文章來自：溪流之海洋人生

聲波是人類迄今為止已知可以在海水中遠程傳播的能量形式，聲吶(sonar)一詞是第一次世紀大戰期間產生的，它是由聲音(sound)、導航(navigation)和測距(ranging)3個英文單詞的字頭構成的，是聲音導航測距的縮寫。聲吶是利用水中聲波對水下目標進行探測、定位和通信的電子設備，是水聲學中應用最廣泛、最重要的一種裝置。

聲吶系統一般是由發射機、換能器(水聽器)、接收機、顯示器和控制器等幾個部件組成，發射機用于產生需要的電信號，以便激勵換能器將電信號轉變為聲信號向水中發射，水聲信號若遇到水下目標便會被反射，然后以聲吶回波的形式返回到換能器(水聽器)，換能器(水聽器)接收到后又將其轉變為電信號，電信號經接收機放大和各種處理，再將處理結果反饋至控制器或顯示系統，最后根據這些處理的信息可測出目標的位置并判斷出目標的性質等，從而完成聲吶的使命。

聲納技術按工作方式可分為主動聲吶和被動聲吶兩類。主動聲吶發射脈沖聲波，通過目標回波獲取信息，由聲吶基陣、收發轉換器、接收機、指示器、發射器、定時中心以及控制同步設備等七個部分組成；被動聲吶只收不發，是指聲吶被動接收艦船等水中目標產生的輻射噪聲和水聲設備發射的信號，以測定目標的方位和距離，它由簡單的水聽器演變而來，收聽目標發出的噪聲，判斷出目標的位置和某些特性，其系統的核心部件是用來測聽目標聲波的水聽器，有很強的隱蔽性。

早期潛艇上只有簡單的步距式或探照燈式主動聲吶，發射“砰砰”的單波束脈沖。現代主動聲吶就復雜多了，波束也改成多種頻率和模式，還可以多扇面同時收發。主動聲吶精度高，能準確計算目標方位、距離、速度、航向；一般來說，主動聲吶相對測距精度約1%～5%，被動聲吶只有5%～10%。

潛艇是重要的水下作戰平臺，在各國海軍中扮演著極其重要的角色，其功能包括偵察水下目標、攻擊敵方軍艦、沿海反潛作戰、協同對陸作戰等。潛艇聲吶主要種類有：艇艏多功能聲吶、拖曳線列陣聲吶、舷側陣聲吶、探雷/避碰聲吶、海底導航聲吶等。下面就來介紹一下。

潛艇艏部是安裝聲吶基陣的最佳位置，相對潛艇其它位置，艇艏空間大、噪聲低、視野開闊，因此艇艏陣聲吶又被稱為“主戰聲吶”，是潛艇聲吶系統中最重要的設備之一。艇艏尺寸大、位置好，遠離動力系統和螺旋槳，環境最安靜，非常適合聲吶安裝。包括發射陣、接收陣和信號處理機等。發射陣、接收陣要分開安裝，以免互相干擾。

蘇聯維克托級潛艇的巨大艇艏空間

艇艏聲吶的聲學孔徑大，覆蓋頻率廣，垂直水平方向分辨率都很強。接收陣單獨工作是被動聲吶，與發射陣一起工作就變成主動聲吶。艇艏陣聲吶一般分為圓柱陣聲吶、球陣聲吶和共形陣聲吶。

美國發展聲吶裝備已有近100年的歷史，美國海軍的聲吶裝備代表了世界最先進水平，其譜系最廣、規模最大、技術最先進，而其他國家海軍的聲吶裝備發展相對緩慢、規模較小。20世紀50年代，美國潛艇普遍配備WFA或BQS-3（WFA改進型）主動聲吶，以應對水下潛艇的作戰需求。WFA屬于探照聲吶，可實現水聲測距、水下通信以及探測魚雷等功能。WFA搜索效率低，為提高搜索效率，美國海軍研制出QHB聲吶用于裝備在“鸚 鵡 螺號”核潛艇上。“鸚 鵡 螺號”核潛艇是供美國海軍使用的第一艘核動力潛艇，也是世界上第一艘核潛艇，于1954年下水，該潛艇配備2臺QHB-1聲吶，分別裝于甲板上和艇底部。

二次大戰末期，美國把戰時德國最先進的U-XXⅠ型潛艇及大量相關資料帶回國內進行深入分析研究，并以該艇上配備的GHG基陣為原型設計改良了被動聲吶，研制出了20世紀50年代裝備性能最好的AN/BQR-2聲吶。BQR聲吶基陣采用半徑為1.22m、高約為1m的圓柱形布陣方式，其包括48個垂直陣元，可實現定向掃描以及360°全方向掃描，工作頻帶為150Hz～15KHz。

美國潛艇喜歡球面陣，從1958年的AN/BQS-6就開始，早期是極其復雜的模擬波束成形，后改成數字計算機控制；BQS-6A后來改稱AN/BQS-11，6B改稱AN/BQS-12，1965年升級到AN/BQS-13裝備到洛杉磯級核潛艇上。

海狼級潛艇的球面陣，下為鼓形發射陣

“海狼級”潛艇堪稱為21世紀攻擊核潛艇，能長時間在大西洋靠近蘇聯海域反潛巡邏，有絕佳的聲吶探測能力。“海狼級”潛艇艇艏部配備了球形聲吶基陣，由上、下2個球體組成，上球體為被動接收陣，下球體為主動發射陣，約有2870個陣元。被動接收陣附近布放了3層共形陣，陣元間距約為0.75m，共96陣元。此外，為了提高陣增益，“海狼級”潛艇在艇體左側壓力殼內安裝TB-29細線拖線聲吶基陣，右側則延續“洛杉磯級”潛艇在艇體導管中安裝了TB-16粗線拖線聲吶基陣，兩陣都是經由導管釋放出去。TB-23細線拖線陣聲吶聲學孔徑長度是TB-16的4倍，但流噪聲相對較高。

“弗吉尼亞級”核潛艇成本低、性能高，既能遠洋反潛又能近海作戰，因而被批量生產服役于美國海軍至今。“弗吉尼亞級”核潛艇于2004年正式服役，截至2018年已有16艘下水，其配有AN/BQQ-10(V)4聲吶系統，系統包括BQQ-10艇艏陣聲吶、輕型寬孔徑舷側陣（LWWAA）聲吶、TB-16粗線拖線陣聲吶、TB-29A細線拖線陣聲吶、BQS-2導航測冰聲吶等。BQQ-10聲吶可以主動方式對水下目標定位，經計算機將目標定位信息連續地傳送給火控系統，便于對目標實施精準打擊。此外，它還可用作被動聲吶實現目標的探測、追蹤及水下通信等。

蘇聯潛艇偏愛柱面陣，同等尺寸下性能與球面陣差不多，只是在垂直方向搜索時，柱面陣受形狀影響波束寬度會隨俯仰角加大，導致分辨率降低。相對而言，球面陣可以一直保持寬度不變，垂直分辨率較柱面陣更好。

柱面陣

應該說，柱面陣空間利用率相對好一些，魚雷發射管能從上下方伸出來。球面陣容易遮擋發射管位置，所以有些潛艇不得不將魚雷 管后移，改從肩部斜向發射。蘇聯時期的維克托級（MTK300）、基洛877型（MTK400）、塞拉級、阿庫拉級（MTK540）等都是柱面陣。如今俄羅斯也開始改用球面陣，如亞森級核潛艇上的“阿雅克斯”球面陣直徑超過6米，性能也很強。

如今這兩種基陣正在被更先進的共形陣取代，第7-10艘弗吉尼亞級核潛艇已開始用諾·格公司的輕型寬孔徑共形陣（LWWAA）代替球面陣，俄羅斯拉達級常規潛艇也是如此。

弗吉尼亞級改造方案，上為寬孔徑共形陣

共形陣聲吶較圓柱陣聲吶、球陣聲吶的工程實現簡單、觀察范圍大、聲學孔徑大。安裝在潛艇殼體表面，能增大孔徑尺寸提高性能，也不影響潛艇運動。它和柱面陣一樣也有垂直方向波束變寬的問題，但不影響它成為未來發展方向。

拉達級潛艇上巨大的共形陣

艇艏陣聲吶可覆蓋低頻、中頻、高頻甚至是超高頻，其垂直和水平方向兩維的大孔徑大幅度提升了聲吶性能，尤其是通過垂直孔徑的提高，有效提高了聲吶的作用距離和垂直分辨率。

拖曳線列陣聲吶也稱“拖曳陣聲吶”。它是將水聽器鑲嵌在電纜上形成線列陣，由拖曳電纜拖在艦艇尾后水中探測目標的聲吶。主要用于聽測潛艇輻射噪聲，進行遠程監視、測向和識別，有的也可用于測距，由線列基陣、拖曳電纜、收放裝置和絞盤、電子機柜等組成。由于遠離螺旋槳不受噪音干擾，尺寸又長達數百米，聲學孔徑大增頻率降低，所以探測距離遠達上百千米，可以探測安靜型潛艇。

柔性管內有很多水聽器

如美國主力裝備TB-16粗線陣，總長約800多米，工作頻率在3KHZ以下，最遠探測距離達180千米，此外英國2046、法國DSUV-61/62等也都是世界一流的拖曳線列陣聲吶。但線列陣體是一條長線，缺少垂直孔徑，所以無法分辨左右對稱目標，全都當成同一個目標處理，需要潛艇機動或兩條拖線陣來解決。

美國核潛艇上裝備TB-16和TB-29兩條拖線陣，TB-16是粗線陣，高航速時使用；TB-29是細線陣，探測距離更遠，只能在慢速下使用。

拖纜與聲吶陣列組成

盡管拖線陣設計成較小負浮力，但在靜止時就會自然下沉，故只能適合在長時間連續行駛的核潛艇上使用；而常規潛艇常常坐底停車，因此拖線陣不太適合常規潛艇，但為了增強性能很多國家也在常規潛艇上裝備。

TB-16拖曳聲吶安裝在艇身側上部

潛艇在水下可不是一馬平川，狹窄航道中有礁石、沉船、水雷等各種障礙物，浮冰下更是處處危險，所以要用探雷/避碰聲吶探測。不久前美國“康涅狄格”號核潛艇在中國南海海域出事，導致該艇撞上海底受損，引起了許多猜測。南海海底地形情況本身復雜，而且南海嘈雜的水聲干擾也可能有影響，此時探雷/避碰聲吶應該就可以發揮作用。“康涅狄格”號核潛艇到底為什么出事，美軍不可能公布事故詳情，這里就不做分析了。

海狼圍殼上的避碰聲吶

探雷/避碰聲吶是主動聲吶，工作頻率在幾十到幾百千赫之間，因此精度很高。也因為頻率高功率小，水中穿透距離只有幾百米，所以并不擔心被敵方發現，缺點是在潛艇高速航行時往往會來不及判斷遠方目標。

舷側陣聲吶屬于被動聲吶，位于艇身兩側。基陣通常沿艇體縱向排列，工作頻率低、空間增益大，探測角度大于120°，有較大的工作范圍。一般潛艇兩側相對平整，為安裝大型聲吶陣列提供了良好空間，有些舷側陣長達60米。

現代潛艇裝備的舷側陣聲吶主要有兩種類型：一種是呈條帶形，位于艇左右兩側；一種是三元式平面基陣，位于艇左右兩側。由于舷側陣聲吶位于艇體兩側，相對于艇艏陣聲吶，其探測距離更遠，監測范圍更大，可用于探雷、規避以及高、低速航行遠程警戒。

弗吉尼亞級的三元平面基陣

海狼級、弗吉尼亞級潛艇就是三元平面基陣，利用三個間斷子陣接收信號的時間差測算距離，德國212型潛艇是連續線陣，法國鈾魚級是舷側陣等。舷側陣聲吶水聽器可以做得更大，以加大聲學孔徑提高空間增益，工作頻段也可以降低到500～2000HZ，甚至更低，所以探測距離可以遠達40～50公里。

法國鲉魚級潛艇上連續面陣

法國DUUX-5型聲吶采用三元式布陣方式（艇左右兩側分布被動三元式平面基陣）。法國泰利斯公司開發出TSM-2233聲吶綜合系統，采用模塊化結構，將舷側陣的適配性提高，可滿足各種需求；TSM-2233聲吶系統可對窄帶、寬帶信號以及瞬時噪聲進行被動自適應信號處理，抗干擾能力強。該聲吶系統的舷側陣裝備在法國“不屈級”、“凱旋級”、“紅寶石級”攻擊型核潛艇上，以及阿根廷的“圣克魯斯級”潛艇、印度的“希沙瑪級”潛艇、巴基斯坦的“阿戈斯塔90B級”潛艇上。另外該公司還研制了TSM-2233舷側陣聲吶，兩條平面陣分布于潛艇兩側，可實現低頻被動聲吶，目前裝配在挪威的“烏拉級”潛艇、澳大利亞的“科林斯級”潛艇以及智利的“天蝎座級”潛艇上。

俄羅斯阿庫拉級潛艇上的鯊魚腮共形陣

俄羅斯潛艇比較特殊，舷側陣多是大型共形陣，如阿庫拉級潛艇上的鯊魚腮共形陣就是如此。被動聲吶既能測向也能測距，但測距距離短。實際應用中還是會經常用到傳統的目標運動分析法（TMA）。通過記錄一段時間內本艇與目標的運動方向，利用三角函數計算出目標距離。

目標運動分析TMA

德國阿特拉斯公司的FAS-3兩條舷側陣聲吶裝備在德國和意大利的212A型潛艇、韓國的214型潛艇以及20多個國家購置的209型潛艇上，工作頻帶為10Hz～2.5Hz，可實現對水下目標的遠程被動探測能力。

德國212潛艇上的連續線陣

水下航行具體實施起來比較復雜，識別方位和判定方向要依靠各種設備，不單純使用一種方式，而是復合導航，除了被動的羅盤定位，還有慣性導航和主動的回聲定位系統。有些潛艇底部安裝海底導航聲吶，擁有回聲定位系統，潛艇可以直接在水下回避障礙物，并且可以對照海圖進行導航，也叫水下地形匹配技術。

地形匹配導航的原理是利用測深儀、導航聲吶等水下地形探測設備，提取水下航行器下方地形特征值，把該特征值與事先存儲在計算機里已知的高分辨率的地形圖進行匹配，從而確定位置信息。與慣性導航系統一樣，具有自主性強、隱蔽性好的優點，基于已知水下地形信息，可以獲得不亞于GPS的導航精度。美國音響測量船平時總到我國南海晃悠，就是為了測量詳細海底地形，以備戰時之需。

音響測量船

長期以來，美方打著“航行和飛越自由”的旗號，頻繁派遣航母、戰略轟炸機、核潛艇等先進武器平臺在南海炫耀武力、興風作浪，嚴重威脅地區國家安全，加劇地區緊張局勢，這也正是我軍要加強對反潛聲吶研究的理由之所在。

反潛一直是各國海軍作戰的重點，到目前為止，聲吶仍是實現水下遠程探測的唯一有效手段，是各國海軍掌握水下監視和控制的首要手段。近年來隨著隱身降噪技術、水聲對抗技術的提升，傳統聲吶已經不能滿足探潛需要，需要不斷提高聲吶性能，擴大陣列規模，發展新型水聽器，已經成為各國海軍的當務之急。