海疆“顺风耳”的心脏 —压电陶瓷

自从世界上有了飞机，人们就研制出了对付它的雷达。雷达是现代国防的眼睛，利用它可以及时地发现敌人的飞机和导弹，提高炮击的命中率。
　　
　　潜艇的发明，给科学家出了一道难题。它藏在海水深处神出鬼没，如何才能发现它呢？再好的望远镜也无法发现水下目标，雷达对它也无能为力。因为雷达发射的电磁波很快就会被海水吸收，无法用它来探测水下的潜艇。在这种情况下，科学家发明了“声纳”。声纳这个词是英语缩写的音译，其原意是“声导航和定位”。声纳是海洋中的“千里眼”和“顺风耳”。有了它不仅可探测远处的轮船、潜艇，而且还可用来探测海洋中的鱼群、沉船、冰山及水下资源。
　　
　　早在1490年，大家比较熟悉的意大利著名艺术家和工程师达·芬奇就曾说过：“如果使船停航，将一根长管的封口端插入水中，而将开口放在耳旁，便能听到远处的航船。”这表明人们在几百年前就已发现，水对声波的吸收能力是较小的，可利用声波来探测水下的物体。可以说，达·芬奇所说的听测管即是现代被动声纳的雏型。只不过这种听测管过于原始而已，它既不能探测到水下目标的方位，灵敏度也很低。
　　
　　需要是创造发明之母。大概历史上有两件重大事件促使科学家、发明家对声纳的研制和改进加快了进程。一个使世界震惊的事件是1912年4月19日，英国刚刚研制成功的一艘14000吨级的新邮轮“巨人号”，在加拿大纽芬兰岛南部海域被一座浮动冰山撞沉。结果1500余人遇难。著名故事片“冰海沉船”和“泰坦尼克号”描写的就是这次海难事件。另一个事件是在第一次世界大战期间，德国人利用新发明的U型潜艇，击沉了大量协约国的军舰和商船。
　　
　　声纳分主动声纳和被动声纳。主动声纳包括声波发射和接收装置。被动声纳只有声波接受装置。一台现代化的声纳还包括复杂的电子装置和计算机系统。声纳的“心脏”就是一片片薄薄的压电晶体或压电陶瓷换能器。由于压电陶瓷易于加工成型，电声转换效率高，所以现代声纳换能器多采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷有钛酸钡，锆钛酸铅等。
　　
　　压电陶瓷换能器的原理是：当对这种陶瓷片施加压力或拉力，它的两端会产生极性相反的电荷，通过回路而形成电流。这种效应称为压电效应。如果把用这种压电陶瓷做成的换能器放在水中，那么在声波的作用下，在其两端便会感应出电荷来，这就是声波接收器。而且，压电效应是可逆的，假如在压电陶瓷片上施加一个交变电场，陶瓷片就会时而变薄时而变厚，同时产生振动，发射声波。这样超声波发射器的问题也就解决了。
　　
　　声纳的用途十分广泛。在军舰、潜艇、反潜飞机上安装声纳之后，可以准确确定敌方舰艇、鱼雷和水雷的方位。同时，它还能区别前方的目标是鲸鱼还是潜艇，是敌方潜艇还是我方潜艇呢。在民用方面，可以使轮船在黑夜和雾天航行时及时发现前方的船只或暗礁；可以告诉渔民哪儿有鱼群；还可以用来研究海洋地质，搜寻海下沉船，进行水下通信联系等等。