🦇声呐雷达模拟器 - 回声测距、蝙蝠回声定位、雷达方程、医学超声

如何使用声呐、雷达与回声定位

1. 1在“回声测距”选择介质，设置两个目标的距离和脉冲宽度，看回波是否重叠
2. 2在“蝙蝠回声定位”调整飞行速度和猎物速度，观察波前、回声延迟和多普勒频移
3. 3在“舰船声呐”选择海洋剖面或自己调水温、混合层和盐度，查看 SOFAR 声道和声线
4. 4在“雷达方程与 PPI”设置功率、频段、天线口径和目标 RCS，读出最大探测距离，点击屏幕添加目标
5. 5在“医学超声”调探头频率，比较分辨率与穿透深度，并查看多层组织的 A 型回波

常见问题

为什么距离分辨率是 cτ/2？

脉冲本身有长度 cτ。两个目标相距 Δd 时，它们的回波到达时间相差 2Δd/c；只有当这个时间差不小于脉宽 τ 时两个回波才不会重叠，即 Δd ≥ cτ/2。所以想看清细节就要用更短的脉冲（或脉冲压缩），医学超声每个脉冲只有两三个周期就是这个原因。

蝙蝠如何利用多普勒效应？

蝙蝠飞向昆虫时，昆虫接收到的频率升高，反射回来时蝙蝠又以运动观察者的身份再升高一次，双程频移约为 2v/c。菊头蝠等恒频蝙蝠会主动把叫声频率压低，让回声刚好落在耳蜗最敏感的窄频段，并从翅膀扇动造成的微小频率起伏中识别猎物。

什么是 SOFAR 声道？

海水声速随温度升高而增大，也随压力（深度）增大。表层暖、往下变冷，声速先降；到了深处水温几乎不变，压力又让声速回升，于是在约 600–1200 m 处出现声速最小层。声线总是弯向声速低的一侧，因此在这一层上下反复弯折、几乎不碰海面和海底，低频声可以传播数千公里。

雷达截面缩小一万倍，探测距离会少多少？

雷达回波要往返，功率按 1/R⁴ 衰减，所以最大作用距离与 RCS 的四次方根成正比。RCS 缩小到 1/10 000，作用距离只降到 1/10。这也是为什么隐身飞机需要把 RCS 压低好几个数量级才有明显效果，而增大发射功率对距离的提升同样很有限。

做超声为什么要涂耦合剂，又为什么看不了肺？

界面反射率由声阻抗差决定：R = ((Z₂−Z₁)/(Z₂+Z₁))²。空气与皮肤的声阻抗相差约 4000 倍，99.9% 的能量会在界面上被反射，耦合剂就是用来排开探头与皮肤之间的空气。肺里充满气体、骨骼声阻抗又特别高，声波几乎全被反射或吸收，后方形成声影，所以超声主要用于软组织和液体。