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第3章 海洋声学技术 聆听海底的秘密（第1页）

海洋，这片广袤无垠的蓝色世界，隐藏着无数的奥秘。从深邃的海沟到广袤的海底平原，从生机勃勃的浅海珊瑚礁到暗流涌动的深海区域，海洋的每一处角落都充满了未知。在探索海洋的征程中，海洋声学技术宛如一把独特的钥匙，帮助我们穿透海水的重重屏障，“聆听”海底传来的各种信息，揭开海洋深处的神秘面纱。它利用声波在海水中的传播特性，为我们提供了一种非接触式、大范围且高效的海洋探测手段，在海洋科学研究、资源勘探、国防安全等众多领域发挥着举足轻重的作用。

##海洋声学基础

###声波在海水中的传播特性

声波是一种机械波，在海水中的传播与在空气中有显着不同。海水具有一定的弹性和粘性，这使得声波在其中传播时呈现出独特的特性。首先，声波在海水中的传播速度较快，大约为1500米秒，远高于在空气中的传播速度（约340米秒）。这一特性使得海洋声学探测能够在相对较短的时间内覆盖较大的范围。

其次，海水的温度、盐度和压力是影响声波传播速度的关键因素。一般来说，温度越高、盐度越大、压力越大，声波传播速度越快。这种复杂的关系导致声波在海水中传播时会发生折射、反射和散射等现象。例如，由于海水温度随深度变化，声波在传播过程中会发生弯曲，形成所谓的“声道”效应。在声道中，声波能量能够在一定深度范围内被限制传播，从而实现远距离传输。

此外，声波在海水中传播时会逐渐衰减。衰减的原因主要包括吸收、散射和几何扩展。吸收是由于海水的粘滞性和热传导等因素，使声波能量转化为热能而损耗；散射则是因为海水中存在的各种不均匀体，如浮游生物、气泡、颗粒物质等，使声波向不同方向散射；几何扩展是指随着声波传播距离的增加，其能量在更大的空间范围内分布，导致强度减弱。

###海洋中的声学环境噪声

海洋并非寂静无声，而是充满了各种各样的声音，这些声音构成了海洋的声学环境噪声。海洋声学环境噪声来源广泛，主要包括自然声源和人为声源。

自然声源产生的噪声是海洋声学环境的重要组成部分。例如，海浪破碎、风雨交加、地震活动、海洋生物发声等都会产生噪声。海浪破碎时会产生高频噪声，其强度与海浪的大小和风速密切相关；风雨天气中，雨滴撞击海面以及风与海面的相互作用也会产生噪声；地震活动会引发强烈的低频声波，能够在海洋中传播很远的距离；而众多海洋生物，如鲸鱼、海豚、鱼类等，会发出各种独特的声音用于交流、觅食和导航，这些声音频率范围广泛，从几十赫兹到数十千赫兹不等。

人为声源产生的噪声近年来逐渐成为影响海洋声学环境的重要因素。海上交通、石油和天然气勘探、海洋工程建设等人类活动都会产生大量的噪声。船舶航行时，发动机、螺旋桨转动等会产生持续的噪声，其频率范围较宽，对海洋生物的声学通讯和行为可能产生干扰；石油和天然气勘探中使用的气枪阵列会产生高强度的脉冲噪声，对周边海洋生态系统造成潜在威胁；海洋工程建设中的打桩、爆破等作业也会产生强烈的噪声，影响海洋生物的生存和繁衍。

了解海洋中的声学环境噪声对于海洋声学技术的应用至关重要。一方面，噪声会对声学探测信号产生干扰，降低探测系统的性能；另一方面，通过研究海洋声学环境噪声的特性，可以更好地理解海洋生态系统的变化以及人类活动对海洋的影响。

##海洋声学技术的主要类型

###声呐技术

声呐（SONAR，SoundNavigationAndRanging）是海洋声学技术中最为核心和广泛应用的技术之一。它通过向海水中发射声波，并接收目标反射回来的回波，来探测海洋中的目标物体及其位置、形状、大小等信息。根据工作方式的不同，声呐可分为主动声呐和被动声呐。

主动声呐主动发射声波信号，当声波遇到目标物体时，部分声波会被反射回来，被声呐接收。通过测量发射和接收信号之间的时间差、相位差等参数，并结合声波在海水中的传播速度，就可以计算出目标的距离、方位等信息。主动声呐具有探测距离远、精度高的优点，广泛应用于水下目标探测、海底地形测绘、海洋资源勘探等领域。例如，在海底地形测绘中，安装在船舶底部的多波束声呐可以同时向多个方向发射声波，接收来自海底不同位置的反射回波，从而快速、精确地绘制出海底地形地貌图。

被动声呐则不主动发射声波，而是通过接收目标物体自身发出的声音来探测目标。许多海洋生物和水下航行器等都会发出特定频率的声音，被动声呐可以捕捉这些声音信号，并通过分析其特征来确定目标的类型、位置和运动状态等。被动声呐具有隐蔽性好的优点，常用于军事反潜作战以及海洋生物声学研究等领域。例如，在军事应用中，被动声呐可以监听敌方潜艇发出的噪声，实现对潜艇的探测和跟踪；在海洋生物研究中，通过被动声呐监测鲸鱼等海洋生物的发声，可以了解它们的行为模式和迁徙规律。

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###海洋声学层析技术

海洋声学层析技术是一种利用声波在海水中传播时受到海水温度、盐度和流速等因素影响的特性，来反演海洋环境参数的技术。该技术通过在海洋中布置多个声源和接收器，形成一个声学观测网络。声源发射的声波在海水中传播，其传播路径和传播时间会受到海水物理性质的影响而发生变化。接收器接收到这些声波后，通过分析声波的传播时间、相位等信息，并结合数学模型进行反演计算，就可以得到海水温度、盐度、流速等参数在一定空间范围内的分布情况。

海洋声学层析技术具有大面积、高分辨率监测海洋环境的优势。与传统的单点测量方法相比，它能够提供更全面、更详细的海洋环境信息。例如，在研究海洋环流时，通过海洋声学层析技术可以获取海洋中不同深度和位置的流速信息，从而深入了解海洋环流的结构和变化规律，这对于研究全球气候变化、海洋生态系统演变等具有重要意义。

###海洋地震勘探技术

海洋地震勘探技术是利用人工激发的地震波在海底地层中的传播和反射特性，来探测海底地质构造和寻找潜在油气资源的技术。在海洋地震勘探中，通常使用气枪等震源在海面上激发地震波，地震波向下传播到海底地层，当遇到不同性质的地层界面时，部分地震波会发生反射，反射波被布置在海洋中的检波器接收。

通过分析地震波的反射时间、振幅、频率等特征，并结合地质模型进行处理和解释，可以推断出海底地层的结构、厚度以及岩石性质等信息。海洋地震勘探技术在海洋油气资源勘探中发挥着至关重要的作用，它能够帮助确定潜在的油气储层位置，为后续的钻井勘探和开发提供重要依据。随着技术的不断发展，海洋地震勘探技术的分辨率和精度不断提高，能够探测到更深层次和更细微的地质结构变化。

##海洋声学技术在海洋研究中的应用

###海洋地形地貌探测

准确了解海洋地形地貌对于海洋科学研究、海洋资源开发和海洋工程建设等都具有重要意义。海洋声学技术为海洋地形地貌探测提供了高效、精确的手段。

多波束声呐是目前海洋地形地貌探测中应用最为广泛的技术之一。它通过在船舶底部安装多个换能器，同时向不同方向发射和接收声波，能够在短时间内获取大面积的海底地形数据。多波束声呐可以提供高分辨率的海底地形图，清晰地显示出海底山脉、海沟、海盆等各种地形地貌特征。这些数据对于研究地球板块运动、海底地质演化等具有重要价值。

此外，侧扫声呐也是一种常用的海洋地形地貌探测工具。它通过向船舶两侧发射扇形波束，接收海底反射回波，能够获取海底的二维图像，直观地展示海底的地形起伏和地貌特征。侧扫声呐在海底障碍物探测、海底管线检测以及海洋考古等领域有着广泛的应用。例如，在海洋考古中，侧扫声呐可以发现海底的沉船遗迹、古代建筑等，为考古研究提供重要线索。

###海洋生态系统研究

海洋声学技术在海洋生态系统研究中发挥着独特的作用，为我们了解海洋生物的行为、分布和生态环境提供了新的视角。

被动声学监测是研究海洋生物的重要方法之一。许多海洋生物，特别是鲸类、海豚等哺乳动物，会通过发出声音进行交流、觅食和导航。通过在海洋中布置被动声学监测设备，如水下麦克风阵列，可以长期、连续地监测这些生物的发声情况。分析这些声音的特征，如频率、时长、模式等，可以识别不同种类的海洋生物，了解它们的活动规律、迁徙路线以及种群数量变化等信息。

此外，声学遥测技术可以用于跟踪海洋生物的运动轨迹。通过给海洋生物佩戴声学标签，标签会定期发射特定频率的声波信号，在海洋中布置的接收器可以接收这些信号，从而实时监测生物的位置和运动状态。这种技术可以帮助我们深入了解海洋生物的生态习性，为海洋生物保护和管理提供科学依据。

在研究海洋生态系统的结构和功能方面，海洋声学技术也能发挥重要作用。例如，通过测量海洋中不同区域的声学散射特性，可以了解海洋生物的分布密度和群落结构。声学散射主要是由海洋中的生物和非生物颗粒引起的，通过分析声学散射信号的强度和频率分布，可以推断出海洋生物的种类组成和数量变化，进而评估海洋生态系统的健康状况。

###海洋环境监测

海洋声学技术在海洋环境监测方面具有重要应用价值，能够实时、大范围地监测海洋环境参数的变化。

如前文所述，海洋声学层析技术可以通过监测声波在海水中的传播特性，反演海水温度、盐度和流速等参数的分布情况。这种技术可以用于监测海洋热结构的变化，了解海洋热量的储存和传输过程，对于研究全球气候变化具有重要意义。

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