蝙蝠声呐原理

由蝙蝠想到的

1916年以前，实现超视距看和超听距听的办法，就是使用声波定位器。这种仪器体积十分庞大，性能非常不稳定，很少能正常工作，即使在正常区作时，其测定的最大距离也仅为13公里。虽然13公里远远超出人的视距和听距，但对于每小时能飞行几百公里的敌机来说，13公里的距离只要4分钟就可飞到。在当时的条件下，4分钟的预警时间难以实现令战斗机起飞进行有效的拦截。虽然，人还在存在缺陷，防空需要更为先进的定位设备。

这时，人们想了动物中一些早已为人类所了解，但并未引起重视的现象，如蝙蝠仲夏之夜，万籁俱寂，而空中却有一只夜蛾惊慌地逃窜，拼命地拍动双翅，螺旋形地兜着圈子，忽然又翻起跟头来了，这是怎么同事？

原来，夜蛾的天敌——蝙蝠紧追而来！它拍动着灰黑色翅膀，步步紧逼，并已张开贪吃的嘴巴……

以上惊心动魄，而又耐人寻味的生物之战，是生物物理学家们常观察到的现象。

蝙蝠很少白天出来活动，而是在晚上能见度极差时出外觅食，它怎么能在夜晚灵活准确地捕到食物呢？特别是当人类发现蝙蝠的视力很差，从某种意义上说算是瞎子时，就更难想像蝙蝠靠什么发现猎物，并准确测出猎物的方向和距离。于是，有人对蝙蝠进行了一次试验，将蝙蝠的嗅觉和能力很弱的视觉去掉，在一间屋子里系几条绳子，并在绳子挂很多铃铛，然后让这只失去视光和嗅觉的蝙蝠在屋子内飞。令人惊讶的是铃铛一个也没响，蝙蝠能够自由地在屋子里飞行而绝碰不到任何一个障碍。

令人惊奇的是，蝙蝠的喉咙可以发出很强的超声波。超声波碰到物体反射回来时，蝙蝠的大耳朵和内耳又是最佳的“天线”和“接收机”。当接收到“回声”后，不仅能判明物体的方位和距离，还能识别物体的大小，甚至区分出是食物，还是敌人，或是不可逾越的障碍。

大家知道潜艇在水下航行有一套“声呐”系统，它是用“声呐”探测敌方军舰的方向和位置，从而发起攻击。蝙蝠的“回声定位”系统，很像潜艇的“声呐”。“声呐”是英文缩写SONAR的音译，原意就是“声音导航和测距”。不过，蝙蝠的“声呐”是活的，比人造的“声呐”要灵敏得多，这是仿生学至今尚在研究的课题。

特别是，蝙蝠的天然“声呐”，在1秒钟内竟能捕捉和分辨250个“回声”（即目标），现代新型高技术的雷达，其捕捉和分辨目标（飞机）的能力，也不过如此而已。

还须说明的是，蝙蝠的天然“声呐”具有极强的抗干扰能力，即使人们设法发出的干扰噪声比蝙蝠发出的超声波强一二百倍，也休想干扰蝙蝠有效地跟踪追击目标。这一点是现代人造“声呐”所望尘莫及的。而且，蝙蝠的天然“声呐”最多也不过几克重，它的小巧玲珑程度，更使上百千克重的“声呐”或更重的“雷达”设计者们瞠目结舌。

正因为蝙蝠具有天然“声呐”，所以它在漆黑之夜，一秒钟能捕食十几只蚊虫。为此，有人称蝙蝠是“活声呐”。也有人称它为“活雷达”。

生物学家对这一奇怪的现象进行了研究，发现蝙蝠在飞行时，断断续续地发出一种人耳听不到的叫声，这种叫声的频率为2.5万—7万赫兹，而人能听到的声音频率为16万～20万赫兹。蝙蝠平均每秒钟叫30次左右，在接近目标时，每秒钟叫60次左右，发出的声波碰到周围的物体反射回来。蝙蝠的听觉非常灵敏，能够准确地接收到反射回来的声波，并判断出反射声波物体的距离、方向和性质。这样，蝙蝠既能准确地扑向猎物，又能避开各种障碍。蝙蝠这种搜索、探测和定位远方目标的本领，给人们以深深的启示。显然，只要找到一种具有速度快、能反射的物质，并制造出能发射和接收这种物质的设备，就可以实现超视距看和超听距听。人们发现光波、声波都具有这种属性，只是由于要达到的探测距离远在千里之遥，声波速度太慢，不仅误差大，而且反应慢。飞机的飞行速度已可超过两倍以上的音速，这就是说声波还未反射回来，飞机已到达了。而光波速度虽然很快，比音速快80多万倍，但光波受气象条件影响大，在遇到云雾时，就会止步不前，这两种波都满足不了需要。

后来，人们发现无线电波是最为理想的物质，这种波既有光波的速度，又能穿云破雾，并能被目标反射回来。无线电波在空气中的速度与光速相同，并不受气候的影响，具有穿云破雾的本领，可以在恶劣气候条件下或夜间工作。只要研制出一种能发射和接收无线电波的设备，就可以实现超视距看、超视距听了。

对于这种靠发射和接收无线电波来完成搜索和探测任务的设备，英文名字叫RADAR，原意的全名为“无线电测向和测距”，译成中文就是雷达。

1864年，英国物理学家麦克斯韦提出了光和无线电波都是电磁波的理论，并得出了无线电波的传播速度与光速相同的结论。

1888年，德国物理学家赫兹采用电极的火花振荡放电得到了无线电波，并证明了麦克斯韦的理论，但赫兹认为，无线电波无法用于通信和其他方面。

1895年，俄国的波波夫发明了可接收无线电波的仪器，并发现舰只对无线电波的反射现象，这就预示着可以利用无线电波来发现人类肉眼看不到的目标。

1904年，德国发明家克里斯蒂安·许尔斯迈尔在实验室进行原始雷达的试验，并取得了雷达设计的专利，但这种原始的雷达探测距离还达不到声波定位器作用的距离。

这样，虽然雷达没能赶在第一次世界大战结束之前取得实际的应用成就，但人类对雷达的需要和科学技术的进步，已使人类离制造出真正意义上的雷达只有一步之遥了。