全球微头条丨海底声学探测——拨开深海之下的迷雾

2023-03-13 09:15:26 来源：科普中国

出品：科普中国

作者：郭政（中国科学院声学研究所东海研究站）

监制：中国科普博览

(资料图)

在互联网上，地球常常被称为“蓝星”，这是因为地球的表面是“七分水三分地”，即陆地面积约占地球表面的三成，海洋面积约占地球表面的七成。所以在宇宙中，放眼望去，地球看起来就是一颗蓝色的星球。

而海洋，不仅给地球增添了蓝色，也蕴含了大量宝贵的资源，例如石油、天然气、可燃冰、多金属结壳等。因此，如果我们能够探寻海洋之中的奥秘，将会对资源开发利用带来便利。此外，了解海底地质结构和地形地貌对于研究地球板块的运动、地球地层的变化等也有重要意义。

而神秘又浩瀚的海洋，又要如何进行探索呢？声学探测就是一种有效的海底探测手段，极具研究价值。

图1 南海可燃冰试采、海底多金属结壳

（图片来源：1.搜狐 https://m.sohu.com/a/249639518_100194551/?pvid=000115_3w_a

2.山东海洋 https://mp.weixin.qq.com/s/oNCFBM-STiQCpaCmxzFm4Q）

海底声学探测的难题

我们都知道有一句俗话，叫做“天高任鸟飞，海阔凭鱼跃”。但不知道你有没有想过，为什么不对应“天高”说“海深”，而是说“海阔”呢？

这是因为随着海深变大，水体环境的压力也会增加，除开一些适应了深海高压的生物，其他生物到了如此高压的环境下必然无法生存，加之无光、低温的环境，深海势必不能成为生命极度繁盛的乐园。（其实天高也不能任鸟飞，由于类似的原理，高空处空气稀薄，鸟也难以在高空生存。）

“海深”这一点，也自然成为了我们进行海底声学探测的难题之一。普通生物难以从海底此等高压生存下来，幸好我们有各种各样的探测仪器。

图2 深海海底及形态各异的深海生物：海底生物群落、琵琶鱼、“Dumbo”、太阳水母

（图片来源：搜狐 https://www.sohu.com/picture/240705294）

海底声学探测仪器及简单原理

俗话说“工欲善其事，必先利其器”，开展海底声学探测研究当然也需要进行一系列的技术和装备准备。我们需要一些在水下充当我们“耳目”的设备，如多波束声呐、浅地层剖面仪、侧扫声呐、水下机器人（Remote Operated Vehicle , ROV）等。而这些设备多是应用声学方法进行水下的探测活动。

图3 多波束声呐、浅地层剖面仪、侧扫声呐、水下机器人（ROV）

（图片来源：1.青岛水德 http://www.watertools.cn/index.php/product/info/311?one_id=248&two_id=323&parent_id=289

2.青岛水德 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）

那么这些设备是如何进行工作的呢？

这些海底探测声呐设备的工作原理，与动物的回声定位有一定共通之处，即也是通过向海底发射声波，并接收回波，而后对回波进行分析处理，进而得到我们需要的结果。

为什么这些声呐设备可以通过向海底发射声波，并通过对回波分析处理来判断不同的地形地貌和海底底质成分呢？

与我们日常中常见的光的反射现象类似，声波也会在传播到介质表面时产生反射。声呐设备向海底发射声波后，硬的、凸起的海底，回波会比较强；软的、凹陷的海底，回波比较弱；被遮挡的海底则不会产生回波。同时，距离越近回波越强；距离越远回波越弱。在对这些信息进行综合分析处理后，我们就可以得到海底的地形地貌，以及底质成分等信息。

图4 海底平面图

（图片来源：蓝创海洋 http://lcsonar.com/cesaocase/98.html）

海底声学探测的一些应用方向

海底声学探测作为一种普适技术，广泛应用于诸多领域。

在跨海大桥、海上石油平台等大型设施建造之前，通常会对海底地形地貌以及底质进行探测，此时侧扫声呐、多波束声呐和浅地层剖面仪等设备就有了用武之地；当我们需要探测海底是否蕴含有矿藏，或探明矿藏储量时，海底声学探测方法和设备也会有应用；“蛟龙”号、“奋斗者”号载人潜水器深潜时，也携带有海底声学探测设备，进行海底探测工作。

总之，在工程、生产以及科研领域，海底声学探测技术应用极广，未来也将会有更广泛的应用。

编辑：郭雅欣

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