[科普中國]-海洋聲學(xué)

海洋聲學(xué)的基本內(nèi)容包括三個方面：(1)聲在海洋中的傳播規(guī)律和海洋條件對聲傳播的影響，主要包括不同水文條件和底質(zhì)條件下的聲波傳播規(guī)律，海底對聲波傳播的影響，海水對聲的吸收，聲波的起伏，散射和海洋噪聲等問題。(2)利用聲波探測海洋，利用聲波不僅能測出大海的深度，甚至還能發(fā)現(xiàn)蘊藏在海底的石油。(3)海洋聲學(xué)技術(shù)和儀器，各種不同類型的聲吶設(shè)備正是海洋聲學(xué)技術(shù)中的佼佼者。1

研究內(nèi)容海洋聲學(xué)的基本內(nèi)容包括三方面：

①聲在海洋中的傳播規(guī)律和海洋條件對聲傳播的影響，主要包括不同水文條件和底質(zhì)條件下的聲波傳播規(guī)律，海底對聲波傳播的影響，海水對聲的吸收，聲波的起伏，散射和海洋噪聲等問題。

②利用聲波探測海洋。

③海洋聲學(xué)技術(shù)和儀器。

基礎(chǔ)理論簡介

海水由于受太陽輻射加熱和風(fēng)力攪拌等的影響，其溫度的垂直分布一般呈分層結(jié)構(gòu)，加上壓力的影響，使海洋中的聲速呈垂直分布。從聲速最低的地方發(fā)射的聲波，由于上下層的聲速不同而發(fā)生折射，反映聲波傳播途徑的聲線，總是彎向聲速最低的地方。大部分聲波在海水中經(jīng)過這樣的往復(fù)彎曲折射，而不與海面和海底接觸，故能量損失很小，這種現(xiàn)象稱為聲道現(xiàn)象，聲速最低的地方稱為聲道軸。

傳播遠(yuǎn)低頻聲波在聲道中能傳播到很遠(yuǎn)的地方，例如一千克TNT炸藥的爆炸聲，能在聲道中傳播一萬公里以上，故可以利用聲道的這種特性，傳送失事的飛機和船只的呼救信號，監(jiān)測水下的地震、火山爆發(fā)和海嘯等。

表面聲道風(fēng)浪的攪拌，使表層海水形成等溫層。其中的靜壓力，使聲速隨深度的增加而略有增加。等溫層內(nèi)自聲源出發(fā)的聲線總是彎曲向上，經(jīng)海面反射而向前傳播，也可以傳播到較遠(yuǎn)的地方，稱為表面聲道。

在無風(fēng)浪攪拌的條件下，表層海水經(jīng)日光照曬，往往出現(xiàn)上層的溫度和聲速都比下層高的情況，使聲速呈負(fù)梯度的垂直分布。在這種情況下，聲波傳播的曲線，總是彎曲向下，在聲能達(dá)不到的地方產(chǎn)生聲影區(qū)。另外，如果海比較淺，則聲線會碰到海底。由于海底的反射損失大，聲能衰減很大，因此不能傳播得很遠(yuǎn)。

海底影響海底對聲波傳播的影響很大，所以聲在淺海中的傳播特征主要依賴于海底的反射本領(lǐng)。海底對聲波的反射損失，與海底物質(zhì)的密度、聲速和聲波的入射角有關(guān)。一般說來，海底的密度愈大，聲速愈高，反射損失愈小；聲波頻率愈高，海底的反射損失愈大。

弛豫過程聲波在海水中傳播時，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)和粘滯性，使部分聲能被吸收而轉(zhuǎn)化為熱能。在聲波作用下，水分子的結(jié)構(gòu)有從比較松散變得比較緊密的弛豫過程，使海水對聲的吸收量增加。對頻率更低的聲波而言，其聲能的衰減是由于湍流引起的聲散射所造成的，海中的氣泡、海洋生物和懸浮體，都會散射和反射聲波。

趨光性散射或反射系數(shù)與物體的大小、介質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同的物體有不同的散射頻率響應(yīng)。海中存在由生物體構(gòu)成的、能強烈散射聲波的深海散射層，它們遍布各大洋，往往分成幾層，其深度隨晝夜和季節(jié)不同而變化，這反映了生物的趨光性。海底底質(zhì)的不均勻和不平整，也會增加聲波的散射。

強干擾聲波受波動海面的反射，或者穿過溫度呈微觀不均勻的水團(tuán)時，其信號強度和相位都會發(fā)生起伏。海洋內(nèi)波對聲的傳播影響很大，會引起聲波大幅度的緩慢起伏。由于海面波浪、渦流、海洋生物發(fā)聲，水下火山爆發(fā)或地震，海水分子的熱運動和航船來往等原因，使海洋中存在噪聲，它是聲吶的一種強干擾。

海洋水文利用海洋水文要素對聲傳播的影響，可以反推海洋的特性，這是海洋聲學(xué)的重要課題。海水中的溫度、鹽度、壓力和流速，都影響著海水中的聲速。聲波在海流中傳播時，順流則聲速增加，逆流則反之。利用這種現(xiàn)象，在兩定點之間相對發(fā)出聲信號，測量聲波到達(dá)的時間差，就可以求得海水的流速。在若干點之間進(jìn)行這種測量，可以監(jiān)視海洋中的中尺度渦等現(xiàn)象，這是聲學(xué)遙測的重要方法，稱為海洋聲學(xué)層析術(shù)。

運動情況水中的懸浮體，隨著水流而運動，故應(yīng)用聲學(xué)技術(shù)觀察這種散射體的運動，就可以了解海水的運動情況。利用這種方法，還可以觀察內(nèi)波的規(guī)律，了解沉積物的搬運情況，也可以測量海水的流速。此外，利用聲波起伏規(guī)律來研究內(nèi)波譜的方法，已很受重視；利用深海散射層的散射頻率響應(yīng)，可以進(jìn)行深海生物的區(qū)系劃分，其結(jié)果和一般的區(qū)系劃分一致；利用魚類對聲波的散射和反射，可以探測魚群和了解魚類資源的分布。

由波浪產(chǎn)生的500～5000赫的噪聲，與海面的風(fēng)級和海況有關(guān)。利用此頻率的噪聲，可以監(jiān)測海面的風(fēng)級和海況。利用海嘯產(chǎn)生的水下噪聲，可以預(yù)報海嘯。海洋生物發(fā)出的聲音，與其種類和生活狀態(tài)有關(guān)。監(jiān)聽這種聲音的特征以區(qū)分生物的種類，可以掌握其生活規(guī)律，為研究漁業(yè)資源提供信息。此外，有可能利用聲信號控制海洋生物的活動，以滿足人類的需要。

在海洋開發(fā)中，聲技術(shù)是勘探海底唯一有效的手段，廣泛應(yīng)用的地震勘探儀便是聲技術(shù)應(yīng)用的一例。海底的界面不平整，底質(zhì)內(nèi)部的顆粒大小不一，以及分層和水千方向的不均勻性，都影響著聲波的散射和反射。使用高頻窄水平波束的測掃聲吶，可以得出海底凸出部分對聲波的強烈散射和凹下部分的聲陰影區(qū)所構(gòu)成的地貌聲圖。

進(jìn)行測量海底沉積物一般都是分層的。因各層的聲學(xué)特性不同，故可以利用聲學(xué)方法測定海底沉積物的分層情況和各層中的聲速。常用的方法有折射法和反射法，對于較淺的沉積層，也可以用淺地層剖面儀進(jìn)行測量。

利用聲學(xué)遙感技術(shù)對海底的底質(zhì)進(jìn)行分類的工作，已得到迅速發(fā)展。它與最新的微電子學(xué)、微計算機和換能技術(shù)結(jié)合，廣泛用于水文、地質(zhì)、地貌和生物等領(lǐng)域的測量，并用于水下定位、導(dǎo)航、通信、遙控、遙測等各方面，在海洋調(diào)查和海洋開發(fā)中起著重要的作用。

簡史展望1826年，瑞士物理學(xué)家J.D.科拉東和法國數(shù)學(xué)家J.C.F.斯圖謨在日內(nèi)瓦湖測量聲在水中傳播的速度，開始了現(xiàn)代水聲學(xué)的研究。1911年，有人用炸藥筒作聲源，進(jìn)行了最初的水下回聲測探實驗，并記錄到海底的回聲。1912年，美國科學(xué)家R.A.費森登設(shè)計并制造的一種新型動圈換能器，是第一臺水下發(fā)信和回聲測探設(shè)備。

第一次世界大戰(zhàn)中，由于潛艇在水下作戰(zhàn)的需要而研制出聲吶，從而發(fā)展了聲波在海洋中傳播的理論。在不同海區(qū)、不同季節(jié)和晝夜使用聲吶時，發(fā)現(xiàn)聲吶的作用距離與海洋水文要素、波浪、海流、內(nèi)波、海底地質(zhì)地貌、海洋環(huán)境噪聲和海中浮游生物等有密切關(guān)系。

因此，20世紀(jì)50年代以后，逐漸形成了研究聲波在海洋中傳播的規(guī)律，和利用聲波探測研究海洋的新的學(xué)科分支——海洋聲學(xué)。

此后，聲波被廣泛應(yīng)用于探測海底沉積物和地層結(jié)構(gòu)，海底的地形地貌，海水的流動，海水的溫度和流速的不均勻性，海水中各種物體如魚群、深海散射層、冰山和沉船，海面的波浪和水下的內(nèi)波等，并可用于臺風(fēng)和海嘯等自然災(zāi)害的預(yù)報。此外，它還用于水下導(dǎo)航、定位、信號傳遞和遙控等技術(shù)中。

聲波能在海洋中遠(yuǎn)距離傳播，但在傳播的過程中，海水的溫度分布和鹽度分布、海面和海底的狀況、海水的運動，海中包含的各種不均勻體如氣泡和生物等，都能產(chǎn)生很大的影響。

聲學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，需要更深入地研究聲波在海中的傳播規(guī)律，研究溫度、鹽度、風(fēng)浪、海流、內(nèi)波、海底類型和海中懸浮物等因素對聲波傳播的影響，以便更好地獲取和識別聲信號。聲波在深海中的傳播規(guī)律，已有系統(tǒng)的理論，但在淺海中傳播時，由于海底和水文條件的多變性，理論計算很困難，應(yīng)用了電子計算技術(shù)之后，一些相當(dāng)復(fù)雜的淺海傳播問題，已得到初步解決。海洋聲學(xué)的實驗規(guī)模較大，除依靠調(diào)查船外，已大量采用浮標(biāo)和固定岸站來完成，有些實驗因耗資過大，往往需要幾個國家聯(lián)合進(jìn)行。當(dāng)前利用電子計算機，把從發(fā)射到接收聲波的過程中的波形的變化，反推聲在海中傳播的規(guī)律，進(jìn)而判斷海洋媒質(zhì)的狀態(tài)，將是海洋聲學(xué)研究的一個新方向。此外，現(xiàn)代的微電子學(xué)、微計算機、信號處理技術(shù)和換能技術(shù)等的發(fā)展，都對海洋聲學(xué)的發(fā)展有重要的影響。

特性海底對從海水入射的聲波的反射和散射，以及聲波在海底沉積物中的傳播速度和衰減等特性。

海底對聲波在海中的傳播，特別是對聲波在淺海中的傳播影響很大。聲波在海底沉積物中的傳播速度，通常與頻率沒有明顯的關(guān)系。在平均粒徑極小而孔隙率很大的稀薄沉積物中的聲速，接近或低于海水中的聲速。在較密實的沉積物中的聲速，隨粒徑的增加和孔隙率的減小而單調(diào)增加，且大于海水中的聲速。在固化程度較高的沉積層中，聲波除縱波外，還有橫波傳播。海底沉積物中的聲衰減,主要由沉積物的粘滯性和摩擦產(chǎn)生,與沉積物的粒徑和孔隙率也有關(guān)系。在海底沉積物中，細(xì)砂、砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂的聲衰減最大。在同一沉積物中，聲衰減隨聲波頻率的增加而增加，在某個頻率范圍內(nèi)，這種增加近似于線性關(guān)系。

海底的聲反射和散射，主要和沉積物的分層結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與海底表面的粗糙程度有關(guān)。若海底表層中的聲速底于其上海水中的聲速,這種海底稱為低聲速海底;反之，則稱為高聲速海底。一般說來，前者的反射本領(lǐng)低于后者。海底的聲反射損失，一般隨聲波頻率的增加而增加，它和聲波入射角的關(guān)系與海底類型有關(guān)，對于低聲速海底，有一個全透射角，聲波在此角度下入射，多數(shù)聲能透射入海底；若為高聲速海底，則存在一個全反射角。

根據(jù)海底的聲學(xué)特性，可以對海底沉積物進(jìn)行聲遙測分類。例如，淺地層剖面儀就是利用沉積物各層的聲學(xué)特性不同而引起的聲波反射各異的特點，來測定海底地層的分層結(jié)構(gòu)。聲遙測方法在近代海洋工程如海港和海上鉆井采油等工程的地質(zhì)勘探中，有很重要的作用。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉勇 - 副教授 - 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院