海洋聲學

海洋聲學的基本內容包括三方面：

①聲在海洋中的傳播規律和海洋條件對聲傳播的影響，主要包括不同水文條件和底質條件下的聲波傳播規律，海底對聲波傳播的影響，海水對聲的吸收，聲波的起伏，散射和海洋雜訊等問題。

②利用聲波探測海洋。

③海洋聲學技術和儀器。

海洋中聲的傳播和聲速的分佈　聲波能在海洋中遠距離傳播，但在傳播的過程中，海水的溫度分佈和鹽度分佈（見海水鹽度）、海面和海底的狀況、海水的運動、海中包含的各種不均勻體如氣泡和生物等，都能產生很大的影響（見海洋中的聲速）。

海水由於受太陽輻射加熱和風力攪拌等的影響，其溫度的垂直分佈一般呈分層結構（見海洋層結）。就大洋來說，由海面向下，可依次分為表面混合層（見海洋混合）、季節躍層、主躍層和深水等溫層。加上壓力的影響，使海洋中的聲速呈垂直分佈(圖1)。從聲速最低的地方發射的聲波，由於上下層的聲速不同而發生折射，描寫聲波傳播途徑的聲線，總是彎向聲速最低的地方。大部分聲波在海水中經過這樣的往複彎曲折射，而不與海面和海底接觸，故能量損失很小，這種現象稱為聲道現象。聲速最低的地方稱為聲道軸（見大洋聲道）。

低頻聲波在聲道中能傳播到很遠的地方，例如1千克TNT炸藥的爆炸聲，能在聲道中傳播達1萬公里以上，故可以利用聲道的這種特性傳送失事的飛機和船隻的呼救信號，監測水下的地震、火山爆發和海嘯等。在聲道中，若聲源和接收器不在聲道軸附近，而距海面較近時，接收器離開聲源沿水平方向移動，每隔一定距離便出現聲強較高的區域，稱會聚區。它是聲道中自聲源輻射出的許多相鄰聲線在海面下反轉點相交的包絡區（圖2）。大洋中的聲能會聚區大致每隔30～40海里出現一次，其強度逐次減弱。

風浪的攪拌，使表層海水形成等溫層。其中的靜壓力，使聲速隨深度的增加而略有增加。等溫層內自聲源出發的聲線總是彎曲向上，經海面反射而向前傳播，也可以傳播到較遠的地方，稱為表面聲道（圖3）。

在無風浪攪拌的條件下，表層海水經日光照曬，往往出現上層的溫度和聲速都比下層高的情況，使聲速呈負梯度的垂直分佈。在這種情況下，聲波傳播的曲線，總是彎曲向下，在聲能達不到的地方產生聲影區。由圖3可見聲波幾乎傳不到表層。另外，如果海比較淺，則聲線會碰到海底。由於海底的反射損失大，聲能衰減很大，因此不能傳播得很遠。

海底對聲波傳播的影響很大。聲在淺海中的傳播特徵的重要因素是海底的反射本領。因為海底沉積物的密度和聲速一般都隨深度而增加的緣故。沉積物中的聲速和聲吸收係數，與其顆粒度和孔隙率有關。沉積物對聲的吸收，還隨聲波頻率的增加而增加。海底對聲波的反射損失，與海底物質的密度、聲速和聲波的入射角有關。一般說來，海底的密度愈大，聲速愈高，反射損失愈小；聲波頻率愈高，海底的反射損失愈大(見海底聲學特性)（圖4）。海水對聲的吸收、散射和反射 聲波在海水中傳播時，由於介質的熱傳導和粘滯性，使部分聲能被吸收而轉化為熱能。在聲波作用下，水分子的結構有從比較鬆散變得比較緊密的弛豫過程，使海水對聲的吸收量增加。海水中硫酸鎂的離子的弛豫過程，對幾千赫到幾十萬赫的聲波有很大的吸收作用。硼酸鹽分子的弛豫過程，對1 千赫附近的低頻聲波的吸收有決定性的作用。對頻率更低的聲波而言，其聲能的衰減是由於湍流引起的聲散射所造成的（見海水聲吸收）。

海水使聲波在傳播過程中衰減的效應，可用聲衰減係數β（分貝/千米）來表示，常用的公式有：

① 馬什-舒爾金公式(1962)式中；；T為溫度（開）;f為聲波頻率（千赫）；S為鹽度；p是靜壓力（大氣壓）；fT為與溫度有關的弛豫頻率（千赫）

② 索普公式(1967)

海洋聲學

式中β的單位為分貝/千碼（1碼等於91.44厘米），f的單位為千赫。

海中的氣泡、海洋生物和懸浮體，都會散射和反射聲波。散射或反射係數與物體的大小、介質和結構有關。不同的物體有不同的散射頻率響應。海中存在由生物體構成的、能強烈散射聲波的深海散射層，它們遍布各大洋，往往分成幾層，其深度隨晝夜和季節不同而變化，這反映了生物的趨光性。海底底質的不均勻和不平整，也會增加聲波的散射。

聲波受波動海面的反射，或者穿過溫度呈微觀不均勻的水團時，其信號強度和相位都會發生起伏。海洋內波對聲的傳播影響很大，會引起聲波大幅度的緩慢起伏。

海洋雜訊 由於海面波浪、渦流、海洋生物發聲，水下火山爆發或地震，海水分子的熱運動和航船來往等原因，使海洋中存在雜訊（見海洋環境雜訊）。它是聲吶的一種強幹擾。

利用聲波探測海洋 利用海洋水文要素對聲傳播的影響，可以反推海洋的特性，這是海洋聲學的重要課題。海水中的溫度、鹽度、壓力和流速，都影響著海水中的聲速。聲波在海流中傳播時，順流則聲速增加，逆流則反之。利用這種現象，在兩定點之間相對發出聲信號，測量聲波到達的時間差，就可以求得海水的流速。在若干點之間進行這種測量，可以監視海洋中的中尺度渦等現象，這是聲學遙測的重要方法，稱為海洋聲學層析術。水中的懸浮體，隨著水流而運動，故應用聲學技術觀察這種散射體的運動，就可以了解海水的運動情況（見海洋聲學技術）。利用這種方法，還可以觀察內波的規律，了解沉積物的搬運情況，也可以測量海水的流速。此外，利用聲波起伏規律來研究內波譜的方法，已很受重視；利用深海散射層的散射頻率響應，可以進行深海生物的區系劃分，其結果和一般的區系劃分一致；利用魚類對聲波的散射和反射，可以探測魚群和了解魚類資源的分佈。

由波浪產生的 500～5000赫的雜訊，與海面的風級和海況有關。利用此頻率的雜訊，可以監測海面的風級和海況。利用海嘯產生的水下雜訊，可以預報海嘯。海洋生物發出的聲音，與其種類和生活狀態有關。監聽這種聲音的特徵以區分生物的種類，可以掌握其生活規律，為研究漁業資源提供信息。此外，有可能利用聲信號控制海洋生物的活動，以滿足人類的需要（見海洋生物發聲）。

海底聲學勘探 在海洋開發中，聲技術是勘探海底唯一有效的手段，廣泛應用的地震勘探儀便是聲技術應用的一例。海底的界面不平整，底質內部的顆粒大小不一，以及分層和水平方向的不均勻性，都影響著聲波的散射和反射。使用高頻窄水平波束的測掃聲吶，可以得出海底凸出部分對聲波的強烈散射和凹下部分的聲陰影區所構成的地貌聲圖。

海底沉積物一般都是分層的。因各層的聲學特性不同，故可以利用聲學方法測定海底沉積物的分層情況和各層中的聲速。常用的方法有折射法和反射法，對於較淺的沉積層，也可以用淺地層剖面儀進行測量。利用聲學遙感技術對海底的底質進行分類的工作，已得到迅速發展。

海洋調查和開發中的聲學技術 包括測量技術、信息傳遞和控制技術。它與最新的微電子學、微計算機和換能技術結合，廣泛用於水文、地質、地貌和生物等領域的測量，並用於水下定位、導航、通信、遙控、遙測等各方面，在海洋調查和海洋開發中起著重要的作用。

1826年，瑞士物理學家J.D.科拉東和法國數學家J.C.F.斯圖謨在日內瓦湖測量聲在水中傳播的速度，開始了現代水聲學的研究。1911年，有人用炸藥筒作聲源，進行了最初的水下回聲測探實驗，並記錄到海底的回聲。1912年，美國科學家R.A.費森登設計並製造的一種新型動圈換能器，是第一台水下發信和回聲測探設備。

第一次世界大戰中，由於潛艇在水下作戰的需要而研製出聲吶，從而發展了聲波在海洋中傳播的理論。在不同海區、不同季節和晝夜使用聲吶時，發現聲吶的作用距離與海洋水文要素、波浪、海流、內波、海底地質地貌、海洋環境雜訊和海中浮游生物等有密切關係。因此，50年代以後，逐漸形成了研究聲波在海洋中傳播的規律和利用聲波的研究探測海洋的新的學科分支──海洋聲學。

從此之後，聲波廣泛應用於探測海底沉積物和地層結構，海底的地形地貌，海水的流動，海水的溫度和流速的不均勻性，海水中各種物體如魚群、深海散射層、冰山和沉船，海面的波浪和水下的內波等，並可用於颱風和海嘯等自然災害的預報。此外，它還用於水下導航、定位、信號傳遞和遙控等技術中。聲學技術的廣泛應用，需要更深入地研究聲波在海中的傳播規律，研究溫度、鹽度、風浪、海流、內波、海底類型和海中懸浮物等因素對聲波傳播的影響，以便更好地獲取和識別聲信號。聲波在深海中的傳播規律，已有系統的理論，但在淺海中傳播時，由於海底和水文條件的多變性，理論計算很困難，應用了電子計算技術之後，一些相當複雜的淺海傳播問題，已得到初步解決。海洋聲學的實驗規模較大，除依靠調查船外，已大量採用浮標和固定岸站來完成，有些實驗因耗資過大，往往需要幾個國家聯合進行。當前利用電子計算機，把從發射到接收聲波的過程中的波形的變化，反推聲在海中傳播的規律，進而判斷海洋媒質的狀態，將是海洋聲學研究的一個新方向。此外，現代的微電子學、微計算機、信號處理技術和換能技術等的發展，都對海洋聲學的發展有重要的影響。

1，C.S.Clay，H.Medwin，AcousticalOceanography，John Wiley & Sons，New York，1977.

2，http://www.ikepu.com/geography/ocean/branch/marine_acoustics.htm

3，http://100k.ccut.edu.cn/read.php?tid=9522