如果你学会了扔刀子，那就可以……成为声纳设计师了。注意看，这个男人叫小纳，他正在向小标扔刀子：别以为这是某个凶案现场。小纳和小标可是在为物理所的科普事业献身！他们为大家表演的是一种设备的工作原理——声纳。声纳（或称声呐）是Sonar的音译，其英文全称为Sound Navigation and Ranging（声导航与测距），通过发送和接收声波来探测物体。
因为声波在水下的衰减远远比电磁波要小，所以声纳是目前水下最主要的探测设备，没有之一。如何设计一个声纳？今天让我们抛开抽象的数学公式和物理理论，跟随小纳和小标，轻松地看看一名声纳设计师都需要考虑哪些底层因素。因素1 声源级 声纳向远方发出声信号，被目标反射后再回到声纳，从而获取目标的信息。发射声信号的功率越大，传播距离越远，声纳接收信号的功率也越大。
这类似于日常生活一个人提高嗓门，才能让更远处的人听到。因素2 指向性指数 声纳的功率总是有限的，如果想要把信号发送给目标，与其向四周任意地发射声信号，不如只向目标的方向发射。这类似于小纳的体力总是有限的，与其向四周360度扔刀子，不如只向小标的方向扔刀子。因素3 传播损失 声信号在水下传播时，会因自身的扩散、水分子的吸收等因素减弱。
这就类似于刀子飞得越远会越稀疏，有的飞到一半掉下来，还被路人给捡走了。因素4 目标强度 好，声信号终于到达目标了，类似刀子终于到小标身上了。由于目标的尺度、形状、材料等因素的不同，反射声信号的强弱也不同。例如吸音材料就能吸收大量的声信号，使反射声信号很弱，甚至让目标“隐身”。因素5 噪声级 反射的声信号原路返回声纳，声纳对接收的声信号进行滤波等处理，可得到目标的距离、方向、属性等信息。
这类似于刀子原路返回至小纳手里，小纳通过分析刀子的豁口等特性来判断小标的位置。因素6 混响 在多种噪声中，有一种特殊的噪声叫做混响。声信号被目标反射时，也会被海洋中漂浮的鱼虾等生物以及海底等界面反射。这些反射的源头与目标的距离相同，且往往有着更大的目标强度（反射更多的声信号）。对于声纳而言，目标的真实回波会被“淹没”在这些混响中。
历经千辛万苦，声纳终于接收到声信号了，其强度为 声源级SL+指向性指数DI-传播损失TL+目标强度TS-噪声级NL。当这个值大于一个门限后，我们认为接收的声信号包含目标回波，否则认为接收的声信号全是干扰/噪声。提升声纳探测性能的所有手段，都是提升声源级SL、指向性指数DI、目标强度TS，或降低传播损失TL、噪声级NL。除了主动声纳，还有被动声纳。
上面的声纳是主动声纳，即主动地发射声信号，可根据声信号的传播时间计算目标距离。还有一种被动声纳，被动地捕获目标的辐射噪声。这类似于小纳不再扔刀子，而是偷听小标讲话。被动声纳最大的好处是隐蔽性强，这类似于扔刀子总会被人发现，但偷听不一定。被动声纳还可以不受混响的干扰，但缺点在于无法主动调节信号强度，且无法测量目标距离。
从主动声纳的性能改进到被动声纳的发明，声纳技术的进步提高了人类的探测能力，有力拓展了未知世界的边界。通俗来讲，小纳扔刀子扔得更准了，测量小标的距离越来越精确了，还学会了隐蔽的偷听。至于小标，他一定更喜欢被动声纳，那样他就再也不用在肉体上为科普献身了！