超声波的发现与妙用——雷达和声呐技术

来源：蝌蚪五线谱发布时间：2018-11-17

科学家们根据超声波的科学原理进行了一系列的技术发明，其中最具有代表性的就是雷达和声呐了。

(1) 雷达。

雷达是一种神奇的电子学设备，它由电磁波往返时间测得阻波物的距离。雷达的工作原理与蝙蝠利用超声波回声定位的原理相仿，只是雷达用电磁波取代了超声波。雷达原理是: 雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。

在1842年，多普勒(Christian Andreas Doppler)率先提出多普勒效应的多普勒雷达。后来经过近80年的科学发展，电磁波理论得到发展，人们对于超声波定位的研究更加深入，这为雷达的出现奠定了基础。1917年，罗伯特·沃特森瓦特(Robert WatsonWatt)成功设计了雷暴定位装置，它宣告了雷达的诞生。在1936年，罗伯特·沃特森瓦特组织的特别小组奉英国政府之命在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。后来在沿海地区又增设了许多雷达站，形成雷达网，它们在第二次世界大战中发挥了重要作用。1935年，法国古顿(Gutton)研制出用磁控管产生16cm波长的电磁波，可以在雾天或黑夜发现其他船只。这是雷达民用的开始。1937年，美国第一个军舰雷达XAF试验成功。1941年苏联最早在飞机上装备预警雷达。1943年美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器和预警雷达。1944年马可尼公司成功设计、开发并生产“布袋式”(Bagful)系统，以及“地毯式”(Carpet)雷达干扰系统，前者用来截取德国的无线电通信，而后者则用来装备英国皇家空军(RAF)的轰炸机队。1945年，全凭装有特别设计的真空管──磁控管的雷达，盟军得以打败德国。1947年美国贝尔电话实验室研制出线性调频脉冲雷达。20世纪50年代中期美国装备了超距预警雷达系统，可以探寻超音速飞机。不久又研制出脉冲多普勒雷达。1959年美国通用电器公司研制出弹道导弹预警雷达系统，可发跟踪3000英里(约4828km)外，600英里(约966km)高的导弹，预警时间为20分钟。1964年美国装置了第一个空间轨道监视雷达，用于监视人造地球卫星或空间飞行器。1971年加拿大伊朱卡等3人发明全息矩阵雷达。与此同时，数字雷达技术在美国出现。1993年美国曼彻斯特市德雷尔·麦吉尔发明了多塔查克超智能雷达。

现代雷达

雷达的发明不能归功于某一位科学家。在二战时，美国雷达的研究就涉及麻省理工学院的五百位科学家和工程师。现在雷达的应用非常广泛，它不仅是军事上必不可少的电子装备，而且在社会经济发展(如气象报告、资源环境监测)和科学研究(如天体研究)等方面发挥着重要作用，是人类的好帮手。

(2) 声呐技术。

声呐(超声波测距仪，也称声呐)是利用超声波原理的另一大发明。蝙蝠发出的超声波遇到障碍物就会被反射回来，迅速判断前方是什么物体，距离有多远，是食物、树干还是敌人，然后决定进攻或躲避。声呐采用相似的方式工作。它的工作原理是: 利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通信任务。雷达主要在空中发挥其优势，声呐则是水声学中应用最广泛的一种装置，它是对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备。

声呐技术至今已有超过100年历史，它是1906年由英国海军的李维斯·理察森(Lewis Nixon)发明的。到第一次世界大战时开始被应用到战场上，用来侦测潜藏在水底的潜水艇，这些声呐只能被动听音，属于被动声呐，或者叫做“水听器”。1915年，法国物理学家保罗·朗之万(Paul Langevin)与俄国电气工程师Constantin Chilowski合作发明了第一部用于侦测潜艇的主动式声呐设备。尽管后来压电式变换器取代了他们一开始使用的静电变换器，但他们的工作成果仍然影响了未来的声呐设计。1916年，加拿大物理学家Robert Boyle承揽了一个属于英国发明研究协会的声呐项目，Robert Boyle在1917年制作出了一个用于测试的原始型号主动声呐，由于该项目很快就划归ASDIC(Anti/Ailled Submarine Detection Investigation Committee，反潜/盟军潜艇侦测调查委员会)管辖，此种主动声呐亦被称英国人称为ASDIC。1918年，英国和美国都生产出了成品。1920年英国在皇家海军HMS Antrim号上测试了他们仍称为ASDIC的声呐设备，1922年开始投产，1923年第六驱逐舰支队装备了拥有ASDIC的舰艇。1924年在波特兰成立了一所反潜学校——皇家海军Ospery号(HMS Osprey)，并且设立了一支有四艘装备了潜艇探测器的舰艇的训练舰队。1931年美国研究出了类似的装置，称为SONAR(声呐)。

声呐是水下观测和测量的重要技术手段，对于水中定位有非常重要的作用。