如何使用聲吶在深海搜索飛機殘骸

3月8日，馬來西亞MH370航班失聯后，多國開始展開歷史上最大規模的國際搜救行動。3月23日，馬來西亞總理召開新聞發布會，正式向世界宣布MH370墜落在南印度洋海域。由于該海域搜尋范圍之廣、難度之大前所未有，中國動用21顆民用與軍用衛星參加搜救，中國海軍先后派遣多艘軍艦參與行動，其中“綿陽”號導彈護衛艦攜帶聲吶雷達、夜視儀、生命探測儀等系統裝備，對水面實施搜索并進行水下探測。

通常情況下，如果不知飛機具體失事海域，或者海域范圍較大，能最先發現飛機殘骸具體位置的應為衛星。美聯社報道稱，全球正在運行的衛星中，美國有413顆，其中可用于軍事或間諜偵察任務的衛星總量超過100顆，大部分都負有對世界熱點地區特別是東亞地區偵察的任務。如美國“大鳥”照相偵察間諜衛星上的畫幅式照相機，從160公里高空拍攝的照片，竟能分辨出地面上0.3米大小的物體，也就是說能看清到底是一只狗還是一只貓。由此可見，衛星是搜救馬航失聯飛機的救命稻草。衛星發現疑似圖片，經過分析識別后，才可派飛機、船舶、軍艦趕往出現海域。此時，救援人員會使用水下聲吶探測設備進行定位。

聲吶的發展歷史

聲吶技術已有100多年的歷史，1906年由英國海軍的李維斯·理察森發明，一戰時開始應用于戰場，主要用來偵測潛藏在水底的潛水艇。當時，聲吶只能被動聽音，屬于被動聲吶，或者叫做“水聽器”。1915年，法國物理學家與俄國電氣工程師合作發明了第一部用于偵測潛艇的主動式聲吶設備。1916年，加拿大物理學家研制出潛艇探測器，1918年英國和美國生產出成品，1922年開始投產。

第二次世界大戰期間及其以前的潛艇聲吶多采用單一換能器或簡單基陣，通過機械旋轉產生水平方向上的單波束掃描，只能對單個目標進行定位和跟蹤，工作頻率集中在20～30千赫之間，主動式發射功率不超過800瓦，信號處理限于簡單的濾波和放大。對目標存在與類型的判斷主要靠操作人員的聽覺、視覺和經驗。當時，它們只能利用直達聲傳播途徑，探測距離很近，主動式為1～1.5海里，被動式為2～3海里，測向精度為1～3度，主動測距精度約±1%，且不能測定目標深度，沒有被動測距的功能。

1942年，大西洋海域一場慘烈的海底戰爭正在秘密進行。對峙的雙方是德國潛艇部隊和美英同盟國海軍。為打贏這場戰爭，交戰雙方都使用了新式武器。1943年4月，德國技術專家為納粹海軍研制了潛艇“通氣管”裝置。這是一種延長了的柴油機排氣孔，是一個裝有閥門的筒管。當潛艇在9～12米的潛望鏡深度機動時，柴油機通過這個“通氣管”裝置可向水面排煙氣，且閥門可避免海水滲進。此前，下潛時靠電池組驅動的潛艇具有致命弱點，如在水下24小時后必須浮出水面充電，與此同時最易受到攻擊。裝上“通氣管”裝置后，潛艇速度提高3倍，也無需浮出水面充電。“通氣管”裝置使飛機作為反潛武器的效能失去許多，幾乎使雷達無效。在美英盟軍登陸西歐的10周里，裝有“通氣管”裝置的德國潛艇和魚雷共擊沉了12艘商船。不過，在完善這種裝置的過程中德軍也遇到很多麻煩：潛艇人員由于“通氣管”產生的氣壓波振引起耳痛；有時“通氣管”出現故障時，弄得潛艇內煙霧騰騰，艇員由于吸入過多煙氣引發二氧化碳中毒。于是，德軍給艇員們分配較多的水果和牛奶，鼓勵他們繼續實驗。

第二次世界大戰后，聲吶技術迅速發展，使現代潛艇聲吶具有以下主要特點：采用較低的工作頻率，主動式工作頻率的典型值為3～3.5千赫，被動式為0.5～3千赫；加大發射功率，最高已達1兆瓦；加大換能器基陣尺寸，裝在潛艇首部的大型球形陣直徑已接近5米，貼鑲在潛艇舷側的線列陣長達60米左右，潛艇拖曳線列陣長度在百米以上；使用可作垂直波束掃描的換能器基陣，能選擇利用三種傳播途徑；采用先進的信號處理技術；采用集成電路和微型組件，實現全數字化。

從20世紀60年代開始，大批核動力潛艇將有利于聲吶工作的艇首空間用來安裝大型換能器基陣，而把艇首魚雷發射管移至基陣后兩側。為保持潛艇的隱蔽性，潛艇聲吶系統在大多數情況下，以被動工作方式對水中目標進行警戒、探測、跟蹤、識別和定位。只是在魚雷射擊前，以主動方式對水中目標進行定位，為魚雷武器射擊指揮系統提供目標的精確坐標數據。潛艇聲吶系統還不斷對所在海區的聲傳播條件和本艇噪聲進行監測和分析，以便選擇最佳的戰術機動和聲吶使用方式。70年代初以來，潛艇聲吶普遍采用數字計算機和微處理器，進行信號處理和全系統的控制和監視，使提取和綜合信息的數量和質量大幅度提高，操縱控制和檢修更為方便。

聲吶的工作原理和分類

在搜救飛機殘骸中，水下聲吶探測設備向海底發射聲波，一旦探測到類似金屬物的物體，救援人員再使用其他設備進行攝像，以確定是否是黑匣子。黑匣子共有兩套系統，一套為記錄飛行數據的飛行數據記錄儀，另一套為記錄機組通話的話音記錄儀。一般飛行數據記錄儀在機尾，話音記錄儀在駕駛艙上部。這兩套記錄儀都附加有水下定位信標機。如果飛機落入水中，兩套水下定位信標機就會自動開啟，以27.5千赫茲的頻率發送聲音信號。

2009年，美方曾將拖曳聲波定位儀借給法國使用。據介紹，TPL-25型拖曳聲波定位儀由水下拖曳部分、線纜和控制臺等部分組成。水下拖曳部分長度為76厘米，直徑約89厘米，重量約32公斤。搜救中，飛機可空投聲吶浮標到預定海域，浮標上的音響裝置就會尋找黑匣子，浮標上的無線電自動發報機還能把音響發射給飛機。聲波定位儀最深可以“聽到”黑匣子在水下20000英尺發出的信號，當定位儀“收聽”到黑匣子信號，信號會出現在控制臺中的示波器或可以對信號進行處理的計算機上。控制人員將對信號最強點的位置進行記錄，再進行反復多次測量，通過三角定位來確定黑匣子的位置。

聲吶是利用水中聲波進行探測、定位和通信的電子設備，分為主動式和被動式兩類。主動式聲吶的工作原理與雷達類似，會自己發出音響訊號，借由這個訊號接觸物體后反射回來的變化，作為計算物體相對方位與距離的資料。被動式聲吶的作用和傳統的水下聽音裝置“水聽器”極為相近，不發出任何訊號，只通過接收來自周邊的各種音頻訊號來判斷、識別不同的物體。主動式聲吶由英國率先投入使用，當時英國把這種設備稱為“潛艇探測器”。由于電磁波在水中衰減的速率非常高，無法偵測出訊號來源，以聲波探測水面下的人造物體成為運用最廣泛的手段。無論是潛艇還是水面船只，都利用這項技術的衍生系統探測水下的物體，或以其作為導航的依據。

傳統上，潛艇安裝聲吶的主要位置是在最前端，由于現代潛艇非常依賴被動聲吶的探測效果，巨大的收音裝置不僅僅讓潛艇的直徑水漲船高，原在這個位置上的魚雷管也得乖乖讓出位置而退到兩邊。其他安裝在潛艇上的聲吶型態還包括安裝在艇身其他位置的被動聲吶聽音裝置，它利用不同位置收到的同一訊號，經過電腦處理和運算之后，就可以迅速地進行粗淺的定位，對于艇身較大的潛艇來說比較有利，因為測量的基線較長，準確度亦較高。另外一種聲吶稱為拖曳聲吶，因為這種聲吶裝置在使用時，以纜線與潛艇連接，聲吶的本體則遠遠地拖在潛艇的后面進行探測而得名。拖曳聲吶的使用大幅度強化了潛艇對于全方位和不同深度的偵測能力，尤其是潛艇尾端，因潛艇尾端同時也是動力輸出部分，由于水流聲音的干擾，位于前方的聲吶無法聽到這個區域的訊號進而形成一個盲區。使用拖曳聲吶就能消除盲區，找出躲在區域內的目標。

潛艇聲吶的種類與水面艦艇聲吶基本相同，但在聲吶配置、換能器布陣和戰斗使用方式上，有自己的特點。現代潛艇大多按多站系統設計和配置各型聲吶、水聲測量設備。典型的潛艇聲吶系統由警戒聲吶、攻擊聲吶、探雷聲吶、通信聲吶、識別聲吶、被動測距聲吶、環境噪聲記錄分析儀、聲速測量儀、聲線軌跡儀和有關計算機設備等組成，有的系統還包括一部拖曳線列陣聲吶。系統內各聲吶之間可進行數據傳遞，有的幾部聲吶共用一個換能器基陣或某些信號處理部件，或共同配合完成一項任務。

結 語

未來聲吶發展趨勢：研制具有更高定位精度的被動測距聲吶，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續發展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲吶，實現超遠程的被動探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲吶，特別是解決淺海水中目標識別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲吶的工作環境。

責任編輯：葛 妍