[科普中國]-海洋生物聲學(xué)

海洋生物聲學(xué)是指海洋研究和開發(fā)所用的水聲技術(shù)。

簡介海洋生物聲學(xué)是指海洋研究和開發(fā)所用的水聲技術(shù)。海洋生物聲學(xué)是一門具有廣闊前景的邊緣學(xué)科，受到國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者廣泛的重視。

研究方法海洋生物聲學(xué)主要研究方法有回聲探測、被動探測、水聲通訊、水聲遙測和水聲遙控等。

回聲探測利用一組換能器發(fā)射聲信號，通過另一組換能器接收從目標(biāo)反射的回聲信號，再由處理后的信號判斷目標(biāo)的參數(shù)和性質(zhì)。

回聲測深儀 它向海底發(fā)射一束較窄的聲脈沖，測量此信號由海底反射并回到水聽器的時間，在聲速已知的條件下，就可測出船只所在處的水深。現(xiàn)代大功率的測深儀，能夠描繪出最深洋底的形狀。多波束式或多振子的測深儀，可同時獲得多個水深點的數(shù)據(jù)，并往往采用數(shù)字顯示，和計算機(jī)聯(lián)用而自動繪制海底地形圖。

多普勒導(dǎo)航儀（多普勒聲吶） 根據(jù)多普勒效應(yīng)，若船只和海底有相對運(yùn)動，回波信號就會產(chǎn)生頻移。同時測量 4個波束中由于船只對海底相對運(yùn)動而出現(xiàn)的頻移，經(jīng)信號處理后，就可精確地測出船只對海底的運(yùn)動速度，并畫出航跡來。多普勒聲吶也是一種引導(dǎo)大型船只靠岸的有效工具。

魚探儀 由它獲得的魚群回波，可大致判斷出魚群的位置、范圍和密集程度。通常使用的垂直魚探儀，可以探測底層的魚類；水平魚探儀則以探測上層和中層的魚類為主。采用電子掃描等先進(jìn)技術(shù)之后，探測的范圍就大得多。

側(cè)掃描聲納（海底地貌儀） 用以調(diào)查海底地質(zhì)地貌的水聲設(shè)備，種類很多，這是其中的一種。在船的兩側(cè)安裝垂直方向角較寬而水平方向角很窄的一組換能器，記錄海底的散射回波，就可獲得離兩側(cè)船舷一定距離內(nèi)精細(xì)的海底地貌聲圖。為了適應(yīng)深水探測的需要，也可把換能器置于拖曳體中。此儀器還可用于海底油管的鋪設(shè)檢查和沉埋物的搜索等水下工程中。淺地層剖面儀使用低頻聲信號，可以穿透地層，從其回波的分析獲得底質(zhì)的結(jié)構(gòu)資料，故廣泛應(yīng)用于水下工程的地質(zhì)勘探。地震探測系統(tǒng)使用大功率低頻聲源、多道接收拖曳電纜和多道數(shù)據(jù)處理記錄系統(tǒng)，可以取得深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的資料，用于海底石油及其他礦物的勘探等。爆炸聲源發(fā)出的大功率低頻聲波，可以穿透到很深的底層。若在離爆炸源較遠(yuǎn)的海上放置一系列水聽器，就可以接收到由不同地層傳來的折射波，為海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水下石油資源等提供有價值的數(shù)據(jù)。

在海洋水文觀測中，已越來越多地應(yīng)用水聲測量儀器。如果把回聲探測儀作相應(yīng)的修改，安放于海底，使它向海面發(fā)射聲脈沖，就可以測量波高和周期等，并從波高平均值的變化，獲得潮位的變化規(guī)律。若把換能器安裝于船舷外側(cè)，也可測出波浪的要素。利用隨海流運(yùn)動的散射體的回波會出現(xiàn)多普勒頻移的特性，可制成多普勒海流計，它可以不破壞流場而測量瞬時的低速海流。根據(jù)聲波通過固定距離的傳輸時間和聲速成比例的關(guān)系，可制成聲速計，它能實時地測量海水的聲速。在海洋水文調(diào)查中廣泛應(yīng)用水聲儀器設(shè)備，是一項重大的技術(shù)改進(jìn)。

被動探測它探測水中傳來的聲信息，由此判斷發(fā)聲體的位置和特性。其所測聽的聲源可分為自然聲源和人為聲源兩類。

自然聲源 不少海洋中的動物，能夠發(fā)聲（見海洋生物發(fā)聲）。故可利用被動探測系統(tǒng)監(jiān)視魚群的回游特性，并根據(jù)魚類聲音的特性來判斷魚群的種類，為海洋捕撈提供有價值的數(shù)據(jù)。深海水下的水聽器系統(tǒng)，還能準(zhǔn)確地測出水下地震、水下火山爆發(fā)的位置和估計其強(qiáng)度等。

人為聲源 魚類對聲音很敏感，并有好惡之分。故可以發(fā)出它們喜歡的聲音加以誘集，發(fā)出它們不喜歡聽的聲音加以驅(qū)逐。根據(jù)這原理制成的聲誘魚器和驅(qū)魚器，已開始應(yīng)用于海洋捕撈中。根據(jù)不同目的，分別采用連續(xù)的、脈沖的或其他調(diào)制方式的信號源，將一種小型的聲信標(biāo)縛于魚體或納入其胃中，用被動聲吶跟蹤，很適合于海洋生物習(xí)性的現(xiàn)場研究。跟蹤放于海底的小型發(fā)聲體，能夠了解海底石礫等的移動狀態(tài)，一種船只和飛機(jī)遇險的聲信標(biāo)，在船只和飛機(jī)沉沒于水下的一定期間內(nèi)，能發(fā)出聲信號以指示它的位置。利用帶有聲信標(biāo)的中性浮標(biāo)，可以測量深層的海流，如赤道深層流等。1

水聲通訊利用聲波在水下傳遞信息。通訊的雙方在水下都設(shè)置有發(fā)射器和接收器。這種通訊有兩種方式：①載波語言調(diào)制聲波或直接輻射語言聲波。后者用于距離較近的潛水員間的通信。②數(shù)字編碼是水聲設(shè)備中常作為指令和控制的通訊方式。目前廣泛使用的水聲應(yīng)答器便是數(shù)字編碼通訊的典型設(shè)備，它按事先安排好的程序，自行完成各應(yīng)答器和主機(jī)間的通訊。水聲應(yīng)答器可用于水下載體的導(dǎo)航和跟蹤，幫助鉆探船和平臺準(zhǔn)確尋找井口位置，監(jiān)視水下的施工，傳遞水下遙測系統(tǒng)各水文參數(shù)訊號等。

水聲遙測系統(tǒng) 把所要測量的水下環(huán)境參數(shù)變換成水聲信息之后，傳到處理船只或岸站來，經(jīng)過水聲接收機(jī)處理，重新轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)信息。

海洋水文參數(shù)的水聲遙測儀 它以聲傳輸代替了操作麻煩的電纜。可以把此儀器和遙測浮標(biāo)系統(tǒng)結(jié)合起來，由一系列的水下浮標(biāo)把測量的參數(shù)通過水聲信道傳輸?shù)侥父?biāo)，再由母浮標(biāo)把它轉(zhuǎn)換成無線電信號而傳到調(diào)查船或岸站來，這種遙測方式具有實時、大面積、快速和連續(xù)測量等優(yōu)點。

網(wǎng)位儀 水下部件縛于拖網(wǎng)的網(wǎng)口上，把獲得的信息變成水聲信號發(fā)射到船上來，從而監(jiān)測魚網(wǎng)的高度、開口的狀態(tài)、拖繩的拉力、魚群入網(wǎng)和分布的狀態(tài)及遙測網(wǎng)口周圍的水溫等，這對提高魚獲量很有幫助。

水聲遙控系統(tǒng) 包括船上聲指令發(fā)射機(jī)、水下聲指令接收機(jī)和相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)。例如，利用水聲釋放器按水聲釋放指令把水下浮筒放掉，使其浮出水面，以便船只跟蹤回收。這種遙控技術(shù)，廣泛應(yīng)用于海洋調(diào)查、水下工程、石油鉆探和地震測量等方面，對水下油井的流量、防噴器架、輸油管道的閥門和水下爆炸等，都可采用水下遙控方式。各種海洋自動機(jī)，如無人深潛器、海底自走車的行動及機(jī)械手的動作，也可采用水聲遙控。

總之，水聲技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海洋研究和海洋開發(fā)的各個方面，但因海水介質(zhì)是一種復(fù)雜多變和多途徑的聲信道，水聲干擾又很強(qiáng)烈，如上水聲信息的檢測仍存在一系列困難，使水聲儀器的可靠性、分辨率等性能的提高受到一定的限制。為此，今后必須加強(qiáng)水聲傳輸規(guī)律等基礎(chǔ)理論的研究，注意探索新技術(shù)在水聲方面應(yīng)用的可能性。2

應(yīng)用舉例聲學(xué)技術(shù)可以幫助估算海洋生物種群的豐度魚群沿著Cabo Pulmo國家公園巖礁游動。

本月15日，美國加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校斯克里普斯海洋學(xué)研究所的研究人員在《科學(xué)報告》雜志發(fā)表論文。在這項研究中，他們首次使用水聲學(xué)比較了海洋保護(hù)區(qū)內(nèi)外魚類的豐度。

他們發(fā)現(xiàn)，墨西哥的Cabo Pulmo國家公園魚類的豐度為公園外區(qū)域的四倍。該研究的作者說，水聲學(xué)帶來了一個新的、更具成本效益的方法來評估魚類種群。

“許多國家的管理人員和管理部門花了大量的財政資源用于評估海洋保護(hù)區(qū)。”海洋生態(tài)學(xué)家Octavio Aburto說道，“這項研究結(jié)果表明，可以利用聲波技術(shù)得到海洋保護(hù)區(qū)內(nèi)海洋資源的信息，并且更方便、更便宜，進(jìn)而降低政府在海洋養(yǎng)護(hù)方面的費(fèi)用。”

研究人員利用安裝在船上的水聲設(shè)備產(chǎn)生的聲波調(diào)查了Cabo Pulmo國家公園海域的魚和其他海洋生物，并同時調(diào)查了保護(hù)區(qū)域之外的海域。結(jié)果顯示，保護(hù)區(qū)域中的魚群密度、總生物量和生物個體的大小都明顯比保護(hù)區(qū)域外的大。位于保護(hù)區(qū)海域里的珊瑚礁中的動物豐度是其他區(qū)域的50倍。作者們認(rèn)為這“凸顯了生境復(fù)雜性和保護(hù)魚類種群的重要性?！?/p>

“水聲學(xué)和海洋保護(hù)區(qū)都是比較成熟的課題，但是使用前者來評估后者的做法是創(chuàng)新性的?！钡谝蛔髡逬ack Egerton說道，“這讓我們意識到Cabo Pulmo國家公園對該地區(qū)的魚類種群的保護(hù)有多么重要?！?/p>

雖然水聲調(diào)查比水下視覺普查快得多，但是只能得到近似的魚個體大小的信息。而傳統(tǒng)的調(diào)查方法往往費(fèi)用較高，并且會受到一定的條件限制，如潛水深度和水的清澈度，所以研究人員認(rèn)為，水聲學(xué)的方法對于節(jié)約海洋保護(hù)區(qū)的成本來說是有效的。3

相關(guān)院校浙江海洋大學(xué)4

中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

中山大學(xué)海洋學(xué)院

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西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院

南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院

南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院

廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院

中國科學(xué)院大學(xué)

相關(guān)國際會議國際海洋聲學(xué)會議5

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

趙陽國 - 副教授 - 中國海洋大學(xué)