书城童书物理知识知道点:走进声音世界
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第40章 发现水下声道

几十年前,美国拉蒙特地质实验室的科学家在南澳大利亚沿海做实验时,向海洋中投掷了一枚深水炸弹,结果发现,爆炸产生的声波,三个多小时后传到了北美洲的百慕大群岛,行程达19200千米。这个实验证实了声波在海水中传播的速度是很快的,达到了每小时5000多千米,也就是每秒钟1500米左右。但是,声波在海洋中为什么能传播这样远的距离,当时却没有人能说清楚。这个问题一直到后来人们发现了水下声道后,才得到了圆满地解释。

传声本领强大的海水

那么,什么是水下声道?它是怎样形成的呢?

大家知道,水是一种很好的传声物质,尤其是海水,传声本领更强。声波在海水中的传播速度的大小,跟温度和压力密切相关。温度高,声速就大;温度低,声速就小;同样,压力大,声速也大;压力小,声速也小。由于海洋中各处的温度和压力不同,所以声波在海洋中各处的传播速度实际上是不同的。科学家早就探明,海洋中海水的温度是从海平面向下随着深度的增加逐渐降低的,在到达一定温度后才不再变化;但随着深度的继续增加,压力却越来越大。这样,当声波在海洋中传播时,它的传播速度在不同深度的层面上也就有所不同,并且这种变化呈现出一种规律:从海平面向下随着温度的不断降低,速度逐渐在减小;然后又随着压力的不断增加,速度在逐渐加大。很显然,在海洋中有一层海面,声波在那里的传播速度最小,我们把它叫做声道轴面。

现在设想有一枚炸弹在海水中爆炸,我们来看一下它所产生的声波是怎样向前传播的。假定炸弹爆炸地点在海洋上部,由于那里上层水温高,声速大,越往下水温越低,声速也越小。所以根据声波弯射原理,它的传播路线要向前下方弯曲。当声波越过声道轴面一进入海洋下部,情况便发生了变化。由于这里上层压力小,声速也小,而越往下压力越大,声速也就越大,所以声波的传播路线变成了向前上方弯曲。当声波越过声道轴面再进入上部海面,它又要向前下方弯曲。如此反反复复,声波就像扭秧歌一样,沿着声道轴面上下弯弯曲曲地前进。科学家把海洋深处这条传播声波的宽广大道,叫做水下声道。实验观测表明,声波在水下声道中传播时,就像在管道中传播一样,能量损耗最小,因而传播的最远。大洋中的水下声道,大约在海面下几百米到一千米的深处。

水下声道发现后,人们很快为它派到了用场。假如,当远航的船只出现事故时,可以通过向深海中投掷炸药作为呼救信号,设在水下声道的测声站接到爆炸产生的声波后,便可采取措施组织营救。目前,科学家还利用设在不同方位的水下声道测声站,准确地确定导弹或宇宙飞船溅落海面的位置。水声许多专家认为,20世纪70年代应该以人类向海洋——我们食物资源的最重要来源——的大进军为标志。他们引证说,地球70%的表面被水覆盖。但是很遗憾,在陆地上为我们忠实而又准确地服务的通讯通道,也就是或者以光的形式,或者以无线电波形式出现的电磁辐射的利用,在水下却受到限制,因为信号在水下传播距离很小,不超过几米。不过,如果说电磁波从空气中转入水中迅速衰减,那么,对声波来说,情形却正好相反。因为声音在水中比在空气中更易传播。因此,人可以利用声波,透过大洋的黑暗“观看”。渔夫、海洋学家和潜水员用声波装置武装起来,就能毫无困难地为自己在海洋中开辟道路。