海底下的“聲像”傳播

有如

如果我們不小心把一個(gè)東西掉到水池里，通過視覺，我們就可以輕而易舉地把它撈出來，但如果是深不可測的大海呢？在一望無際的海洋里，就算是世界最大的輪船，亦或是世界最大的飛機(jī)，都會(huì)像一粒沙土一般渺小。

說到這里，大家一定有疑問，那么在以往的眾多海難、空難的搜救中，救援隊(duì)是怎樣在茫茫無際又深不可測的海洋里，找到一個(gè)沙粒般的搜尋目標(biāo)呢？這就是我們今天要討論的重點(diǎn)，通過聲吶來給海底下的物體進(jìn)行圖像繪制。

泰坦尼克的“重新面世”

1912年4月15號，一場震驚世界的大慘案發(fā)生了，號稱“不沉之船”的當(dāng)時(shí)世界上最大的豪華郵輪“泰坦尼克號”，在其處女航中與冰山相撞，在距紐芬蘭368海里的地方沉入深不可測的海底。

在當(dāng)時(shí)，無數(shù)搜尋泰坦尼克號的提議被提出，然而由于技術(shù)限制，根本無法看清黑洞洞的海底，所以巨輪的具體沉沒位置一直未能確定，搜索都以失敗而告終。

揭開這個(gè)謎底是在多年后，一項(xiàng)全新的聲吶設(shè)備被發(fā)明出來。這個(gè)設(shè)備是一個(gè)搭載了聲吶的遙控深潛器。潛水器能夠探測到兩側(cè)200米范圍內(nèi)的地形地貌，然后將信號傳回到水面上的控制室，使得研究人員可以即時(shí)轉(zhuǎn)換成水底的圖像。

科研人員就是這樣采用聲吶成像的技術(shù)設(shè)備，精確地繪制出沉船疑似海域的海底地形和水下物體的詳細(xì)三維圖像，一寸寸地掃描，就這樣一步步地找到了這個(gè)沉睡在海底百年的“龐然大物”。

聲吶技術(shù)與聲波

泰坦尼克號搜索使用的聲吶技術(shù)，是一種利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉(zhuǎn)換（電聲轉(zhuǎn)換器可以把聲能和電能互相轉(zhuǎn)換）和信息處理，完成水下探測和通訊任務(wù)的電子設(shè)備。它通常被應(yīng)用于判斷海洋中物體的存在、位置及類型，同時(shí)也用于水下信息的傳輸，是海洋探測中應(yīng)用最廣泛、最重要的一種裝置。

那么聲波從何而來呢？聲波是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，且在水中的傳播距離非常遠(yuǎn)。在人們所熟知的各種輻射信號中，以聲波在海水中的傳播性能為最佳。舉例來說，水中一聲巨大的爆炸，上千千米遠(yuǎn)的地方也能聽到。因此，聲波是聲吶技術(shù)能夠在海里發(fā)揮作用的最好介質(zhì)。

聲吶工作時(shí)類似雷達(dá)，更確切地說像蝙蝠，原理就是發(fā)出聲波后，接受反射回來的聲信號。既然原理類似，那問題來了，為何不把雷達(dá)直接搬到水下呢？很簡單，雷達(dá)依賴的電磁波在水下衰減嚴(yán)重，根本不足以用于遠(yuǎn)距離的探測。雖然電磁波是空氣中傳播信息最重要的載體，例如通信、廣播、電視等都是利用電磁波，但是在水下，它幾乎沒有用武之地，水下可只是聲波的“天下”！

那么，聲吶裝置和聲波是如何“一起配合工作”的呢？一般來講，水下聲吶探測裝置發(fā)射的聲波信號遇到障礙物體被反射回來后，會(huì)被接收天線捕獲，經(jīng)轉(zhuǎn)換放大后，會(huì)利用專門的電腦程序進(jìn)行分析處理。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合船的運(yùn)動(dòng)速度、超聲波在水中的傳播速度、船體橫向傾斜度及其他參數(shù)，并借助干涉儀的幫助，就可以精確詳細(xì)地繪制出水下物體的三維立體圖像啦！

聲吶探測“海底飛機(jī)”

除了沉船，失事客機(jī)也是聲吶探測的重要目標(biāo)之一。雖然飛機(jī)比沉船多了一個(gè)能發(fā)送信號的黑匣子，但在茫茫大海里，海底復(fù)雜的地形會(huì)造成訊號折射，搜救隊(duì)多次下海打撈，都出現(xiàn)過能偵測到訊號卻找不到黑匣子的情形。

因此，搜索海底飛機(jī)也離不開聲吶探測定位裝置。最快的搜救方法是在所有現(xiàn)有的搜尋系統(tǒng)中加入聲吶探測系統(tǒng)協(xié)助打撈，以此來更精確地定位黑匣子的位置。

舉例來說，在眾多的空難中，最出名的莫過于令世人震驚的“馬航370事件”了。為了尋找客機(jī)，搜尋小組使用聲吶，在印度洋最南端的海域繪制搜尋區(qū)域的地圖。

最終，搜尋失蹤馬航370的小組公布了一張?jiān)敿?xì)的海底圖像。雖然至今為止還沒有飛機(jī)的任何消息，但通過聲吶，外界首次看到了這一世界上最不為人所知的印度洋底，包括死火山和1400米深的洼地等在內(nèi)的海床面貌，也算是艱苦的搜索行動(dòng)的一個(gè)“副產(chǎn)品”了。

聲吶的其他多類型應(yīng)用

聲吶學(xué)可以應(yīng)用在軍事的雷達(dá)定位上。俄羅斯科學(xué)院的科研人員對黑海寬吻海豚的定位能力進(jìn)行了多年研究。他們發(fā)現(xiàn)，海豚的“聲吶”系統(tǒng)非常靈敏，它能準(zhǔn)確記錄移動(dòng)速度每秒僅為2.6厘米的勻速運(yùn)動(dòng)物體，辨別出反射超聲波頻率的細(xì)微變化，因此海豚可以區(qū)分物體的勻速運(yùn)動(dòng)和加速運(yùn)動(dòng)。研究人員確認(rèn)，海豚在對勻速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)，需要發(fā)出兩個(gè)不同頻率的超聲波信號，而在對加速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)，需要發(fā)出三個(gè)不同頻率的超聲波信號。

借助海豚的這種定位原理，科研人員已研究出了一種新的雷達(dá)定位法，并利用主動(dòng)式雷達(dá)站周期性地向被測目標(biāo)發(fā)射三個(gè)不同頻率的無線電脈沖信號。根據(jù)每個(gè)信號的反射時(shí)間，就可以計(jì)算出被測目標(biāo)的距離、運(yùn)動(dòng)速度或加速度。后來，科學(xué)家又對這種定位法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后，不用周期性發(fā)射脈沖信號，只需一次性發(fā)射傳播速度不同的脈沖信號，即可計(jì)算出被測物體的距離、運(yùn)動(dòng)速度或加速度。

不僅在軍事領(lǐng)域，聲吶在海洋測繪、海流流速測量、海洋漁業(yè)以及水聲通信等領(lǐng)域都是不可或缺的。比如，探魚儀是一種可用于發(fā)現(xiàn)魚群的動(dòng)向、魚群所在地點(diǎn)和范圍的聲吶系統(tǒng)，利用它可以大大提高捕魚的產(chǎn)量和效率;另外，利用聲吶系統(tǒng)在水下可代替導(dǎo)線的連接，使用聲束來傳遞信息，實(shí)現(xiàn)水面艦艇、潛艇間相互通信和交流。

在今天，海洋探測和開發(fā)已被越來越多的國家列為高技術(shù)項(xiàng)目，“聲吶”探測技術(shù)在水下目標(biāo)探測和海洋觀測等方面占了越來越重要的地位，發(fā)展壯大聲吶技術(shù)已經(jīng)成為人類認(rèn)識(shí)、開發(fā)和利用海洋的重要手段。