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海底声学探测——拨开深海之下的迷雾

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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

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

内容资源由项目单位提供

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直率的勤勤恳恳司长我
少师级
拨开
2023-03-18
三社区红
少傅级
2023-04-05
科普有我,张庄初中。
太傅级
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。
2023-03-28