海洋聲學(xué)——深藍之下的律動

出品：科普中國

作者：郭政（中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站）

監(jiān)制：中國科普博覽

“聽，?？薜穆曇簟?/p>

你是否有好奇過，在那美麗的深藍之下，到底隱藏著怎樣的聲音呢？

在科學(xué)研究中，“是什么、為什么、怎么樣”是一種常見且有效的思維模式。如果用這種思維模式對海洋聲學(xué)研究進行解構(gòu)，我們可以得到什么結(jié)論呢？

海洋聲學(xué)是什么

海洋聲學(xué)是近代聲學(xué)的一個重要分支，是一種綜合性尖端技術(shù)科學(xué)，主要研究聲波在海洋中的產(chǎn)生、傳播和接收規(guī)律。

如何理解這句話呢？

我們可以假設(shè)有兩個人，小A和小B，小A拍拍手，小B聽到了小A拍手的聲音，那么在這一場景下，我們的研究結(jié)果就是：

聲波的產(chǎn)生：小A拍了手。

聲波的傳播：從小A的手傳播到小B的耳朵，中間經(jīng)過了空氣（我們稱之為傳播介質(zhì)）。

聲波的接收：聲波的擾動傳播進入小B的耳朵，引起鼓膜的振動，振動傳入內(nèi)耳后，轉(zhuǎn)換為生物電信號，再經(jīng)過聽覺神經(jīng)系統(tǒng)的處理，被小B的大腦接收。

圖1 耳朵結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來源：昵圖網(wǎng) https://www.nipic.com/show/22042820.html）

這樣一來，類比到海洋聲學(xué)的研究中，我們就可以仿照上面的形式做如下列舉：

海洋中聲波的產(chǎn)生：我們知道，聲是由物體振動產(chǎn)生的。那么，一切海洋中的振動，包括船舶航行、人類的其他活動、海洋生物的叫聲、海底地殼運動與火山噴發(fā)等等，造就了海洋中聲波的產(chǎn)生。

圖2 海洋中的聲波 （圖片來源：Veer圖庫）

海洋中聲波的傳播：我們知道聲波的傳播是需要介質(zhì)的，真空是不能傳聲的。而在海洋中，通常聲波會在海水中傳播，也有時會沿著海底傳播。

海洋中聲波的接收：日常生活中當(dāng)我們需要接收某段聲信號，比如唱歌時，我們就會用到話筒。在海洋中，我們會用到水下專用的特制“話筒”（我們稱之為水聽器），這樣我們就可以便捷的接收海洋中的聲波。

研究海洋中聲波的產(chǎn)生、傳播和接收規(guī)律的科學(xué)，就是海洋聲學(xué)。

圖3 水聽器

（圖片來源：Teledyne Marine http://www.teledynemarine.com/reson-tc-4032）

為什么要研究海洋聲學(xué)

作為一門交叉學(xué)科，聲學(xué)與我們生活的方方面面都有千絲萬縷的聯(lián)系。比如耳機、音響就屬于電聲學(xué)的研究范疇；建筑聲學(xué)則會研究如何打造更好影劇院、會堂的聽覺效果；我們平時使用的智能音箱也會用到語音聲學(xué)等等。

那么聲學(xué)與海洋的相遇，又會產(chǎn)生什么樣的“碰撞”呢？

我們知道，在地球的表面約有70.8%的面積被水覆蓋，其中絕大多數(shù)是海洋。在海洋的重要性日益增加的今天，人類需要對海洋有更多更深層次的了解。通過研究海洋中聲波產(chǎn)生、傳播和接收的規(guī)律，海洋聲學(xué)可以作為人類在探索海洋時的“耳目”，幫助人類更好地了解海洋。

比如人們模仿蝙蝠、海豚等動物的回聲探測，研發(fā)了一系列設(shè)備，也借助回聲探測實現(xiàn)了探魚、探測海底地形地貌等。在軍事領(lǐng)域，聲吶設(shè)備也廣泛應(yīng)用于尋找水下潛艇的位置。

圖4 魚探儀——用于探測魚群

（圖片來源：Matsutec公司 http://www.matsutec.cn/products_info.php?id=234）

圖5 側(cè)掃聲吶——用于探測海底地形地貌

（圖片來源：北京海卓 https://www.sohu.com/a/349110652_743632）

怎么樣研究海洋聲學(xué)

前面我們說到，作為人類在探索海洋時的“耳目”，海洋聲學(xué)是人類了解、認(rèn)知海洋的重要手段。那么我們?nèi)绾芜M行海洋聲學(xué)研究呢？

與光、電、力等其他物理學(xué)門類一樣，聲學(xué)也屬于物理學(xué)，自然也與其他物理學(xué)一樣，是一種講求實驗的科學(xué)。現(xiàn)代科學(xué)研究在實驗之前都會經(jīng)過理論推導(dǎo)、計算機仿真兩個階段，海洋聲學(xué)也不例外。海洋聲學(xué)作為聲學(xué)中的一個方向，同樣重視實驗。

在海洋聲學(xué)實驗中，我們通常會關(guān)注對聲波本身的測量，包括使用前邊提到的水聽器錄下水中的聲音，也會測量影響聲傳播的溫度、鹽度等物理量，通常使用CTD（溫鹽深儀）、XBT（投棄式溫深儀）等儀器，進而得到不同深度下聲波傳播速度。最后，通過這些與海洋聲學(xué)相關(guān)的信息，構(gòu)建出我們對海洋環(huán)境的認(rèn)知。

圖6 XBT（用于測量不同的深度下聲波傳播的速度）

（圖片來源：中科院聲學(xué)所東海站）

人類從來不會缺少探索未知的決心和勇氣，從“海的聲音”里，我們更好地認(rèn)知海洋、了解海洋，在這美麗的深藍中留下了人類孜孜求索的足跡。

編輯：孫晨宇

參考文獻：

[1]汪德昭, 尚爾昌. 水聲學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1981.

[2]劉伯勝, 雷家煜. 水聲學(xué)原理(第二版)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2009.

[3]Ross D. Mechanics of Underwater Noise. Oxford: Pergamon, 1976.