发展沿革
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由于电磁波在水中衰减的速率非常的高，无法做为侦测的讯号来源，因此以声波探测水面下的人造物体成为运用最广泛的手段。无论是潜艇或者是水面船只，都利用这项技术的衍生系统，探测水底下的物体，或者是以其作为导航的依据。作远距离传输的能量形式。于是探测水下目标的技术——声呐技术便应运而生。
声呐是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信和导航，保障舰艇和反潜飞机的战术机动和水中武器的使用。此外，声呐技术还广泛用于鱼雷制导、水雷引信，以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等。
历史沿革
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声呐技术已有超过100年的历史，它是1906年由英国海军的刘易斯·尼克森所发明。他发明的第一部声呐仪是一种被动式的聆听装置，主要用来侦测冰山。到第一次世界大战时开始被应用到战场上，用来侦测潜藏在水底的潜水艇，这些声呐只能被动听音，属于被动声呐，或者叫做“水听器”。
1915年，法国物理学家Paul Langevin与俄国电气工程师Constantin Chilowski合作发明了第一部用于侦测潜艇的主动式声呐设备。尽管后来压电式变换器取代了他们一开始使用的静电变换器，但他们的工作成果仍然影响了未来的声呐设计。
1916年，加拿大物理学家Robert Boyle承揽下一个属于英国发明研究协会的声呐项目，Robert Boyle在1917年年中制作出了一个用于测试的原始型号主动声呐，由于该项目很快就划归ASDIC，（反潜/盟军潜艇侦测调查委员会）管辖，此种主动声呐亦被称英国人称为“ASDIC”，为区别于SONAR的音译“声呐”，将ASDIC翻译为“潜艇探测器”。
1918年，英国和美国都生产出了成品。1920年英国在皇家海军HMS Antrim号上测试了他们仍称为“ASDIC”的声呐设备，1922年开始投产，1923年第六驱逐舰支队装备了拥有ASDIC的舰艇。
1924年在波特兰成立了一所反潜学校——皇家海军Ospery号（HMS Osprey），并且设立了一支有四艘装备了潜艇探测器的舰艇的训练舰队。
1931年，美国研究出了类似的装置，称为SONAR（声呐），后来英国人也接受了此叫法。
一个国际研究团队从大自然获得灵感开发出一种新型仿生声呐系统，可以显著提高机器人和无人驾驶汽车的自主导航能力，具有广泛应用潜力。
2020年，声呐传感器以其价格低廉、节能、测距准确等优点，在机器人、无人驾驶汽车等领域得到了广泛应用。声呐传感器会发出声波信号，信号遇到物体后会反射回来，依据反射时间及波型可计算出物体的距离及位置。但声呐传感器也存在一定局限性，受杂波的影响测量可能会产生误差。 [7]
工作原理
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在水中进行观察和测量，具有得天独厚条件的只有声波。这是由于其他探测手段的作用距离都很短，光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈的海水中，人们也只能看到十几米到几十米内的物体；电磁波在水中也衰减太快，而且波长越短，损失越大，即使用大功率的低频电磁波，也只能传播几十米。然而，声波在水中传播的衰减就小得多，在深海声道中爆炸一个几公斤的炸弹，在两万公里外还可以收到信号，低频的声波还可以穿透海底几千米的地层，并且得到地层中的信息。在水中进行测量和观察，迄今还未发现比声波更有效的手段。
结构分类
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结构
声呐装置一般由基阵、电子机柜和辅助设备三部分组成。基阵由水声换能器以一定几何图形排列组合而成，其外形通常为球形、柱形、平板形或线列行，有接收基阵、发射机阵或收发合一基阵之分。电子机柜一般有发射、接收、显示和控制等分系统。辅助设备包括电源设备、连接电缆、水下接线箱和增音机、与声呐基阵的传动控制相配套的升降、回转、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等装置，以及声呐导流罩等。
换能器是声呐中的重要器件，它是声能与其它形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换的装置。它有两个用途：一是在水下发射声波，称为“发射换能器”，相当于空气中的扬声器；二是在水下接收声波，称为“接收换能器”，相当于空气中的传声器（俗称“听筒”）。换能器在实际使用时往往同时用于发射和接收声波，专门用于接收的换能器又称为“水听器”。换能器的工作原理是利用某些材料在电场或磁场的作用下发生伸缩的压电效应或磁致伸缩效应。
安装
传统上潜艇安装声呐的主要位置是在最前端的位置，由于现代潜艇非常依赖被动声呐的探测效果，巨大的收音装置不仅仅让潜艇的直径水涨船高，原先在这个位置上的鱼雷管也得乖乖让出位置而退到两旁去。
其他安装在潜艇上的声呐型态还包括安装在艇身其他位置的被动声呐听音装置，利用不同位置收到的同一讯号，经过电脑处理和运算之后，就可以迅速的进行粗浅的定位，对于艇身较大的潜艇来说比较有利，因为测量的基线较长，准确度较高。另外一种声呐称为“拖曳声呐”，因为这种声呐装置在使用时，以缆线与潜艇连接，声呐的本体则远远的拖在潜艇的后面进行探测，拖曳声呐的使用大幅强化潜艇对于全方位与不同深度的侦测能力，尤其是潜艇的尾端。这是因为潜艇的尾端同时也是动力输出的部分，由于水流的声音的干扰，位于前方的声呐无法听到这个区域的讯号而形成一个盲区。使用拖曳声呐之后就能够消除这个盲区，找出躲在这个区域的目标。
分类
声呐的分类可按其工作方式，按装备对象，按战术用途、按基阵携带方式和技术特点等分类方法分成为各种不同的声呐。例如按工作方式可分为主动声呐和被动声呐；按装备对象可分为水面舰艇声呐、潜艇声呐、航空声呐、便携式声呐和海岸声呐等。
主动声呐：主动声呐技术是指声呐主动发射声波“照射”目标，而后接收水中目标反射的回波时间，以及回波参数以测定目标的参数。有目的地主动从系统中发射声波的声呐称为主动声呐。可用来探测水下目标，并测定其距离、方位、航速、航向等运动要素。主动声呐发射某种形式的声信号．利用信号在水下传播途中障碍物或目标反射的回波来进行探测。由于目标信息保存在回波之中，所以可根据接收到的回波信号来判断目标的存在，并测量或估计目标的距离、方位、速度等参量。具体地说，可通过回波信号与发射信号问的时延推知目标的距离，由回波波前法线方向可推知目标的方向，而由回波信号与发射信号之间的频移可推知目标的径向速度。此外由回波的幅度、相位及变化规律，可以识别出目标的外形、大小、性质和运动状态。 主动声呐主要由换能器基阵（常为收发兼用）、发射机（包括 波形发生器、发射波束形成器）、定时中心、接收机、显示器、控制器等几个部分组成。
被动声呐：被动声呐技术是指声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位和距离。它由简单的水听器演变而来，它收听目标发出的噪声，判断出目标的位置和某些特性，特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇。
利用接收换能器基阵接收目标自身发出的噪声或信号来探测目标的声呐称为被动声呐。由于被动声呐本身不发射信号，所以目标将不会觉察声呐的存在及其意图。目标发出的声音及其特征，在声呐设计时并不为设计者所控制，对其了解也往往不全面。声呐设计者只能对某预定目标的声音进行设计，如目标为潜艇，那么目标自身发出的噪声包括螺旋桨转动噪声、艇体与水流摩擦产生的动水噪声，以及各种发动机的机械振动引起的辐射噪声等。因此被动声呐（噪音站）与主动声呐最根本的区别在于它在本舰噪声背景下接收远场目标发出的噪声。此时，目标噪声作为信号，且经远距传播后变得十分微弱。由此可知，被动声呐往往工作于低信噪比情况下，因而需要采用比主动声呐更多的信号处理措施。被动声呐没有发射机部分。回音站、测深仪、通信仪、探雷器等等均可归入主动声呐类，而噪音站、侦察仪等则归人被动声呐类。
发展趋势
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冷战结束之后的海战场已进入了信息战时代。声呐的发展也迈向了知识和信息时代，主要表现在以下方面：
继续向低频、大功率、大基阵方向发展。
鉴于声波在海水中的传播特性以及低频大功率与基阵的关系，开发大孔径低频声呐技术是解决远程探潜、进行有效反潜的前提。
向系统性、综合性发展。
舰艇声呐系统将由单项功能的单部声呐逐步发展为由多部声呐组成的收一发分置、多基地、多传感器的综合声呐系统，并进而构成潜艇战和反潜战声知识基作战系统。如美国水面舰艇装备的AN/SQQ一89反潜综合作战系统，它是由舰壳主动声呐、战术拖曳线阵列声呐、舰载直升机搜潜系统和声呐信号处理机、反潜火控系统和声呐状态方式评估系统等组成。该系统于1991年开始装备“阿利伯克”级驱逐舰。 [5]
向系列化、模块化、标准化、高可靠性和可维修性发展。
现代声呐设备，无论是换能器基阵、还是信号处理机柜及显控台，都趋向采用标准化的模块式结构。这种结构具有扩展性好、互换性强、便于维修、可靠性强、研制周期短、研制经费少的优点。 [5]
计算机的应用使声呐向智能化方向发展。
用计算机进行声呐波束形成、信号处理、目标跟踪与识别、系统控制、性能监测、故障检测等。可大大提高声呐的性能。随着第五代计算机（即人工智能计算机）的问世，声呐也正在向智能化方向发展。神经网络的研究已取得令人瞩目的进展，它与计算机技术和信号处理技术相结合，使声呐智能化成为可能。
由均匀传播介质、各向同性噪声场和单个平面波信号条件下的声呐设计发展为开发和利用非平面波、非高斯、非平稳信号和噪声实际特性的环境处理的声呐设计，以获取和占有更多的信息和知识，大幅度提高声呐检测距离、定位精度、识别正确率和目标运动分析/跟踪能力。 [5]
支撑技术
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被动测距
被动测距声呐是从70年代初开始研制的。从理论上讲，只要声呐基阵的孔径足够大，用三点阵测距是没有问题的。关键是把三个基阵的声中心的相对延时精确测量出来。可以证明，被动测距的相对误差等于测延时的相对误差。
合成孔径技术
合成孔径声呐的研制近十年来受到很大的重视。已经报道有相当高性能的样机问世。合成孔径作为一种技术在雷达上成功应用已近40几年了，但在声呐上迟迟得不到实质性的进展，主要是由于声传播的海洋介质比无线电传播的大气介质复杂很多，另外声呐平台运动速度与声传播速度之比是1: 106，所以合成孔径声呐的运动补偿、成像远比合成孔径雷达复杂。合成孔径声呐的初步研究结果是令人振奋的，它大约可以在400m的距离上达10cm的分辨力，在以前是无法达到的。美国DTI(Dynamic Technology Inc) 研制的样机在Washington湖作试验时，甚至得到了一架早先沉没湖底的飞机残骸的“像”。 合成孔径技术还用于高分辨力的波束成形，这在安静型潜艇辐射噪声中可以获得应用，利用这种技术可以把潜艇作为一个体积元，确定对辐射噪声最有贡献分量的部位。 [5]
数据融合
由于声呐系统的集成度越来越高，数据量越来越大，单靠声呐员处理多平台、多传感器的信息就显得很不够，所以数据融合的技术自然而然地受到重视，虽然还不能完全做到全自动判别，但至少为辅助决策提供了强有力的工具。数据融合从所处理的信息层次来分，可以分为三级，即基无级，特征级和决策级。研究课题的级别越到底层就越复杂。现在大多数的研究工作还是围绕决策级展开的。数据融合中的一个基本定理，保证了声呐系统进行数据融合的必要性，这个定理是说，无论是独立观测资料还是相关观测资料，最佳的线性数据融合所带来的误差不会大于任何个别观测资料所带来的误差。 [5]
目标识别与水下快速运动目标轨迹提取
数字式声呐的基本功能是测向和测距，目标识别的功能通常由声呐员通过鉴别目标辐射噪声来完成。随着声呐技术的发展，国外的一些声纳已具备目标识别功能，甚至专门配置鱼雷报警声呐。 [5]
影响因素
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可变深度声呐生物“声呐”
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声呐并非人类的专利，不少动物都有它们自己的声呐。蝙蝠就用喉头发射每秒 10－20 次的超声脉冲而用耳朵接收其回波，借助这种“主动声呐”它可以探查到很细小的昆虫及 0.1 mm 粗细的金属丝障碍物。而飞蛾等昆虫也具有“被动声呐”，能清晰地听到 40 m 以外的蝙蝠超声，因而往往得以逃避攻击。然而有的蝙蝠能使用超出昆虫侦听范围的高频超声或低频超声，从而使捕捉昆虫的命中率仍然很高。因此，动物也和人类一样进行着“声呐战”。鲸和海豚则拥有“水下声呐”，它们能产生一种十分明确的信号探寻食物和相互通讯，其他海洋哺乳动物，如海豹、海狮等也都会发射出声呐信号进行探测。
鲸对声呐的使用频率比海豚的低得多，作用距离也远得多。海豚声呐的灵敏度很高，能发现几米以外直径 0.2 mm 的金属丝和直径 1 mm 的尼龙绳，能区别开只相差 200 ps 时间的两个信号，能发现几百米外的鱼群，能遮住眼睛在插满竹竿的水池子中灵活迅速地穿行而不会碰到竹竿；海豚声呐的“目标识别”能力很强，不但能识别不同的鱼类，区分开黄铜、铝、电木、塑料等不同的物质材料，还能区分开自己发声的回波和人们录下它的声音而重放的声波；海豚声呐的抗干扰能力也是惊人的，如果有噪声干扰，它会提高叫声的强度盖过噪声，以使自己的判断不受影响。海豚声呐还具有感情表达能力，已经证实海豚是一种有“语言”的动物，它们的“交谈”正是通过其声呐系统。尤其是仅存于世的四种淡水海豚中最珍贵的一种——中国长江中下游的白鱀豚，它的声呐系统分工明确，有为定位用的，有为通讯用的，有为报警用的，并有通过调频来调制位相的特殊功能。
终身在极度黑暗的大洋深处生活的动物不得不采用声呐等各种手段来搜寻猎物和防避攻击，它们的声呐性能是人类现代技术所远不能及的。解开这些动物的声呐之谜，一直是现代声呐技术的重要研究课题。
应用领域
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军事
水声技术是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪，进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。随着现代声呐技术的发展和进步，新一代声呐具有更先进的探测性能和更远的探测距离，一些高科技声呐还具有相当高的分辨率，能够识别蛙人和可疑水下航体。
海洋测绘
随着海洋高新技术的介入和装备的不断升级，水下地形声学探测技术获得了迅速的发展，现已成为世界各海洋国家在海洋测绘方面的重要研究领域之一。利用声呐技术进行海洋测绘的设备有：单波束回声测深仪、侧扫声呐、多波束测深、浅地层剖面仪。
海流流速测量
现代声呐技术可以利用多普勒效应进行流速测定，这种声呐系统使用一对装在船底倾斜向下的指向性换能器，由海底回波中的多普勒频移可以得到舰船相对于海底的航速。另一方面，若将声呐固定在流动的海域中，它可以自动检测和记录海水的流动速度及方向。
海洋渔业
探鱼仪是一种可用于发现鱼群的动向、鱼群所在地点、范围的声呐系统，利用它可以大大提高捕鱼的产量和效率;助鱼声呐设备可用于计数、诱鱼、捕鱼、或者跟踪尾随某条鱼等。海水养殖场已利用声学屏障防止鲨鱼的入侵，以及阻止龙虾鱼类的外逃。
水声通信
相关事件
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2025-08-08，中国外交部发言人秦刚在记者会上表示，中国政府6月12日注意到了有关中国潜艇同美国“麦凯恩”号驱逐舰拖曳声呐6月11日在菲律宾苏比克附近意外相撞的报道，中国有潜艇在南海进行正常的训练活动。声呐是各国海军不可或缺的主要技术，声呐技术作为导航和探测水下舰艇活动的技术被广泛应用于舰艇装备中。中频主动声呐就是向周围海域发射中频率波段的声波，以探测敌方潜艇，这对于反潜作战来说是最有效的。美军舰艇和潜水艇中大都配备了中频声呐系统。中频声呐可持续释放超过235分贝的噪声，其范围可达数千平方英里的海域。
当时没有接到发生所述情况的报告。与此同时，美国防部海军发言人6月15日发表声明称，不能确定声呐被何物撞坏，更不能确定是被中国潜艇撞坏。
分析人士认为，美国军方这一次如此低调可能是确实未能确定是和中国潜艇相撞。其次，朝核问题让美国焦头烂额，在这个节骨眼上，美国迫切需要中国的支持。
声呐危害
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美国自然资源保护委员会（NRDC）的一项报告显示，军事声呐等不断加剧的海洋噪声正影响着海豚、鲸的生活，因为这些动物必须依赖声音进行交配、觅食以及躲避天敌。报告称，海洋噪声轻则影响海洋生物的长期行为，重则导致它们听力丧失甚至死亡。
NRDC 的研究结果认为，科学界对于军用声呐可以伤害、杀死并大范围破坏海洋哺乳动物这一点上已经没有争议。美国环境和鲸保护组织也多年致力于保护海洋哺乳动物免受美军声呐影响的研究，结果显示声呐与鲸的死亡率之间的关联很紧密。另外，声呐也降低了大比目鱼和其他鱼类捕食的成功率，还影响了鱼类的繁殖率和巨型海龟的行为等。一些鱼类的内耳也受到了严重的伤害，这直接威胁着它们的生存。
由中频声呐试验导致的鲸大量搁浅及死亡事件不断发生：1996 年 5 月，美军在北约的一次演习中，有 14 头剑吻鲸在希腊海岸搁浅；2000 年 3 月，美军在百慕大海域再度进声呐实验，由于军舰配备的声呐影响，3 个种类共 16 头鲸搁浅在长达 150 米的海岸线上，其中 6 头死亡——多个物种成群搁浅是非常罕见的，科学家发现冲滩搁浅的突吻鲸眼睛、颅部出血，肺爆裂，自此美军接受了声呐对海洋哺乳动物行为有影响的观点；2002 年 7 月，66 头领航鲸在马萨诸塞州的海边集体自杀，原因同样与声呐实验有关；2004 年 7 月，在环太平洋军事演习中，美军声呐测试开始后不久，夏威夷沿岸的浅水中就有 200 头鲸鱼搁浅，其中 1 头鲸鱼仔死亡；2005 年初，由于美军声呐试验，37 头鲸搁浅在北卡罗莱纳州的外滩；2009 年 3 月，美国“无瑕号”在南海被中国渔政人员和渔民拦截并驱赶前，打开声呐“工作”后不久就在“无瑕号”声呐范围内的香港海岸边，出现一条长逾 10 米的成年座头鲸迷航搁浅。
科学家称声呐发射的声波可能干扰鲸和海豚利用自身声呐捕食。海军的声呐还可能惊吓某些鲸类，特别是突吻鲸，促使它们冲出水面造成危险后果。相关政策要求海军当有海洋哺乳动物在附近时要关停声呐并采用其它手段来保护动物。
