注意看，这个男人叫小纳，他正在向小标扔刀子：

别以为这是某个凶案现场。小纳和小标可是在为物理所的科普事业献身！他们为大家表演的是一种设备的工作原理——声纳。

声纳（或称声呐）是Sonar的音译，其英文全称为Sound Navigation and Ranging（声导航与测距），通过发送和接收声波来探测物体。因为声波在水下的衰减远远比电磁波要小，所以声纳是目前水下最主要的探测设备，没有之一。

声纳通过声波探测水下物体

（图片来源：Leverage Edu）

如何设计一个声纳？今天让我们抛开抽象的数学公式和物理理论，跟随小纳和小标，轻松地看看一名声纳设计师都需要考虑哪些底层因素。

因素1 声源级

声纳向远方发出声信号，被目标反射后再回到声纳，从而获取目标的信息。发射声信号的功率越大，传播距离越远，声纳接收信号的功率也越大。这类似于日常生活一个人提高嗓门，才能让更远处的人听到。

我们亲爱的“小纳”（声纳的小名）和“小标”（目标的小名）就要在此登场了：声纳发射声信号，可以理解为小纳向小标扔“刀子”。

在声信号处理中，不使用功率来衡量发射声信号的“大小”，而是将功率转换为声源级（Source Level, SL），类似于扔刀子的频率，声源级SL越大，意味着小纳向小标扔刀子的频率越高。

声源级的计算方法需要用到数学中的对数：

SL=10lg(I/I0)

考虑到数学公式固有的恼人特性，我们这里不用深究，只需记住下面的3个结论：

1）声源级的单位是分贝（dB）。没错，你在任何地方听到的“分贝”，计算方法都类似于上式。人耳并不是通过功率，而是通过声压来感受声音大小，而声压的单位也是分贝。

2）声功率每提升10倍，等于音量增加10分贝。比如说，你把自家电视音量调大10分贝，耗电量就变成了原来的10倍。人正常交谈的音量在50分贝左右，超过100分贝的声音可能会造成人耳的疼痛。其中100分贝的功率不是50分贝的2倍，而是10的5次方倍，也就是十万倍！

人耳以分贝感受声音大小

3）使用分贝还有一个好处，那就是将难处理的乘法变成了简单的加法。如果还没有把所有的高中数学知识还给数学老师，那么你应该会记得对数的重要性质：lg(AB)=lg(A)+lg(B)。

因素2 指向性指数

声纳的功率总是有限的，如果想要把信号发送给目标，与其向四周任意地发射声信号，不如只向目标的方向发射。这类似于小纳的体力总是有限的，与其向四周360度扔刀子，不如只向小标的方向扔刀子。

对指向性的比喻

指向性能够将声信号的功率集中于一个方向，在该方向声功率增大了若干倍。将这一倍数转换为以分贝为单位，就得到了指向性指数（Directivity Index, DI）。上面提到分贝能把倍数变加法，规定声信号的传播方向后，该方向的声信号强度不再是声源级SL，而是变为：

声源级SL+指向性指数DI

当然，实际上声纳发出的信号很难实现一个方向的指向性，更多是利用信号处理方法形成如下的指向性图，其中某个方向的声功率被最大限度地提升，其它方向的声功率被尽可能地抑制。

声纳的指向性图

因素3 传播损失

声信号在水下传播时，会因自身的扩散、水分子的吸收等因素减弱。这就类似于刀子飞得越远会越稀疏，有的飞到一半掉下来，还被路人给捡走了。

对传播损失的比喻

不同于指向性指数DI对声信号的增强作用，上述因素会削弱声信号的功率，削弱的功率同样转换为以分贝为单位，就得到传播损失（Transmission Loss, TL）。声信号的强度变为：

声源级SL+指向性指数DI-传播损失TL

因素4 目标强度

好，声信号终于到达目标了，类似刀子终于到小标身上了。由于目标的尺度、形状、材料等因素的不同，反射声信号的强弱也不同。例如吸音材料就能吸收大量的声信号，使反射声信号很弱，甚至让目标“隐身”。

不同于影视作品中视觉的“透明”，现实中的“隐身”常是指吸收敌方的探测信号，减弱己方的反射信号，使敌方的探测工具（声纳、雷达等）“看不到”自己。

这就类似于小标穿了身镶满吸铁石的衣服，如果所有的刀子都被吸铁石吸住了，小纳没看到弹回来的刀子，就会认为前方没有人。

对“隐身”的比喻

用目标强度（Target Strength, TS）表示目标反射声信号的程度，声信号的强度变为：

声源级SL+指向性指数DI-传播损失TL+目标强度TS

因素5 噪声级

反射的声信号原路返回声纳，声纳对接收的声信号进行滤波等处理，可得到目标的距离、方向、属性等信息。这类似于刀子原路返回至小纳手里，小纳通过分析刀子的豁口等特性来判断小标的位置。

无论是声信号由声纳传至目标，还是目标将声信号反射回声纳，声信号都会受到传播路径的噪声污染。这类似于路人不光捡走小纳扔的真刀子，为防止被小纳发现，他还掺杂了很多假刀子。

对噪声的比喻

将噪声的功率转换为分贝dB，则得到噪声级（Noise Level, NL）。噪声对声信号起到干扰/减弱的作用，因此声信号的强度变为：

声源级SL+指向性指数DI-传播损失TL+目标强度TS-噪声级NL

因素6 混响

在多种噪声中，有一种特殊的噪声叫做混响。声信号被目标反射时，也会被海洋中漂浮的鱼虾等生物以及海底等界面反射。这些反射的源头与目标的距离相同，且往往有着更大的目标强度（反射更多的声信号）。对于声纳而言，目标的真实回波会被“淹没”在这些混响中。

这类似于小纳扔刀子，但被天花板和地面弹回来。天花板和地面不会像小标一样穿吸铁石，因此会反射更多的刀子。在小纳的视角里，刀子从多个方向回来，甚至墙和地面弹回更多的刀子！

对混响的比喻

目前有多种方法抑制混响，最可靠的方法是根据速度信息分辨目标回波与混响。根据物理学中的多普勒效应，移动的目标会使声信号变形，但混响常常是静止的。提取多个声信号的多普勒速度信息，就可以识别、抑制混响。

根据多普勒速度识别混响

但是，若目标是静止的，那就糟了：无法根据多普勒速度识别混响，混响的强度还比目标回波大。因此，水下目标探测中存在一个“违反直觉”的现象：快速运动的目标容易探测，而慢速甚至静止的目标反而难以探测。

正因为相同的原理，现在很多旅游景点、机场等场所都会张贴《“低慢小”航空器飞行管控》，严格管控低慢小无人机。“低”指低空，“慢”指慢速，“小”指体积小。低速使得这类航空器难以检测和拦截，进而带来巨大的安全隐患。

越是“低慢小”，越难发现（图片来源：新华社）

历经千辛万苦，声纳终于接收到声信号了，其强度为

声源级SL+指向性指数DI-传播损失TL+目标强度TS-噪声级NL

当这个值大于一个门限后，我们认为接收的声信号包含目标回波，否则认为接收的声信号全是干扰/噪声。提升声纳探测性能的所有手段，都是提升声源级SL、指向性指数DI、目标强度TS，或降低传播损失TL、噪声级NL。

除了主动声纳，还有被动声纳

上面的声纳是主动声纳，即主动地发射声信号，可根据声信号的传播时间计算目标距离。还有一种被动声纳，被动地捕获目标的辐射噪声。这类似于小纳不再扔刀子，而是偷听小标讲话。

对被动声纳的比喻

被动声纳最大的好处是隐蔽性强，这类似于扔刀子总会被人发现，但偷听不一定。被动声纳还可以不受混响的干扰，但缺点在于无法主动调节信号强度，且无法测量目标距离。毕竟，小纳只是在偷听，也没有心灵控制的超能力，没办法操纵小标说话声音的大小。

潜水艇的被动声纳和主动声纳的对比

（图片来源：SINAY 作者汉化）

从主动声纳的性能改进到被动声纳的发明，声纳技术的进步提高了人类的探测能力，有力拓展了未知世界的边界。通俗来讲，小纳扔刀子扔得更准了，测量小标的距离越来越精确了，还学会了隐蔽的偷听。至于小标，他一定更喜欢被动声纳，那样他就再也不用在肉体上为科普献身了！

（本文图片除声明来源者之外，均由作者绘制，图片有修改）

作者：望墨溢

作者单位 ：西北工业大学航海学院

来源：科学大院

编辑：尼洛

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