海豚与声呐的故事

作者: 欧阳

太平洋战争的秘密武器

1941年12月,太平洋战争爆发。美国人的潜艇仿佛长了眼睛似的,穿过了日本人设置的层层水雷封锁线,神不知鬼不觉地钻进日本海,向日本舰船发起突然袭击,使日本海军损失惨重;与此同时,日本的潜艇一靠近美国的军港或海岸边,不知怎的,就遭到美国军舰或飞机的攻击。

“这是怎么回事呢?”日本海军官员百思不得其解,“难道美国人使用了什么秘密武器?”

的确,美国人使用了一种“秘密武器”———声呐。

声呐是一种利用声波在水下测定目标距离和运动速度的仪器。美国人在潜艇上装了类似声呐的“探雷器”,因此对于日本人设置的水雷封锁线及舰船的所在位置一目了然;美国人还在军港和海岸的航道口装上了声呐,这样,海里的任何动静都逃不过美国人的“耳目”。

达·芬奇的实验

达·芬奇是我们大家早已熟悉的人物,但是我们所熟知的是他是一位著名的画家,却不知道他还是一位科学家,他早在1490年就已经注意到了声音在水中的传播。

有一次,达·芬奇来到海边写生,他听着海浪的声音,头脑里忽然产生了一个念头:我们能听见水的声音,那水里面到底有没有什么声音?

于是,他取来一根管子,将管子的一端插到水里,管子的另一端放在耳朵旁。结果听到了“咕噜咕噜”的声音。经过仔细辨认,他发现这是远方的船航行时螺旋桨击水弄出的声响。

达·芬奇的这根管子可以算是声呐最古老的祖先了。

三个世纪过去了,达·芬奇的实验得到了科学的验证。瑞士物理学家柯拉顿和德国数学家斯特模,对声音在水中的传播进行了深入探讨,经过反复实验,他们比较精确地测出声音在水中的传播速度大约为5500千米每小时,比在空气中声音的传播速度快4倍左右。

此外,科学家还发现,声音在水中传播,遇到海洋中的物体或海底时,声音会被反射回来,此时一些声波也被“吞掉”。不同频率的声波,在水中被吸收和反射的程度也不相同。

潜水艇的“克星”

18世纪,正是潜水艇在海里称王称霸的时期。人们对于潜水艇的神出鬼没感到束手无策。自然而然地,科学家们想到:利用声波在水中的传播特性,不就可以测出潜艇所在的方位、距离了吗?

可是,要实现声波在水中的发射和接收谈何容易!于是研制潜水艇“克星”的工作搁浅了!

1880年,英国科学家彼埃尔·居里等成功地制造出换能器,实现了电、声信号的转换。这样,通过换能器,可将电波变成声波,并向海里发射;声波遇到物体后,又反射回来,换能器接收到声波,并把它变成电波,显示出来。根据声波发出到接收所需的时间,就可以测出发射地点与物体之间的距离。

就这样,世界上第一代声呐诞生了。

后来,科学家在第一代声呐的基础上,做了许多改进,发明了“主动式声呐”和“被动式声呐”两大类。

主动式声呐,主动发出声信号,去寻找水下目标,根据声波的反射情况作出判断;被动式声呐,收听水中目标发出的噪音,从而测出目标所在的方位、距离。

然而,这两类声呐在使用过程中,也暴露出一些缺陷:主动式声呐发出的声波容易被水中的潜水艇发现,被动式声呐对于不发声的目标无能为力。

怎样才能研究出完美的声呐呢?

海豚的启迪

20世纪60年代,生物学家诺里斯发现,用橡皮蒙住海豚的双眼,它的活动丝毫不受影响,可把海豚的前额蒙住,它在水下就像瞎子一样,到处乱撞。显然,海豚是用前额发出声波来测定方向的。

经过进一步研究,科学家发现海豚有两架“声波发射机”:当它“观察”远距离目标时,它就发射低声,以实现远距离传播;当它“观察”近距离目标时,它就改发超声,以提高分辨率。同时,它也有两架“声波接收机”,接收前方反射回来的声波。海豚的声呐竟如此先进,如此完美!

科学家决定“虚心”向海豚学习。不久,美国科学家发明了军用高级声呐。它是一种多波束回声探测仪,采用两套相同的水听器发射阵。它的性能要比先前的声呐出色得多。

科学家还发现在海豚的声呐外面有一个导流罩,这个导流罩有抗水流噪音的作用,于是科学家研制出“声呐导流罩”。有了它,军舰可不必像以前那样需要静止下来才能使用声呐,即使在高速前进,也可以使用声呐,且不受自身噪音的干扰。

海豚,海洋中的蓝色精灵,领着科学家发明出了完美的声呐,书写了科技发明史上传奇的一页。