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如何向海豚學習?

海豚是壹種惹人喜愛的海洋哺乳動物,很願意和人交往,在海裏從不傷害人,相反還能幫人驅趕噬人的鯊魚,難怪有人把海豚看成是鎮海蛟。海豚喜歡成群結隊地在海面附近跳躍著向前遊動,看到有船開過就遊過來與船比賽,非超過不可。海豚又是海洋動物園裏的明星,會表演很多雜技動作。海豚是除了人以外最聰明的動物,腦子的容量和人差不多,比猩猩大得多。人可以向海豚學習的地方很多。遊泳運動中的蝶泳就是模仿海豚躍出水面的姿勢。更值得仿效的是海豚有在海水中靠聲音探測目標、尋找食物、導航定位和進行聯系的本領。人們以海豚為師,研制出了利用水下聲波探測水中目標的儀器——聲吶。

原來聲波有個很可貴的性質,它在海水中衰減慢,能向遠方傳播。我們知道電磁波和光波是在大氣和真空中傳播信息的主要媒介,可是海水對它們吸收得太厲害了,傳不出幾十米就消耗完了。然而海水對聲波卻網開壹面,吸收得不那麽厲害。在海水溫度均勻的正常條件下,幾十千赫頻率的聲波能夠傳到幾海裏到幾十海裏遠(1海裏=1.83千米),如果用更低頻率的聲波,還能傳得更遠。空氣中平均聲速為330米/秒,海水中的聲速要高得多,達到1500米/秒。這只是個平均值。如果海水溫度升高、鹽度增加、深度增加時,還會使聲速提高。在這三個要素中,聲速對海水溫度的變化最敏感,而海水鹽度的變化本來就不大。溫度從海面到海底的變化對於聲學是非常重要的,它決定了聲波傳播的距離。因為溫度、鹽度和深度這三個要素的重要性特別大,所以專門研制了精確地自動測量它們的儀器,簡稱為CTD。在存在溫躍層的深海大洋,溫躍層也是聲速最低層,由於聲速的差異,在溫躍層附近形成壹個聲道。如果在聲道裏發出聲波,它就會沿著聲道傳播而不會散開。低頻信號在聲道裏競能傳播到幾千千米開外。利用這個特性,可以通過聲道讓聲波載著信息傳到幾千千米以外。海洋學家利用這個奇妙的現象,在大洋深處以相隔幾千千米的距離布設換能器,收聽從壹個聲源發出的聲,像用X光分層透視人體壹樣,也能透視大洋裏的溫度變化、海流情況等。

聲吶有很多用途,最早用於軍事上,探測水下潛艇和水深,引導潛艇在水下航行。現在聲吶的主要用途之壹還是服務於海軍。

聲吶有主動式和被動式兩種。主動式聲吶由換能器發出聲波,在海中遇到目標,發生散射或者反射,目標的回波回到換能器接收。目標可能是集中的,也可能是分散的。根據聲波從聲源到目標來回的時間乘以聲速就能得到距離是多少。被動式聲吶本身不發射聲波,只是用接收換能器聽取海中某個能發出聲音的目標發出的聲波,判斷目標的方向和距離。原理就是這麽簡單。實際上要達到良好的使用效果還有很多問題需要解決。為了達到壹定的指標,發射的聲信號需要足夠強,壹般都發射短促的聲脈沖,聲信號還可能相當復雜。用壹個換能器也許不夠好,為提高性能,還得用很多個換能器布成陣。用壓電陶瓷換能器發不出非常強的低頻聲,這時要用炸藥、氣槍等爆炸聲源來產生所需要的聲波。

在海上航行的輪船必須隨時知道船體下面的水深。每艘輪船都應裝備回聲測深儀。這種儀器的換能器裝在輪船的底殼上,或者拖在輪船後面,發出短促的聲脈沖,到達海底被海底的分界面反射回來,接收到回波後,用電子線路進行計算,把結果顯示在圖像記錄上,看上去跟實際的海底輪廓壹樣,很形象。當然也可以轉換成數字讀出來,或者記錄在計算機裏。測深儀是輪船必備的導航儀器。要想畫出海圖,大面積地測量海底的地形地貌,只在航行途中測出輪船正下方壹條線的深度是不夠的。用多波束測深儀可以同時向壹個扇面發射幾十束聲脈沖,分別射向不同的角度,在不同的地方到達海底,就能同時測出垂直於輪船航行的路徑上的幾十個點的水深,於是輪船每航行壹條航線就能掃過壹條帶,效率就高多了。在設計下壹條航線時,使下壹次掃過的帶和上壹次稍微重疊壹點,這樣整個海底就盡收眼底了。地貌儀的換能器也是拖在輪船後面的,分別向左右兩邊斜著發射波束比較寬的聲脈沖,就能將航線兩側海底的高低不平的地貌記錄下來。海底表面有時有壹層稀泥,並不妨礙輪船通過,但稀泥下面的硬底卻是行船的障礙,這就要使用高低兩種頻率的測深儀,低頻能穿透稀泥,從硬底反射回來,較高的頻率穿不透稀泥,從稀泥層與水的界面反射回來,就能同時測出兩層海底的深度了。選擇多種頻率的聲波探測大洋底部,還能探出錳結核的有無和多少。用比測深儀所用的聲波頻率更低、穿透力更強的聲脈沖發射到海水中,有壹部分聲能穿透進入海底的沈積物中,從海底界面和各層地質結構的界面反射回來,記錄下來就是海底以下的地層的結構圖。這種結構圖很像壹幅山水畫,有經驗的人能從中看出海底地層的情況,壹般人卻難以判讀。用計算機把專家們的判讀經驗集中起來,存在計算機裏當做字典,用以判斷海上測量的結果,對於了解海底以下的地層結構,也能做到八九不離十。

在海底需要定位的目標上布上隔壹段時間會自動發出壹個聲脈沖的聲信標,從它發出的信號就能找到它了。如果有3個布設在海底的聲信標發出聲脈沖,在船上接收,接收器到3個聲信標的距離有差異,接收到3個聲信標發出的信號的時間也有差異,根據這個差異可以算出3個目標相對於船的位置。倒過來,海底只有1個目標,而船上在3個位置各放置壹個接收器,也能計算出相對位置來。

用聲吶還可以像電視壹樣看到海底物體的圖像和水中目標的模樣,能傳遞電話、電視和電報等信息。聲傳遞的信號還可以控制和操縱水下的設備、工具和潛水器。

人們雖然研制出了許多種聲吶,可是在很多方面並沒有超過海豚。聲吶的結構很復雜,大的有幾噸重,很難裝在船上使用,耗電也有幾百千瓦。而”海豚的聲吶“只不過是頭部的壹小部分,可是用起來卻是那麽得心應手,使人造聲吶望塵莫及。人們唯壹可以引為驕傲的,就是人造聲吶有先進的顯示、記錄系統,可以傳授給別人,而”海豚的聲吶“只能自己用。

聲探測是人們認識海洋的重要方法之壹,特別是在水下探測方面,聲探測更是人們認識海洋的唯壹方法。