超声波的发现与妙用——雷达和声呐技术

(1)雷达。

雷达是一种神奇的电子设备。它通过电磁波的往返时间来测量挡波物体的距离。雷达的工作原理类似于蝙蝠使用超声波回波定位，除了雷达使用电磁波而不是超声波。雷达的原理是:雷达设备的发射机通过天线向空间的某个方向发射电磁波能量，这个方向的物体反射遇到的电磁波；雷达天线接收反射波并将其发送到接收设备进行处理，提取一些关于物体的信息(目标物体距离、距离变化率或径向速度、方位、高度等)。)。

1842年，克里斯蒂安·多普勒第一个提出了具有多普勒效应的多普勒雷达。后来，经过近80年的科学发展，电磁波理论得到了发展，超声波定位的研究得到了深化，为雷达的出现奠定了基础。1917年，罗伯特·沃森-瓦特成功地设计了一种雷暴定位装置，宣告了雷达的诞生。1936年，罗伯特·沃森组织的一个特别小组应英国*的要求，在索福克海岸建立了英国第一个雷达站。后来，许多雷达站被添加到沿海地区，形成一个雷达网，在第二次世界大战中发挥了重要作用。1935年，法国古顿开发了一种磁控管，可以产生波长为16厘米的电磁波。在雾天或夜晚可以找到其他船只。这是雷达民用的开始。1937年，第一艘美国军舰雷达XAF号成功测试。1941年，苏联第一个为其飞机配备了预警雷达。1943年，麻省理工学院开发了机载雷达飞机位置指示器和预警雷达。1944年，马可尼公司成功设计、开发并生产了用于拦截德国无线电通信的“巴格富”系统和用于装备英国皇家空军轰炸机的“地毯”雷达干扰系统。1945年，由于雷达装备了特别设计的真空管磁控管，盟军得以击败德国。1947年，贝尔电话实验室开发了LFM脉冲雷达。20世纪50年代中期，美国装备了一套超范围预警雷达系统，可以探测超音速飞机。不久，一种脉冲多普勒雷达被开发出来。1959年，美国通用电气公司开发了弹道导弹预警雷达系统，该系统可以跟踪3000英里(约4828公里)外600英里(约966公里)高的导弹，预警时间为20分钟。1964年，美国安装了第一台太空轨道监视雷达来监视人造地球卫星或宇宙飞船。1971年，加拿大的伊祖卡等人发明了全息矩阵雷达。与此同时，数字雷达技术出现在美国。1993年，美国曼彻斯特市的德雷尔·麦克吉尔发明了托塔克超智能雷达。

现代雷达

雷达的发明不能归功于科学家。二战期间，麻省理工学院的500名科学家和工程师参与了对美国雷达的研究。目前，雷达被广泛使用。它不仅是一种必不可少的军用电子设备，而且在社会经济发展(如天气预报、资源环境监测)和科学研究(如天体研究)中发挥着重要作用，是人类的好帮手。

(2)声纳技术。

声纳(超声波测距仪，也称为声纳)是另一项利用超声波原理的伟大发明。蝙蝠发出的超声波在遇到障碍物时会被反射回来。他们会迅速判断前方是什么物体，有多远，是食物、树干还是敌人，然后决定攻击还是躲避。声纳的工作方式类似。其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来完成水下探测和通信任务。雷达主要在空中发挥其优势，而声纳是水声中应用最广泛的设备。它是一种用于探测、定位和通信水下目标的电子设备。

声纳技术已经有100多年的历史了。它是由英国海军的刘易斯·尼克松于1906年发明的。到第一次世界大战时，它已经被应用到战场上来探测潜伏在水底的潜艇。这些声纳只能发声，属于被动声纳，或称“水听器”。1915年，法国物理学家保罗·朗之万和俄罗斯电气工程师康斯坦丁·奇洛夫斯基共同发明了第一个用于探测潜艇的主动声纳装置。尽管压电换能器后来取代了它们最初使用的静电换能器，但它们的工作结果仍然影响着未来的声纳设计。1916年，加拿大物理学家罗伯特·波义耳承包了一个属于英国发明和研究所的声纳项目。罗伯特·波义耳在1917年制造了一种用于测试的新型主动声纳。由于该项目很快归ASDI管辖，这种主动声纳也被英国人称为ASDI。1918年，英国和美国都生产了成品。1920年，英国在皇家海军的安特里姆号上测试了他们的声纳设备，仍然被称为ASDIC。它于1922年投入生产，第六驱逐舰分队于1923年装备了ASDIC拥有的船只。1924年，在波特兰建立了反潜学校“奥斯派”，并建立了一支由四艘装备有潜艇探测器的船只组成的训练舰队。1931年，美国开发了一种类似的设备，叫做声纳。

声纳是水下观测的重要技术，在水下定位中起着非常重要的作用。

声纳用于水下定位

目前，雷达和声纳越来越智能化，但它们的基本工作原理没有改变。它们都是蝙蝠超声波回声定位的仿生。雷达和声纳的发明意义重大。它不仅在科学研究中起着非常重要的作用，而且为人类的社会生活提供了极大的便利。

摘自清华出版社授权的《科学技术史与方法论》

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