海洋声学

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  海洋声学汉语拼音:Haiyang Shengxue;英语:Marine Acoustics),研究声波海洋中传播规律和用声波探测海洋的科学。是声学海洋学的边缘学科。是一门应用性很强的学科分支。除了军事的用途外,水下声技术已成为探测和开发海洋的重要手段。

  海洋声学是建立在随机、非均匀介质中声场理论、电子技术、信号处理和近代仪器的海上实验基础上的近代学科分支。

简史

  早在1490年,达·芬奇就已经用一根长管插到水中测听远处的航船,这是人类利用声波探测水下目标最早的记载。后来在另一只耳朵和海水间又加一根管可测听方位,此方法一直沿用至第一次世界大战。第一次测量声在水中的传播速度是1826年瑞士物理学家D.科拉东法国数学家C.-F.斯图姆日内瓦湖完成,1911年有人用炸药筒进行了最新的水下回声探测实验接收到海底回声。1912年“泰坦尼克”号与冰山相撞而沉没和1914年第一次世界大战初期德国潜艇活动猖狂,迫使协约国集中很大力量研究探潜方法。

  1917年法国物理学家P.朗之万俄国电器工程师康斯坦丁·基洛夫斯基发明了石英压电换能器,用以发射和接收。还用了刚研制成的真空管放大器做成了第一台水下回声定位仪(声呐),探测距离可达1,500米。朗之万等人的工作表明,只有在水声换能器和放大微弱信号的电子技术发展的基础上,水声技术的广泛应用才成为可能。在声呐的使用中发现夏日早、午、晚探测距离相差很大,进而对声在不同领域的传播规律进行研究,从而发展了水声学海洋声学

研究内容

  海洋声学研究声波在海洋中传播规律和海洋环境因素对声传播的影响,以及声波探测海洋环境参数的方法和研制相应的仪器设备。声波是弹性波,其传播速度与海洋介质各处的温度、盐度和深度(静压力)有关,声波在这样的非均匀介质中传播产生折射和反射。因此了解各海区声速垂直剖面和水平变化是研究声传播规律的首要步骤。而海面波浪、海底类型、海中气泡和生物等不均匀体也须考虑在内。

海中声速垂直剖面

  海水表层因太阳辐射加热、风的搅拌和海流的作用,使海水从海面至海底的温度呈垂直分层不均匀分布,称为声速垂直剖面(见海中声速)。在大洋中海面向下依次为表面混合层,季节温跃层,主温跃层和深水层,是大洋海水的温度、盐度和静压力的综合结果。图1为大西洋不同纬度的声速垂直剖面。大洋中水下某深度处总有一个声速极小值,在这个极小值水层附近发射声波,由于声射线向声速小的方向折射,因此大部分声能在此极小值水层往复弯曲折射而不经过海面和海底,能量损失较小,传播较远,这就是声道现象。声速最小值的水层称为声道轴。

  浅海海面,由于风浪的搅拌使表层形成等温层,而由于静压力的作用使声速随深度增加而略有增加。

  声源在等温层中辐射的声线经过海面反射而不经过海底,仅有海面反射的能量损失,也可传播适当远处,此称为表面声道(图2)。

  夏日浅海无风浪搅拌,表层海水经上午的日晒变热,上层的温度较下层高,声速的垂直剖面呈负梯度,由声源发出的声线总是弯曲向下直至海底。海底的反射损失较大,较弱的反射声能再经过海面的折射,声能损耗较快,声传播的距离很短,且有声影区是反波导型传播(图3)。早期称它为夏日“午后效应”。

海底声学特性

  海底是影响声波传播的重要因素。在中国浅海大陆架使用低频远程海底反射声呐时,海底的声学特性决定声传播的作用距离。为此需对海底各类沉积层的声学特性,分层结构和表面形状等的反射、散射和吸收特性以及与入射角和频率关系进行研究。

  世界海洋中,海底的大部分面积覆盖着松软的沉积层,厚度约在0~3,500米范围,沉积层的厚度随地域差别很大,深海中只有较少地区有突出的原生岩裸露。组成沉积层的物质不同,声速和密度也不同,通常各层的密度、声速随深度增加而缓慢增大。而海底的声速和声吸收系数又与沉积物的颗粒度和孔隙率有关。声吸收还随频率的增加而增大。海底的反射损失与沉积层的密度、声速、分层结构、海底表面粗糙度以及声波的入射角有关(图4)。

  海底沉积层表层的声速低于其上海水中声速,此类海底称为低声速海底,反之称为高声速海底。通常低声速海底的反射损失大于高声速海底。

海水声吸收

  声波在海水中传播时,部分声能转变为热能,声强随距离的增大按指数律减弱称声吸收。每单位距离所减小的分贝数,称为声吸收系数,单位为分贝/千米。海水的声吸收系数与声波的频率和海水的温度、盐度、pH值以及静压力有关。声波的频率越低,吸收系数越小。频率高于1,000千赫,海水的吸收系数与淡水相同;低于1,000千赫,海水声吸收系数大于或远大于淡水(图5)。在几千赫至几百赫频段内,海水声吸收主要由硫酸镁所引起,而低于1千赫的声吸收主要由硼酸引起。通常海水的声吸收由三部分组成:水的黏滞吸收、硫酸镁等的弛豫吸收(与盐度成正比)和硼酸弛豫吸收(随pH值的增大而急剧增大)。

声反射和散射

  声波在波动海面和不平整海底的反射和散射,以及海中气泡、悬浮物、海洋生物、水团等不均匀体上的散射,使声能在传播的路径上增加附加衰减和波形畸变,产生信号强度和相位的起伏。海洋内波的存在使声信号明显地起伏。大洋深水中存在一个昼迁夜栖的生物聚集的深水散射层(DSL),它能强烈地散射声波。

海洋环境噪声

  来自海水介质运动、风和大气对海面作用、冰层的移动或融化和海底地质构造变化等引起的噪声,海中生物发出的响声,以及人为的发声源,它们是海洋本身的噪声称海洋环境噪声。它是一种干扰背景,限制了声信号在海中的传播距离。海洋环境噪声谱特征与其不同成因有关。

研究方法

  多用以下方法对海洋进行研究。

  声波探测海洋 从海洋环境因素对声传播规律的影响中,分析和反推海洋参数是海洋声学的重要方法。长期以来同步观测大范围海洋参数需要大量船只,耗资耗时,甚至难以达到预期目的。虽然少量遥感技术实现了大面积同步监测海表层温度,但对于海面以下的海洋研究仍以声技术作为探测的唯一有效手段。

  声波探测技术 利用声波监测海面波高和浪向、气泡、悬浮物密度、黑潮流速场、水团等。通过声信号长距离传播起伏测得内波的强度和谱。应用海洋声层析技术布设多个收–发换能器,监测大洋中尺度涡的形成和运动。声波探测深海散射层强度,研究各大洋不同纬度深水动物区系的划分。由风浪产生的500~5,000赫的噪声级来监测海面的风浪级,极低频噪声可预报海啸的发生。对生物噪声谱特征分析研究其种类数量和活动规律。其他如利用声在海底的散射特征进行海底分类的研究。利用声道中声的超远传播在大洋上建立的声发系统营救遇难目标(见大洋声道)。海洋声探测和监测的实验规模较大,除依靠科学考察船外,已大量采用浮标、水下中性浮子和固定岸站来完成,有些实验耗资之大只能几个国家联合进行。

  声探测仪器和设备 第一次世界大战因水下探潜作战的需要而研制出声呐,从而发展了声波在海洋中的传播理论。此后应用声技术的水下探测设备不断涌现。最早广泛应用的是回声测深仪和鱼群探测仪,几乎所有远航船上都装有回声测深仪,用于导航和测绘海底地形剖面。鱼群探测仪在识别鱼群资源和确定捕获量方面是唯一有效设备。海底声波勘探设备广泛用于海底地层结构勘探、海底油气勘探。海底地层剖面仪可精细绘制浅海底分层结构,用于选定海上平台地基、海底电缆敷设以及海底矿藏。侧扫声呐(海底地貌仪)可以绘制海底地貌图。用于导航和精确测定航船相对于海底运动速度的多普勒导航仪(多普勒导航声呐)。其他如广泛采用的声潜标和声监测渔网高度、开口状态的网位仪等。

  广泛用于海上的石油开采、海底作业和海洋研究设备布放的水声应答器和释放器等遥测系统,通常将三个水声应答器置于水下井口或设施附近,由船上的声指令发射机发出信号,应答器接收并回发信号,以此寻找水下目标。水声释放器则按指令启动机械部件,释放被锁定的浮桶,使之浮出水面便于船只回收。应答器和释放器常联合使用。

发展方向

  水声学因探潜和探水雷的作战目的而发展,声呐的使用过程又发展了海洋声学。其中有关传播规律和海洋环境影响的声场正问题,不论深海或浅海声场都有深入的研究。而通过声场特征反演海洋参数的逆问题并研制出相应的探测仪器方面是当前研究的热点和前沿课题。同一声场特征可能对应数个海洋参数,即不是唯一性,因此逆问题的研究具有相当的艰巨性。