海洋声学——深蓝之下的律动

出品：科普中国

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.