海底聲學(xué)探測——撥開深海之下的迷霧
在互聯(lián)網(wǎng)上，地球常常被稱為“藍(lán)星”，這是因為地球的表面是“七分水三分地”，即陸地面積約占地球表面的三成，海洋面積約占地球表面的七成。所以在宇宙中，放眼望去，地球看起來就是一顆藍(lán)色的星球。
而海洋，不僅給地球增添了藍(lán)色，也蘊含了大量寶貴的資源，例如石油、天然氣、可燃冰、多金屬結(jié)殼等。因此，如果我們能夠探尋海洋之中的奧秘，將會對資源開發(fā)利用帶來便利。此外，了解海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地形地貌對于研究地球板塊的運動、地球地層的變化等也有重要意義。
而神秘又浩瀚的海洋，又要如何進(jìn)行探索呢？聲學(xué)探測就是一種有效的海底探測手段，極具研究價值。
圖1 南海可燃冰試采、海底多金屬結(jié)殼（圖片來源：1.搜狐 https://m.sohu.com/a/249639518_100194551/?pvid=000115_3w_a 2.山東海洋 https://mp.weixin.qq.com/s/oNCFBM-STiQCpaCmxzFm4Q）
海底聲學(xué)探測的難題
我們都知道有一句俗話，叫做“天高任鳥飛，海闊憑魚躍”。但不知道你有沒有想過，為什么不對應(yīng)“天高”說“海深”，而是說“海闊”呢？
這是因為隨著海深變大，水體環(huán)境的壓力也會增加，除開一些適應(yīng)了深海高壓的生物，其他生物到了如此高壓的環(huán)境下必然無法生存，加之無光、低溫的環(huán)境，深海勢必不能成為生命極度繁盛的樂園。（其實天高也不能任鳥飛，由于類似的原理，高空處空氣稀薄，鳥也難以在高空生存。）
“海深”這一點，也自然成為了我們進(jìn)行海底聲學(xué)探測的難題之一。普通生物難以從海底此等高壓生存下來，幸好我們有各種各樣的探測儀器。
圖2 深海海底及形態(tài)各異的深海生物：海底生物群落、琵琶魚、“Dumbo”、太陽水母（圖片來源：搜狐 https://www.sohu.com/picture/240705294）
海底聲學(xué)探測儀器及簡單原理
俗話說“工欲善其事，必先利其器”，開展海底聲學(xué)探測研究當(dāng)然也需要進(jìn)行一系列的技術(shù)和裝備準(zhǔn)備。我們需要一些在水下充當(dāng)我們“耳目”的設(shè)備，如多波束聲吶、淺地層剖面儀、側(cè)掃聲吶、水下機器人（Remote Operated Vehicle , ROV）等。而這些設(shè)備多是應(yīng)用聲學(xué)方法進(jìn)行水下的探測活動。
圖3 多波束聲吶、淺地層剖面儀、側(cè)掃聲吶、水下機器人（ROV）（圖片來源：1.青島水德 http://www.watertools.cn/index.php/product/info/311?one_id=248&two_id=323&parent_id=289 2.青島水德 http://www.watertools.cn/index.php/product/info/303?one_id=248&two_id=294&parent_id=289 3.搜狐 https://www.sohu.com/a/349110652_743632 4.搜狐 http://it.sohu.com/a/442729792_100275934）
那么這些設(shè)備是如何進(jìn)行工作的呢？
這些海底探測聲吶設(shè)備的工作原理，與動物的回聲定位有一定共通之處，即也是通過向海底發(fā)射聲波，并接收回波，而后對回波進(jìn)行分析處理，進(jìn)而得到我們需要的結(jié)果。
為什么這些聲吶設(shè)備可以通過向海底發(fā)射聲波，并通過對回波分析處理來判斷不同的地形地貌和海底底質(zhì)成分呢？
與我們?nèi)粘Ｖ谐Ｒ姷墓獾姆瓷洮F(xiàn)象類似，聲波也會在傳播到介質(zhì)表面時產(chǎn)生反射。聲吶設(shè)備向海底發(fā)射聲波后，硬的、凸起的海底，回波會比較強；軟的、凹陷的海底，回波比較弱；被遮擋的海底則不會產(chǎn)生回波。同時，距離越近回波越強；距離越遠(yuǎn)回波越弱。在對這些信息進(jìn)行綜合分析處理后，我們就可以得到海底的地形地貌，以及底質(zhì)成分等信息。
圖4 海底平面圖（圖片來源：藍(lán)創(chuàng)海洋 http://lcsonar.com/cesaocase/98.html）
海底聲學(xué)探測的一些應(yīng)用方向
海底聲學(xué)探測作為一種普適技術(shù)，廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。
在跨海大橋、海上石油平臺等大型設(shè)施建造之前，通常會對海底地形地貌以及底質(zhì)進(jìn)行探測，此時側(cè)掃聲吶、多波束聲吶和淺地層剖面儀等設(shè)備就有了用武之地；當(dāng)我們需要探測海底是否蘊含有礦藏，或探明礦藏儲量時，海底聲學(xué)探測方法和設(shè)備也會有應(yīng)用；“蛟龍”號、“奮斗者”號載人潛水器深潛時，也攜帶有海底聲學(xué)探測設(shè)備，進(jìn)行海底探測工作。
總之，在工程、生產(chǎn)以及科研領(lǐng)域，海底聲學(xué)探測技術(shù)應(yīng)用極廣，未來也將會有更廣泛的應(yīng)用。
來源：科普中國
作者：郭政（中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站）
