泰坦尼克号海难的启示

泰坦尼克号海难的启示

你看过《泰坦尼克号》这部风靡全球的描写海难的电影吗？看过很多海洋战争片中令人眩目的潜艇大战吗？你可能会疑惑，“泰坦尼克号”这样一艘号称不沉之船的豪华客轮为什么在撞上巨大的冰山之前没能及早发觉？而在海底战争中，漆黑一片，交战双方潜艇怎么能准确地识别锁定敌方目标？原因在于，“泰坦尼克号”识别前方物体凭借的是航海员的肉眼，在观察上受天气和海员自身判断力的影响，而军事战争中的潜艇里安装了声纳装置系统，利用声纳技术来辨别水下的物体，准确性高。我们假想，要是声纳技术早已发明并利用，泰坦尼克号也许就不会撞冰山而沉没了。

有所失必有所得，人类是聪明和善于吸取教训的。“冰海沉船”是人类历史上一次灾难性的航海事故，正是这次海难促使了人们对海底物体进行探测研究，所以，这次灾难在海洋研究领域中具有里程碑意义。英国气象学家理查逊首先提出可以利用回声来探测水底物体，美国无线电先驱费森顿教授在1913年率先通过试验，成功地研究出回声探测技术。利用回声探测技术可以有效地探测出海底暗礁、冰山及水下体积较大的物体，这极大地提高了海洋航行和运输的安全性。在第二次世界大战期间，交战双方共损失了1000多艘潜艇，其中大部分潜艇就是利用声纳技术探测发现的。

声纳技术如此神通广大，它的工作原理是什么呢？我们知道，水是声音的良好传播介质，声波在水中传播的衰减很小，在深海中爆炸一枚几千克的炸弹，两万千米外还可以收到信号。声纳技术利用声波在水中能有效传输这种特性，通过一种特殊的压电材料发射声波，并感应从探测物表面反射回来的声波信号，来对水下目标进行分析定位。压电材料是声纳装置的心脏，压电材料具有压电效应特性，能够实现机械能与电能间的相互转换。压电效应有正、逆之分，正压电效应指的是压电材料在外力（如声波）的作用下可产生电极化现象，逆压电效应是正压电效应的相反过程，表示材料在外加交变电场的作用下能发生伸缩等形变。声纳装置主要就是借用压电材料的正、逆压电效应来实现探测的。声纳装置通过交变电场，利用逆压电效应使压电材料形变振动发射声波，反射回波再经过正压电效应产生电信号进行计算识别，来探测冰山、暗礁、沉船、海深、鱼群、水雷和潜艇等。

人们一般用压电常数、机电耦合系数等来表征压电材料的性能。压电常数的单位是库仑／牛顿（C／N），反映了外力和电场间的关系，而机电耦合系数表示的是压电材料机械能和电能之间的耦合关系，例如某种压电材料的机电耦合系数为90%，说明该材料90%的机械能可转换为电能，而剩余10%的能量耗散损失了。声纳装置一般要求压电材料具有优异的压电常数和机电耦合系数，科学家们一直试图在自然界和实验室寻找或合成电学性能优良的压电材料。天然压电石英晶体早在1916年被用于制作水下发射／接收换能器来探测沉船和海底。第二次世界大战期间，天然压电石英晶体是战略物质，资源稀缺，科学家在实验室通过高温、高压、水热温差等条件成功地合成出了人造石英晶体。然而石英晶体的压电效应很微弱，需要发展性能更加优异的压电材料。过去一段时间应用比较广泛的是锆钛酸铅压电陶瓷材料，但该材料也有其缺点，这种材料制造的声纳器件频率高，同时发射功率小，体积人，笨重。低频大功率是声纳装置今后的发展方向，低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探测更远距离的目标，同时体积小，重量轻，可提高舰艇的作战能力。近年来，由美国海军倡导研制的铌镁酸铅（PMN）电致伸缩陶瓷，是一种优良的可潜在地用于低频大功率声纳装置的材料。

和许多科学技术的发展一样，社会的需要和科技的进步促进了声纳技术的发展。声纳技术把材料科学和信息科学及其他学科紧紧地联系在一起，在军事和民用中扮演着重要角色。