用水聲傳播特性對水中目標進行傳感探測的技術設備。用於搜索、測定、識別和跟蹤潛艇和其他水中目標,進行水聲對抗、水下戰術通信、導航和武器制導,保障艦艇、反潛飛機的戰術機動和水中武器的使用等。聲納裝備於潛艇、水面艦艇、反潛飛機和海岸防潛警戒系統。按基本工作方式,區分為主動式聲納和被動式聲納。按裝備物件,區分為艦艇聲納、航空聲納、海岸聲納和便攜聲納。按主要戰術性能和技術特點,區分為搜索聲納、攻擊聲納、探雷聲納、識別聲納、通信聲納(水聲通信機)、對抗聲納(水聲偵察察、幹擾和偽裝設備)、導航聲納(測深儀、測冰儀和多普勒聲納)和綜合聲納等。

  “聲納”一詞,是在第二次世界大戰中形成的,是英語“sound navigation and ranging”(聲導航和定位)縮略語的音譯。在此以前,水聲探測設備曾分別稱為潛艇探測器、回聲定位儀、水中聽音器、噪聲測向儀和回聲測深儀等。

  組成和工作原理 被動式聲納(噪聲聲納),主要由換能器基陣(由若幹換能器以一定規律排列組合而成)、接收機、顯示控制臺和電源等組成。當水中、水面目標(潛艇、魚雷、水面艦船等)在航行中,其推進器和其他機械運轉產生的噪聲,通過海水介質傳播到聲納換能器基陣時,基陣將聲波轉換成電信號傳送給接收機,經放大處理傳送到顯示控制臺進行顯示和提供聽測定向(圖1)。早期的噪聲聲納搜索目標和測定目標方位,主要是轉動換能器基陣對準目標,以最大定向法來完成;近代噪聲聲納則由基陣和波束形成電路預成波束來自動完成。現代噪聲聲納除完成對目標測向外,還能根據噪聲目標的頻譜特征等判明其性質和類型;噪聲測距聲納還可對目標進行被動測距。

  主動式聲納(回聲聲納),主要由換能器基陣、發射機、接收機、收發轉換裝置(用於收發合一的基陣)、終端顯示設備、系統控制設備和電源等組成。在系統控制設備的控制下,發射機產生以某種形式調制的電信號,經收發轉換裝置送到換能器基陣,由換能器將其變換成聲能向水中輻射;同時,信號的部分能量被耦合到接收機作為計時起始(距離零點)信號。當聲波信號在傳播途中遇到目標時,一部分聲能被反射回換能器再轉換成電信號,經收發轉換裝置送入接收機進行放大處理,送到終端顯示設備供觀察和聽測(圖2)。

圖1 噪聲聲納工作原理圖

圖2 回聲聲吶工作原理圖

  簡史 1490年,意大利人達·芬奇最早記述瞭把兩端開口的長管插入水中聽測遠處航船的方法。後人把這種傳聲管稱為“芬奇管”。在第一次世界大戰中,人們把“芬奇管”發展成為由兩組多管組成的水中聽音器,以雙耳效應法測定目標方位,其測向精度達±0.5度,但距離很近。有一種稱為“鰻”的多管線列陣系統,可拖曳在船尾,供任何一種艦船拖帶和測聽。據統計,在這次大戰中,約有3000艘艦艇裝備此類空氣管水聽器,以對付水下航行的潛艇。19世紀末,發現瞭聲電轉換材料;20世紀初,又發明瞭真空管,成為聲納發展的基礎。1916年,法國物理學傢P.郎之萬利用電容發射器和炭粒微音器開始作回聲聲納實驗;1918年,他用石英換能器和真空管放大器組成的探測器,收到瞭潛艇的回波,探測距離達1500米,這是最早出現的實驗性近代回聲聲納。與此同時,英國由R.W.博伊爾領導的名為“ASDIC”的研究小組,利用石英換能器和真空管放大器進行對潛艇探測的研究也取得瞭成功。1935年前後,比較符合實戰要求的聲納開始投入生產,到第二次世界大戰爆發時,已有許多艦艇裝備瞭聲納。據統計,在這次大戰期間被擊沉的潛艇中,有60%是由聲納發現的。

  現狀 從20世紀50年代中期起,由於核動力潛艇的發展和水中武器性能的提高,電子技術、水聲工程和水聲物理學方面出現瞭新的研究成果,使聲納的發展進入現代化階段。其主要標志是:①比較普遍地采用低聲頻、大功率和信號數字處理技術,綜合利用聲波在水中傳播的新途徑,采取降低艦艇噪聲等措施,使聲納的探測距離比40~50年代提高瞭10~30倍。②利用多元式基陣和數字多波束電子掃描技術,實現瞭對目標水平全向或三維空間的快速掃描搜索,並具有同時搜索跟蹤多個目標的能力和較高的定位精度(方位精度±0.25°~±1°,距離精度±1%~±5%,俯抑精度小於±1°)。③采用識別聲納或通信聲納的編碼識別裝置,解決瞭對水下目標的主動識別,並正在發展被動識別技術。④拖曳式聲納(變深聲納)有瞭較大的發展,使水面反潛艦艇在惡劣海況和不良水聲傳播條件下,能有效地實施對潛搜索和攻擊。⑤采用被動式噪聲測距,提高瞭潛艇隱蔽攻擊的能力。⑥利用數字計算機技術和系統工程學的研究成果,單功能聲納已發展為多功能或綜合性的聲納系統,使基陣得到綜合利用並實現多部聲納的綜合控制或集中操縱。⑦聲納同攜載平臺的其他傳感探測設備、水中武器、導航等系統緊密結合,提高瞭艦艇、飛機對水中目標搜索識別和攻擊的效能;同時,還發展瞭專用於探測水雷、水聲偵察和幹擾、對魚雷警戒和誘騙的水聲設備。

  發展趨勢 發展鑲貼式基陣聲納、拖曳線列陣聲納、光纖水聽器和光學聲納,研究水聲信號處理新技術,進一步降低艦艇噪聲和加強對各類水聲信道的主動利用。利用數字計算機先進技術和器件,進一步向全數字化發展,將很快出現第四代、第五代數字式聲納。進一步提高聲納對目標的搜索、識別、跟蹤、處理能力和對海洋環境的適應能力,提高設備的可靠性、可維修性和管理操作的自動化程度,以更有效地保障潛艇和反潛兵力的戰鬥活動。