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海洋声学——深蓝之下的律动

出品:科普中国


(相关资料图)

作者:郭政(中国科学院声学研究所东海研究站)

监制:中国科普博览

“听,海哭的声音……”

你是否有好奇过,在那美丽的深蓝之下,到底隐藏着怎样的声音呢?

在科学研究中,“是什么、为什么、怎么样”是一种常见且有效的思维模式。如果用这种思维模式对海洋声学研究进行解构,我们可以得到什么结论呢?

海洋声学是什么

海洋声学是近代声学的一个重要分支,是一种综合性尖端技术科学,主要研究声波在海洋中的产生、传播和接收规律。

如何理解这句话呢?

我们可以假设有两个人,小A和小B,小A拍拍手,小B听到了小A拍手的声音,那么在这一场景下,我们的研究结果就是:

声波的产生:小A拍了手。

声波的传播:从小A的手传播到小B的耳朵,中间经过了空气(我们称之为传播介质)。

声波的接收:声波的扰动传播进入小B的耳朵,引起鼓膜的振动,振动传入内耳后,转换为生物电信号,再经过听觉神经系统的处理,被小B的大脑接收。

图1 耳朵结构示意图

(图片来源:昵图网 https://www.nipic.com/show/22042820.html)

这样一来,类比到海洋声学的研究中,我们就可以仿照上面的形式做如下列举:

海洋中声波的产生:我们知道,声是由物体振动产生的。那么,一切海洋中的振动,包括船舶航行、人类的其他活动、海洋生物的叫声、海底地壳运动与火山喷发等等,造就了海洋中声波的产生。

图2 海洋中的声波 (图片来源:Veer图库)

海洋中声波的传播:我们知道声波的传播是需要介质的,真空是不能传声的。而在海洋中,通常声波会在海水中传播,也有时会沿着海底传播。

海洋中声波的接收:日常生活中当我们需要接收某段声信号,比如唱歌时,我们就会用到话筒。在海洋中,我们会用到水下专用的特制“话筒”(我们称之为水听器),这样我们就可以便捷的接收海洋中的声波。

研究海洋中声波的产生、传播和接收规律的科学,就是海洋声学。

图3 水听器

(图片来源:Teledyne Marine http://www.teledynemarine.com/reson-tc-4032)

为什么要研究海洋声学

作为一门交叉学科,声学与我们生活的方方面面都有千丝万缕的联系。比如耳机、音响就属于电声学的研究范畴;建筑声学则会研究如何打造更好影剧院、会堂的听觉效果;我们平时使用的智能音箱也会用到语音声学等等。

那么声学与海洋的相遇,又会产生什么样的“碰撞”呢?

我们知道,在地球的表面约有70.8%的面积被水覆盖,其中绝大多数是海洋。在海洋的重要性日益增加的今天,人类需要对海洋有更多更深层次的了解。通过研究海洋中声波产生、传播和接收的规律,海洋声学可以作为人类在探索海洋时的“耳目”,帮助人类更好地了解海洋。

比如人们模仿蝙蝠、海豚等动物的回声探测,研发了一系列设备,也借助回声探测实现了探鱼、探测海底地形地貌等。在军事领域,声呐设备也广泛应用于寻找水下潜艇的位置。

图4 鱼探仪——用于探测鱼群

(图片来源:Matsutec公司 http://www.matsutec.cn/products_info.php?id=234)

图5 侧扫声呐——用于探测海底地形地貌

(图片来源:北京海卓 https://www.sohu.com/a/349110652_743632)

怎么样研究海洋声学

前面我们说到,作为人类在探索海洋时的“耳目”,海洋声学是人类了解、认知海洋的重要手段。那么我们如何进行海洋声学研究呢?

与光、电、力等其他物理学门类一样,声学也属于物理学,自然也与其他物理学一样,是一种讲求实验的科学。现代科学研究在实验之前都会经过理论推导、计算机仿真两个阶段,海洋声学也不例外。海洋声学作为声学中的一个方向,同样重视实验。

在海洋声学实验中,我们通常会关注对声波本身的测量,包括使用前边提到的水听器录下水中的声音,也会测量影响声传播的温度、盐度等物理量,通常使用CTD(温盐深仪)、XBT(投弃式温深仪)等仪器,进而得到不同深度下声波传播速度。最后,通过这些与海洋声学相关的信息,构建出我们对海洋环境的认知。

图6 XBT(用于测量不同的深度下声波传播的速度)

(图片来源:中科院声学所东海站)

人类从来不会缺少探索未知的决心和勇气,从“海的声音”里,我们更好地认知海洋、了解海洋,在这美丽的深蓝中留下了人类孜孜求索的足迹。

编辑:孙晨宇

参考文献:

[1]汪德昭, 尚尔昌. 水声学[M]. 北京: 科学出版社, 1981.

[2]刘伯胜, 雷家煜. 水声学原理(第二版)[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2009.

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

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责任编辑:Rex_18

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