海阳圣雪

:海洋声学

研究声波在海洋中的传播规律，利用声波探索海洋科学。它是海洋学和声学的边缘学科。

海洋声学的基本内容包括三个方面：

(1)声音在海洋中的传播规律及海洋条件对声音传播的影响，主要包括不同水文条件和泥沙条件下声波的传播规律、海底对声波传播的影响、海水对声波的吸收、声波的波动、散射和海洋噪声等。

(2)利用声波探测海洋。

(三)海声技术与仪器。

声波在海洋中可以传播很远的距离，但在传播过程中，海水的温度分布和盐度分布(参见海水盐度)，海面和海底的条件，海水的运动，以及海洋中所含的各种异质体，如气泡和生物，都可以产生很大的影响(参见海洋中的声速)。

由于太阳加热和风搅拌的影响，海水温度的垂直分布一般呈分层状(参见海洋分层)。以海洋为例，从表层往下可依次分为表层混合层(参见海洋混合层)、季节性温跃层、主温跃层和深水等温线。结合压力的影响，海洋中的声速呈垂直分布(图1)。从最低声速处发出的声波受到上下声速差的折射，描述声波路径的声线总是向最低声速处弯曲。大部分声波在海水中通过这种往复的弯曲折射，而不是与海面和海底接触，所以能量损失很小，这种现象称为声通道现象。最低声速称为声道轴线(参见海洋声道)。低频声波可以在声道中传播很远。例如，1公斤TNT的爆炸可以在声道中传播超过1万公里。因此，声道的这一特性可以用来传送失事飞机和船舶的遇险信号，也可以用来监测水下地震、火山爆发和海啸。在声道中，如果声源与接收机不在声道轴线附近，而是靠近海面，接收机离开声源，沿水平方向移动，每隔一定距离就会出现一个声强较高的区域，称为辐合区。它是声道中声源辐射的许多相邻声线在海面以下逆温点相交的包络区域(图2)。海洋中的声辐合区大约每30 ~ 40海里出现一次，其强度逐渐减弱。

风浪的搅动使地表水形成等温层。静压使声速随着深度的增加而略有增加。在等温层中，声源发出的声线总是向上弯曲，从海面反射后向前传播。它们也可以传播到遥远的地方，这被称为表面声通道(图3)。

当表层海水无风浪暴露在阳光下时，上层的温度和声速往往高于下层，导致声速垂直分布呈负梯度。在这种情况下，声波的曲线总是向下弯曲，产生声能无法到达的阴影区域。从图3可以看出，声波几乎没有到达地表。此外，如果海水较浅，声音线会触底。由于海底反射损失大，声能衰减大，所以不能传播很远。

海底对声波的传播有很大的影响。浅海声传播的重要因素是海底的反射功率。这是因为海底沉积物的密度和声速通常随着深度的增加而增加。泥沙的声速和吸声系数与泥沙的粒径和孔隙率有关。沉积物对声音的吸收也随着声波频率的增加而增加。声波在海底的反射损失与海底物质的密度、声速和声波入射角有关。一般来说，海底密度越大，声速越高，反射损失越小；声波频率越高，海底反射损失越大(见海底声学特性)(图4)。

声波在海水中的吸收、散射和反射声波在海水中传播时，由于介质的热传导和黏性，部分声能被吸收转化为热能。在声波作用下，水分子结构由相对松散变为相对紧密的松弛过程，增加了海水的吸声量。海水中硫酸镁离子的弛豫过程对几千赫兹到几十万赫兹的声波有很大的吸收作用。硼酸盐分子的弛豫过程对1 KHZ附近低频声波的吸收起决定性作用。对于低频声波，衰减是由于湍流引起的声散射(见海水的声吸收)。

海水对声波在传播过程中的衰减作用可以用声衰减系数(分贝/公里)来表示。常用的公式为：

(1)马什-舒尔金公式(1962)

在那里，一个=2.349;B=3.3810 - 6;T为温度(on);f为声波频率(KHZ);S为盐度；P为静压(大气压);fT为随温度变化的弛豫频率(KHZ)

(2)索普公式(1967)

在公式中，的单位是分贝每公里(一码等于91.44厘米)，f的单位是千赫。

气泡、海洋生物和海洋中的悬浮物都会散射和反射声波。散射或反射系数与物体的大小、介质和结构有关。不同的物体有不同的散射频率响应。深海中有由生物体组成的散射器，它们能强烈地散射声波。它们遍布海洋，通常分布在不同深度的海洋层中，其深度随昼夜和季节而变化，反映了生物的趋光性。凹凸不平的底部材料也增加了声波的散射。

当声波从起伏不定的海面反弹，或者穿过温度微观不均匀的水团时，它们的信号强度和相位都会波动。海洋中的波浪对声音的传播有很大的影响，造成声波的缓慢波动。

海洋中的噪音(参见海洋中的环境噪音)是由海浪、海面上的涡流、海洋生物的发声、水下火山爆发或地震、海水分子的热运动和船舶交通引起的。这对声纳有很强的干扰。

利用海洋水文要素对声传播的影响来推导海洋的特性是海洋声学中的一个重要课题。海水的温度、盐度、压力和流速都会影响声音在海水中的传播速度。当声波在洋流中传播时，向上流动的声速会增加，反之亦然。利用这一现象，在两点之间发出相对声信号，测量声波到达的时间差，从而得到海水的流速。这种在几个点之间的测量可以监测海洋中尺度涡旋等现象，这是一种重要的声遥测方法，称为海洋声层析成像。通过使用声学技术(参见海洋声学技术)观察这种散射体的运动，可以了解海洋的运动。使用这种方法，还可以观察内波的模式，了解沉积物的运输，并测量海水的速度。此外，利用声波波动规律研究内波谱法也受到了重视。根据深海散射层的散射频率响应，对深海生物区系进行了划分，结果与一般的区系划分结果一致。鱼类对声波的散射和反射可以用来探测鱼群和了解鱼类种群的分布。

500 ~ 5000hz波浪产生的噪声与海面的风量和海况有关。利用该频率噪声，可以监测海面的风势和海况。利用海啸产生的水下噪声可以预测海啸。海洋生物发出的声音与它们的种类和生存条件有关。通过这种声音的特征来区分物种，有助于了解其生活规律，并为渔业资源的研究提供信息。此外，也有可能利用声学信号来控制海洋生物的活动，以满足人类的需要(见海洋生物发声)。

声学技术是海洋开发中唯一有效的海底探测手段。广泛使用的地震仪就是声学技术的一个例子。海底界面的不均匀、基片内部颗粒大小的变化、分层和水平方向的不均匀影响声波的散射和反射。利用高频窄横波束扫描声呐，利用声波在凸部的强散射和凹部的声影区形成地貌声图。

海底沉积物一般是分层的。由于每一层的声学特性不同，声学方法可以用来确定海底沉积物的分层和每一层的声速。常用的方法有折射法和反射法。对于浅层沉积层，也可用浅层剖面仪进行测量。利用声波遥感技术对海底沉积物进行分类已得到迅速发展。

海洋测量与开发中的声学技术包括测量技术、信息传输技术和控制技术。结合最新的微电子、微型计算机和能量交换技术，广泛应用于水文、地质、地貌、生物等领域的测量，并应用于水下定位、导航、通信、遥控、遥测等方面，在海洋调查和海洋开发中发挥着重要作用。

1826年，瑞士物理学家J.D. Coladon和法国数学家J.C.F. Sturme通过测量日内瓦湖水中声音的传播速度，开始了现代水声学的研究。1911年进行了第一次水下回声探测实验，使用炸药罐作为声源，并在海底记录了回声。1912年，美国科学家费森登(R.A. Fessenden)设计制造了一种新型动圈式换能器，这是世界上第一台水下发射和回波探测设备。

在第一次世界大战中，声纳被用于潜艇战，这发展了声波在海洋中传播的理论。声纳在不同海域、不同季节、不同昼夜使用时，发现声纳的工作距离与海洋水文要素、波浪、海流、内波、海底地质地貌、海洋环境噪声、海洋浮游生物等密切相关。因此，在20世纪50年代以后，逐渐形成了一门新的科学分支——海洋声学，通过对声波的研究来研究声波在海洋中的传播规律，探索海洋。

此后，声波被广泛应用于海底沉积物和地层结构、海底地形、海水流动、海水温度和速度非均质性、鱼群、深海散射层、冰山和沉船、海面波浪和水下内波等海中各种物体的探测，并可用于台风海啸等自然灾害的预报。它还用于水下导航、定位、信号和遥控。声学技术的广泛应用，需要更深入地研究声波在海洋中的传播规律，以及海洋中的温度、盐度、风浪、洋流、内波、潜艇类型、悬浮物等对声波传播的影响，从而更好地获取和识别声信号。关于声波在深海中的传播规律有系统的理论，但由于海底和水文条件的多变性，在浅海的传播规律计算比较困难。电子计算技术应用后，一些较为复杂的浅海传播问题得到了初步解决。除了调查船外，还使用了大量的浮标和固定岸站来完成大规模的海洋声学实验。有些实验过于昂贵，往往需要由几个国家联合进行。利用计算机从声波在发射到接收过程中波形的变化推导出声音在海洋中的传播规律，进而判断海洋介质的状态，将是目前海洋声学研究的一个新方向。此外，现代微电子、微型计算机、信号处理技术和能量交换技术的发展对海洋声学的发展也产生了重要的影响。

C.S. lay, H.Meledwin，声学海洋学，John Wiley Sons，纽约，1977。