关定华

声音可以在空气中传播，早在公元前就被人们认识了。但海洋中有没有声音，很长时间人们都弄不清。不少人认为水下是无声的世界，鱼是哑的。但是渔民们很早就知道，如果把耳朵贴在船板上，就可以听到水下鱼的叫声。

海洋声学作为近代科学，一般认为是从1826年在日内瓦湖测量出水中的声速开始，当时用的方法很简单。对海洋声应用的第一次大的推动是“冰海沉船”。面对豪华客轮泰坦尼克号触冰山而沉没，科学家提出用声学方法探测水下的冰山。不过最大的推动还是第一次世界大战。德国用潜艇击沉了协约国许多商船，威胁到海上运输。这时英法等国的科学家都想办法利用声波探测潜艇。因为潜艇的最大优势就是它的隐蔽性，水声探测正是它的克星。1916年法国物理学家郎之万研制出了第一部声纳（sonar），即用声波导航和测距。

这时的声纳是无源声纳，即只能接收水中物体发出的声能。声纳中有一种将声、电信号互相转换的装置叫换能器，换能器中非常关键的部件——振子当时采用的是水晶材料。为了制造更多的声纳，眼镜店、古玩店的水晶被采购一空，还不够用。为此郎之万发明了用小块水晶和钢板拼成的郎之万振子。

人们发现，电磁波在海水中被吸收得很厉害，在水中干不了什么事，在水中要进行探测、通信、控制，只有靠水声。

根据声在传播时碰到物体可以使一部分声能反射回来的原理，很快就研制出了有源声纳，即可以发射声能和接收反射回声。这样即使潜水艇关闭发动机也可以探测出来。

随着科技的发展和要求，水声技术有了探测潜艇以外的应用。人们开始利用水声测深，换能器向海底发射声脉冲，收到海底反射脉冲之后，测量声波往返时间，根据声速，可以算出海深。现代的海图，大都是用回声测深仪测出的。细心的航海家在观察回声测深仪的记录时，常常发现海底记录外还有星星点点的斑纹。后来知道这是鱼的散射。以后就出现了专门探鱼用的声纳。

第二次世界大战中声纳成为每艘舰船必备的设备，对海洋中声现象就有了更多的了解。一部声纳在上午探测潜艇很有效，下午就不灵了，这种“下午效应”后来才知道，是因为下午上层水被太阳晒热，上层温度高，声速也高，下层水温低，声速也低，声线弯曲向下，前面的潜艇就探不到了。还发现深海中有声道，低频声波可以在声道中传播一两万千米等现象。

二次大战以后水下声技术用在海洋研究和开发的愈来愈多。

更加详尽的海图过去的测深仪只有一个波束，船航行时只能测量船经过的下方海底。要知道与航线垂直方向的水深，就要多次做与原来航线平行的航线，进行测深。由于这个波束不能不宽，测得的结果也就不细，而且限于定位的精度，相邻航线也不能靠得很近。因此在航线方向，测点间隔较小，在与之垂直的方向，测点间隔就比较大。这样测时费时费力，测得的图也不够精确。

最近研制出一种多波束测深仪，这种测深仪向下发射开角为120°的声束，用很长的由许多个接收换能器连接组成的基阵接收回波信号，收到的信号在波束形成器中形成91个或120个波束。每个波束在与船前进方向垂直的方向上的开角是15°，在船前进方向的开角是2°。反射一次脉冲在5千米深的海中可以测出20千米宽的海底带上121个点的深度，空间分辨能力为150米。平行航线的间隔可以是十几千米，把相邻测线的结果拼接起来就可以得出很详细的海图。近年来许多国家都用这种测深仪，把有关海域重测一遍，找出许多以前没有发现的海底的山和谷。

侧扫声纳是用与船前进方向平行的一个换能器基阵向与船前进方向垂直的方向发射一个水平方向窄，而垂直方向宽的扇形波束。声波在前进时遇到海底突出的物体就会有强烈的反射信号，物体后面，声波不能到达，就会没有反射信号。船在前进中不断发出一个个脉冲，在记录器上按信号强弱记出深浅不同的黑白线。这样就形成深浅不同的黑白图形，反映出海底不平整的程度。用这套设备，可以探测海底地形、礁石、沉船等。泰坦尼克号的残骸就是用这种方法首先探出的。

深入海底地层要知道海底地层的情况，过去只有靠钻孔取样，这样取得的岩芯分析不过是“一孔之见”，不能代表整体。海上钻孔又极为困难，所以现在大多首先使用声学方法，得到全貌以后再有选择地进行钻探，核实声学探测的结果。