书城科普读物宝藏与海洋
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第35章 向海豚学习

海豚是一种惹人喜爱的海洋哺乳动物,很愿意和人交往,在海里从不伤害人,相反还能帮人驱赶噬人的鲨鱼,难怪有人把海豚看成是镇海蛟。海豚喜欢成群结队地在海面附近跳跃着向前游动,看到有船开过就游过来与船比赛,非超过不可。海豚又是海洋动物园里的明星,会表演很多杂技动作。海豚是除了人以外最聪明的动物,脑子的容量和人差不多,比猩猩大得多。人可以向海豚学习的地方很多。游泳运动中的蝶泳就是模仿海豚跃出水面的姿势。更值得仿效的是海豚有在海水中靠声音探测目标、寻找食物、导航定位和进行联系的本领。人们以海豚为师,研制出了利用水下声波探测水中目标的仪器——声呐。

原来声波有个很可贵的性质,它在海水中衰减慢,能向远方传播。我们知道电磁波和光波是在大气和真空中传播信息的主要媒介,可是海水对它们吸收得太厉害了,传不出几十米就消耗完了。然而海水对声波却网开一面,吸收得不那么厉害。在海水温度均匀的正常条件下,几十千赫频率的声波能够传到几海里到几十海里远(1海里=1.83千米),如果用更低频率的声波,还能传得更远。空气中平均声速为330米/秒,海水中的声速要高得多,达到1500米/秒。这只是个平均值。如果海水温度升高、盐度增加、深度增加时,还会使声速提高。在这三个要素中,声速对海水温度的变化最敏感,而海水盐度的变化本来就不大。温度从海面到海底的变化对于声学是非常重要的,它决定了声波传播的距离。因为温度、盐度和深度这三个要素的重要性特别大,所以专门研制了精确地自动测量它们的仪器,简称为CTD。在存在温跃层的深海大洋,温跃层也是声速最低层,由于声速的差异,在温跃层附近形成一个声道。如果在声道里发出声波,它就会沿着声道传播而不会散开。低频信号在声道里竞能传播到几千千米开外。利用这个特性,可以通过声道让声波载着信息传到几千千米以外。海洋学家利用这个奇妙的现象,在大洋深处以相隔几千千米的距离布设换能器,收听从一个声源发出的声,像用X光分层透视人体一样,也能透视大洋里的温度变化、海流情况等。

声呐有很多用途,最早用于军事上,探测水下潜艇和水深,引导潜艇在水下航行。现在声呐的主要用途之一还是服务于海军。

声呐有主动式和被动式两种。主动式声呐由换能器发出声波,在海中遇到目标,发生散射或者反射,目标的回波回到换能器接收。目标可能是集中的,也可能是分散的。根据声波从声源到目标来回的时间乘以声速就能得到距离是多少。被动式声呐本身不发射声波,只是用接收换能器听取海中某个能发出声音的目标发出的声波,判断目标的方向和距离。原理就是这么简单。实际上要达到良好的使用效果还有很多问题需要解决。为了达到一定的指标,发射的声信号需要足够强,一般都发射短促的声脉冲,声信号还可能相当复杂。用一个换能器也许不够好,为提高性能,还得用很多个换能器布成阵。用压电陶瓷换能器发不出非常强的低频声,这时要用炸药、气枪等爆炸声源来产生所需要的声波。

在海上航行的轮船必须随时知道船体下面的水深。每艘轮船都应装备回声测深仪。这种仪器的换能器装在轮船的底壳上,或者拖在轮船后面,发出短促的声脉冲,到达海底被海底的分界面反射回来,接收到回波后,用电子线路进行计算,把结果显示在图像记录上,看上去跟实际的海底轮廓一样,很形象。当然也可以转换成数字读出来,或者记录在计算机里。测深仪是轮船必备的导航仪器。要想画出海图,大面积地测量海底的地形地貌,只在航行途中测出轮船正下方一条线的深度是不够的。用多波束测深仪可以同时向一个扇面发射几十束声脉冲,分别射向不同的角度,在不同的地方到达海底,就能同时测出垂直于轮船航行的路径上的几十个点的水深,于是轮船每航行一条航线就能扫过一条带,效率就高多了。在设计下一条航线时,使下一次扫过的带和上一次稍微重叠一点,这样整个海底就尽收眼底了。地貌仪的换能器也是拖在轮船后面的,分别向左右两边斜着发射波束比较宽的声脉冲,就能将航线两侧海底的高低不平的地貌记录下来。海底表面有时有一层稀泥,并不妨碍轮船通过,但稀泥下面的硬底却是行船的障碍,这就要使用高低两种频率的测深仪,低频能穿透稀泥,从硬底反射回来,较高的频率穿不透稀泥,从稀泥层与水的界面反射回来,就能同时测出两层海底的深度了。选择多种频率的声波探测大洋底部,还能探出锰结核的有无和多少。用比测深仪所用的声波频率更低、穿透力更强的声脉冲发射到海水中,有一部分声能穿透进入海底的沉积物中,从海底界面和各层地质结构的界面反射回来,记录下来就是海底以下的地层的结构图。这种结构图很像一幅山水画,有经验的人能从中看出海底地层的情况,一般人却难以判读。用计算机把专家们的判读经验集中起来,存在计算机里当做字典,用以判断海上测量的结果,对于了解海底以下的地层结构,也能做到八九不离十。

在海底需要定位的目标上布上隔一段时间会自动发出一个声脉冲的声信标,从它发出的信号就能找到它了。如果有3个布设在海底的声信标发出声脉冲,在船上接收,接收器到3个声信标的距离有差异,接收到3个声信标发出的信号的时间也有差异,根据这个差异可以算出3个目标相对于船的位置。倒过来,海底只有1个目标,而船上在3个位置各放置一个接收器,也能计算出相对位置来。

用声呐还可以像电视一样看到海底物体的图像和水中目标的模样,能传递电话、电视和电报等信息。声传递的信号还可以控制和操纵水下的设备、工具和潜水器。

人们虽然研制出了许多种声呐,可是在很多方面并没有超过海豚。声呐的结构很复杂,大的有几吨重,很难装在船上使用,耗电也有几百千瓦。而海豚的声呐只不过是头部的一小部分,可是用起来却是那么得心应手,使人造声呐望尘莫及。人们唯一可以引为骄傲的,就是人造声呐有先进的显示、记录系统,可以传授给别人,而海豚的声呐只能自己用。

声探测是人们认识海洋的重要方法之一,特别是在水下探测方面,声探测更是人们认识海洋的唯一方法。