[科普中国]-海洋生物声学-

海洋生物声学是指海洋研究和开发所用的水声技术。

简介海洋生物声学是指海洋研究和开发所用的水声技术。海洋生物声学是一门具有广阔前景的边缘学科，受到国内外有关学者广泛的重视。

研究方法海洋生物声学主要研究方法有回声探测、被动探测、水声通讯、水声遥测和水声遥控等。

回声探测利用一组换能器发射声信号，通过另一组换能器接收从目标反射的回声信号，再由处理后的信号判断目标的参数和性质。

回声测深仪它向海底发射一束较窄的声脉冲，测量此信号由海底反射并回到水听器的时间，在声速已知的条件下，就可测出船只所在处的水深。现代大功率的测深仪，能够描绘出最深洋底的形状。多波束式或多振子的测深仪，可同时获得多个水深点的数据，并往往采用数字显示，和计算机联用而自动绘制海底地形图。

多普勒导航仪（多普勒声呐）根据多普勒效应，若船只和海底有相对运动，回波信号就会产生频移。同时测量 4个波束中由于船只对海底相对运动而出现的频移，经信号处理后，就可精确地测出船只对海底的运动速度，并画出航迹来。多普勒声呐也是一种引导大型船只靠岸的有效工具。

鱼探仪由它获得的鱼群回波，可大致判断出鱼群的位置、范围和密集程度。通常使用的垂直鱼探仪，可以探测底层的鱼类；水平鱼探仪则以探测上层和中层的鱼类为主。采用电子扫描等先进技术之后，探测的范围就大得多。

侧扫描声纳（海底地貌仪）用以调查海底地质地貌的水声设备，种类很多，这是其中的一种。在船的两侧安装垂直方向角较宽而水平方向角很窄的一组换能器，记录海底的散射回波，就可获得离两侧船舷一定距离内精细的海底地貌声图。为了适应深水探测的需要，也可把换能器置于拖曳体中。此仪器还可用于海底油管的铺设检查和沉埋物的搜索等水下工程中。浅地层剖面仪使用低频声信号，可以穿透地层，从其回波的分析获得底质的结构资料，故广泛应用于水下工程的地质勘探。地震探测系统使用大功率低频声源、多道接收拖曳电缆和多道数据处理记录系统，可以取得深层地质结构的资料，用于海底石油及其他矿物的勘探等。爆炸声源发出的大功率低频声波，可以穿透到很深的底层。若在离爆炸源较远的海上放置一系列水听器，就可以接收到由不同地层传来的折射波，为海底地质结构、水下石油资源等提供有价值的数据。

在海洋水文观测中，已越来越多地应用水声测量仪器。如果把回声探测仪作相应的修改，安放于海底，使它向海面发射声脉冲，就可以测量波高和周期等，并从波高平均值的变化，获得潮位的变化规律。若把换能器安装于船舷外侧，也可测出波浪的要素。利用随海流运动的散射体的回波会出现多普勒频移的特性，可制成多普勒海流计，它可以不破坏流场而测量瞬时的低速海流。根据声波通过固定距离的传输时间和声速成比例的关系，可制成声速计，它能实时地测量海水的声速。在海洋水文调查中广泛应用水声仪器设备，是一项重大的技术改进。

被动探测它探测水中传来的声信息，由此判断发声体的位置和特性。其所测听的声源可分为自然声源和人为声源两类。

自然声源不少海洋中的动物，能够发声（见海洋生物发声）。故可利用被动探测系统监视鱼群的回游特性，并根据鱼类声音的特性来判断鱼群的种类，为海洋捕捞提供有价值的数据。深海水下的水听器系统，还能准确地测出水下地震、水下火山爆发的位置和估计其强度等。

人为声源鱼类对声音很敏感，并有好恶之分。故可以发出它们喜欢的声音加以诱集，发出它们不喜欢听的声音加以驱逐。根据这原理制成的声诱鱼器和驱鱼器，已开始应用于海洋捕捞中。根据不同目的，分别采用连续的、脉冲的或其他调制方式的信号源，将一种小型的声信标缚于鱼体或纳入其胃中，用被动声呐跟踪，很适合于海洋生物习性的现场研究。跟踪放于海底的小型发声体，能够了解海底石砾等的移动状态，一种船只和飞机遇险的声信标，在船只和飞机沉没于水下的一定期间内，能发出声信号以指示它的位置。利用带有声信标的中性浮标，可以测量深层的海流，如赤道深层流等。1

水声通讯利用声波在水下传递信息。通讯的双方在水下都设置有发射器和接收器。这种通讯有两种方式：①载波语言调制声波或直接辐射语言声波。后者用于距离较近的潜水员间的通信。②数字编码是水声设备中常作为指令和控制的通讯方式。目前广泛使用的水声应答器便是数字编码通讯的典型设备，它按事先安排好的程序，自行完成各应答器和主机间的通讯。水声应答器可用于水下载体的导航和跟踪，帮助钻探船和平台准确寻找井口位置，监视水下的施工，传递水下遥测系统各水文参数讯号等。

水声遥测系统 把所要测量的水下环境参数变换成水声信息之后，传到处理船只或岸站来，经过水声接收机处理，重新转换成相应的环境参数信息。

海洋水文参数的水声遥测仪它以声传输代替了操作麻烦的电缆。可以把此仪器和遥测浮标系统结合起来，由一系列的水下浮标把测量的参数通过水声信道传输到母浮标，再由母浮标把它转换成无线电信号而传到调查船或岸站来，这种遥测方式具有实时、大面积、快速和连续测量等优点。

网位仪水下部件缚于拖网的网口上，把获得的信息变成水声信号发射到船上来，从而监测鱼网的高度、开口的状态、拖绳的拉力、鱼群入网和分布的状态及遥测网口周围的水温等，这对提高鱼获量很有帮助。

水声遥控系统 包括船上声指令发射机、水下声指令接收机和相应的控制机构。例如，利用水声释放器按水声释放指令把水下浮筒放掉，使其浮出水面，以便船只跟踪回收。这种遥控技术，广泛应用于海洋调查、水下工程、石油钻探和地震测量等方面，对水下油井的流量、防喷器架、输油管道的阀门和水下爆炸等，都可采用水下遥控方式。各种海洋自动机，如无人深潜器、海底自走车的行动及机械手的动作，也可采用水声遥控。

总之，水声技术已广泛应用于海洋研究和海洋开发的各个方面，但因海水介质是一种复杂多变和多途径的声信道，水声干扰又很强烈，如上水声信息的检测仍存在一系列困难，使水声仪器的可靠性、分辨率等性能的提高受到一定的限制。为此，今后必须加强水声传输规律等基础理论的研究，注意探索新技术在水声方面应用的可能性。2

应用举例声学技术可以帮助估算海洋生物种群的丰度鱼群沿着Cabo Pulmo国家公园岩礁游动。

本月15日，美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所的研究人员在《科学报告》杂志发表论文。在这项研究中，他们首次使用水声学比较了海洋保护区内外鱼类的丰度。

他们发现，墨西哥的Cabo Pulmo国家公园鱼类的丰度为公园外区域的四倍。该研究的作者说，水声学带来了一个新的、更具成本效益的方法来评估鱼类种群。

“许多国家的管理人员和管理部门花了大量的财政资源用于评估海洋保护区。”海洋生态学家Octavio Aburto说道，“这项研究结果表明，可以利用声波技术得到海洋保护区内海洋资源的信息，并且更方便、更便宜，进而降低政府在海洋养护方面的费用。”

研究人员利用安装在船上的水声设备产生的声波调查了Cabo Pulmo国家公园海域的鱼和其他海洋生物，并同时调查了保护区域之外的海域。结果显示，保护区域中的鱼群密度、总生物量和生物个体的大小都明显比保护区域外的大。位于保护区海域里的珊瑚礁中的动物丰度是其他区域的50倍。作者们认为这“凸显了生境复杂性和保护鱼类种群的重要性。”

“水声学和海洋保护区都是比较成熟的课题，但是使用前者来评估后者的做法是创新性的。”第一作者Jack Egerton说道，“这让我们意识到Cabo Pulmo国家公园对该地区的鱼类种群的保护有多么重要。”

虽然水声调查比水下视觉普查快得多，但是只能得到近似的鱼个体大小的信息。而传统的调查方法往往费用较高，并且会受到一定的条件限制，如潜水深度和水的清澈度，所以研究人员认为，水声学的方法对于节约海洋保护区的成本来说是有效的。3