07 水下和地下的聲音 Sound Underwater and Underground
第二種視力
如果我們的世界一直籠罩在霧中，可能我們就會極少使用視覺，而更多依靠聽覺。假設這種霧是無線電波無法穿透的，那我們的通信係統無疑也會在聲學上發生改變。海洋就是這樣一個世界，水中有許多懸浮粒子，能見度很低，且無線電波在其中很快就會消失。但水裏充滿了聲音，魚類、海洋哺乳動物、人類潛水員、潛水艇和水下機器人，它們都用聲音來進行微妙而複雜的感知、交流，甚至有時還會利用聲音發動攻擊。
這對不到100年前的科學家來說是聞所未聞的。實際上，列奧納多·達·芬奇(Leonardo da Vinci)在1490年左右指出：“如果把你的船停下來，將長管的一端放在水中，另一端放在耳邊，你就能聽到離你很遠的船的聲音。”但當時沒有人注意到他的這一論述。
在第一次世界大戰期間，人們才開始嚐試傾聽船在水下的聲音。而直到第二次世界大戰，水下聲景才變得豐富起來。這在一定程度上是由兩個奇怪的事件引發的。1942年，部署在切薩皮克灣(Chesapeake Bay)用於探測德國潛艇的聲學浮標全部同時發出警報。一隊驅逐艦“滿懷熱情”地向這片海域發動了深水炸彈襲擊，但沒有發現任何泄露潛艇蹤影的油跡，受到攻擊的隻是成千上萬條魚。同年晚些時候，在美國西海岸，所有的感音水雷(這是為了保護港口不受任何帶螺旋槳的東西的襲擊，以防日本入侵而安裝的)同時爆炸，結果造成大量海洋生物死亡。
如果美國軍方對一種叫黃花魚的魚類有更多的了解，就可以避免許多類似的悲劇。盡管外表不起眼，但這種棕色的小動物擁有非常響亮的聲音，就有點兒像放大後的啄木鳥聲音。就像鳥兒一樣，每天清晨這些魚會聚集在一起發出聲音。
魚類的嘈雜幾乎完全出乎生物學家的意料。一直以來，有一種深入人心的誤解，即海底就像人們傳說的那樣寂靜無聲。事實上，雖然海洋經常被開發用於沿海和國際旅行，並作為人類食物的來源，但除了道聽途說的有關海怪的奇聞和沉沒城市的傳奇故事之外，人們對海底的東西基本上一無所知，甚至很少有人去推測。黑暗的水下世界對人類是完全陌生的，似乎沒有人類可以涉足的地方。甚至水手也把深海視為禁區，他們中的大多數人甚至沒有學會遊泳。雖然藝術家、作家和心理學家常常把海洋看作原始自然的狂野領域，但他們的注意力卻僅僅局限於它粗糙的表麵。在這個表麵之下是一個不活躍的區域，不見天日，暗淡無光。
20世紀40年代初，人類開始使用水聽器(水下麥克風)聆聽並揭示了“寂靜的深淵”到底有多吵，探測到人類聽力頻率範圍以外的各種各樣的聲音。聲音的來源多種多樣，而且其中大多數是無法識別的。在一些地方，最大的聲源竟然是槍蝦群。事實上，上層海洋區域從來都不是平靜的，它的背景音由波浪、雨水、閃電以及海洋生物產生。在淺水區，旋轉紛飛的沉積物是一種額外的、無處不在的聲音來源。
聽到水下的聲音
表麵上看，海洋的靜默有兩個原因，一個是物理上的，另一個是生物學方麵的。物理上的原因是空氣和水之間的聲阻抗不匹配，海洋表麵就像一個聲波反射鏡，幾乎能將海麵下的所有聲音反射回去，所以陸地上的居民隻能聽到海浪的拍打聲。
將你的頭浸入水中，生物學上的原因就顯現出來了。在水下，耳膜的一邊是水，另一邊是空氣，因此聲阻抗的不匹配再次阻止了大多數聲音進入耳朵。如果我們沒有鼓膜(也沒有充滿空氣的中耳)，我們就可能在水下聽得很清楚。
水下動物不需要人類這種複雜的耳朵。由於周圍水的密度和動物身體的密度相近，聲音進入和通過它們的身體都很容易，水下動物不需要耳郭來收集聲音，也不需要鼓膜或類似鼓膜的圓窗結構來將它從一種介質轉移到另一種介質。魚確實有被稱為耳石的耳骨。其成分是碳酸鈣，碳酸鈣的高密度提供了足夠的聲阻抗差，讓聲波引發振動。這種運動傳播到生長在毛細胞上的立體纖毛上，向大腦發送神經信號。其他被稱為神經丘的毛細胞分布在魚的皮膚上。
還有兩個結構也可以增強某些魚類的聽力。第一個是魚鰾，它是一個充滿空氣的囊，功能類似潛水艇的壓載水艙，根據需要改變所受浮力從而使魚可以不費力氣地下沉或上升。魚鰾作為一個相當靈敏的聽覺器官，很容易感受到聲波的振動，它能聽到3千赫左右的聲音。然而，作為一個單一的、對稱的器官，它有一個很大的缺點，即魚鰾不能提供聲音的方向信息。
這個缺陷由第二種結構彌補，即側線，一個沿魚身兩側分布的充滿**的管道，作為在低頻(160～200赫茲)環境下的一個方向敏感的聲音探測器。人耳靜纖毛在聲波引起基底膜振動時隨之擺動，不同於此，側線靜纖毛直接被傳入的聲波推拉，這意味著聲音的方向可以被直接感覺到(也就是說魚能感覺到水分子的運動，而不像我們一樣通過壓力變化來感知)。這使得人類很難悄悄地接近魚而不被發現。
各種技術和傳感器
最早在水下使用聲音且能被稱為“技術”的是貝爾係統。在這個係統中，放置在港口附近的水下鍾可以被裝有原始水聽器的船隻探測到。這種原始的水聽器采用帶有防水外殼的碳質麥克風。一個看守人在船上用立體聲監聽這套係統，這樣即使在能見度很低的情況下也能把船引導到港口。在1875—1930年，這個係統被安裝到許多船隻上，包括“泰坦尼克號”和“盧西塔尼亞號”。到1923年，英國海岸還有30個水下鍾。但從大約1910年開始，該係統逐漸被回聲測深技術所取代。回聲測深技術是在水下發出聲音並對回聲進行計時，當水下聲速已知時就可以計算出距離。這也是脈衝回聲技術的另一個例子。
從探測回聲開始，現代聲呐(聲音導航和測距)係統逐步發展起來。在主動聲呐係統中，持續時間短的聲音脈衝被船隻投射出去，在它所遇到的物體上反射。除了確定距離，我們還能靠收到的脈衝頻率的變化來計算聲源的相對運動速度(借助多普勒效應)。
被動聲呐係統隻是簡單地監聽水下聲音，尤其是船舶發出的聲音。自動聲音識別技術可以通過發動機的聲音甚至是電子係統的嗡嗡聲來識別不同類型的船舶。事實上，每艘船舶都有其顯著特征或聲學指紋。這種技術在冷戰時期對於識別及跟蹤敵艦和潛艇具有非常重要的意義。主動和被動聲呐係統有時被部署在浮標(聲呐浮標)上，浮標裝備通過搭載的無線電係統來報告它們探測到的東西。
水聽器是水聲工作的關鍵儀器。現在使用的幾乎都是壓電材料，通常是基於一種叫作PZT(鉛和鋯鈦)的合成陶瓷。與麥克風不同，水聽器有時必須具有非常大的規模才能在低頻率下具有方向性。因此一部分潛艇的側麵幾乎完全被水聽器覆蓋。這些所謂的“側翼陣”通常由聚偏氟乙烯(PVDF)製成。
要在水下使用揚聲器功能，就需要水聲發射器。與揚聲器相比，水聲發射器有一個局限性，即當聲波由水麵向水下移動時，聲波會變得稀薄，如果壓力稀薄到低於周圍水的壓力，就會產生空化現象。氣泡分散並吸收聲音，使水聲發射器靜音。深度越大，水壓越高，水聲發射器在空化發生前需要產生的聲功率就越大。
在高功率的應用中，如石油和天然氣勘探類的地球物理測量中，氣槍被用來產生水下聲音。在這些情況下，一個小的空腔充滿壓縮空氣，由於繼電器突然釋放壓力，空腔迅速形成一個大氣泡，伴隨而來的是巨大的爆裂聲。脈衝頻率在20～200赫茲，振幅也非常高，這可能是除大型爆炸外，海洋中最“響”的人造聲源。聲音穿過海床，從下麵岩層之間的界麵反射回來。利用非常長(長達10千米)的水聽器陣列在水麵附近對反射的聲音進行成像，最終觀測結果被計算機處理後可以形成一個三維地圖。
雖然水聲發射器在原理上隻是反過來的水聽器，但它們的物理設計往往是不同的。最廣泛使用的類型就有蘑菇[1]形壓電換能器(Tonpilz transducer)。幾個PZT壓電陶瓷片在電極之間夾成一疊，末端是錐形或圓柱形的質量塊，也就是水聲反射器的工作端。Tonpilz壓電換能器可以產生2～50千赫範圍的頻率。
對於包括信號和距離傳感在內的許多水下應用，常常需要借助具有方向性的聲音。就像在空氣中一樣，如果一個聲源產生的聲波波長小於換能器表麵的寬度，那麽它就會自然地具有方向性。但是因為聲速在水中比在空氣中要大5倍，那麽特定頻率的波長也比它在空氣中對應的波長大5倍，所以更難判斷其方向。
一種製作定向聲源的經典方法是使用參數陣列。如果兩個聲源產生的波隻有頻率相差一點，那麽就會產生差頻，以及頻率為聲源頻率之和的波。差分波的波長根據需要可以為任意長，但它保持了其生成波的方向性。
參數陣列利用了聲速依賴於密度這一事實。在高聲能下，壓縮體中的壓力變得非常大，密度顯著增加使得聲波會短暫加速。密度變得稀疏時，情況則剛好相反。這些速度變化的影響會扭曲波通常的正弦形式。
這在高功率超聲波中也很常見。正如傅裏葉指出的那樣，非正弦波等價於分量正弦的和。考慮參數陣列的情況，這些分量包括原始波，以及加和波與差分波，其中差分波是我們感興趣的一種波。參數陣列也可以在空氣中使用，可以使音頻聽起來更具方向性。
電磁波在水麵以上可以完成的大部分任務，在水麵下都可以通過聲波完成，但聲音有一個不可避免的缺點，即它在水中的速度遠低於空氣中電磁輻射的速度，這意味著掃描需要更長的時間。同樣，當波被用來發送數據時，數據傳輸的速率與波的頻率成正比——而音頻聲波的頻率大約是無線電波的千分之一。由於這個原因，超聲波成為一種替代方案，因為它的頻率可以與那些無線電波的頻率相匹敵。超聲波的另一個優點是更容易產生定向波，且隻向你想要的方向發送信號。然而缺點是吸收比例隨聲音頻率增加而增大，所以頻率範圍是有限的。
傳遍全球的聲音
聲音在水下傳播的距離是驚人的。據稱，在發動機驅動的船隻大量出現之前，南極的鯨類能聽到它們遠在北極的同類的聲音。聲音能夠傳播到如此大的範圍，部分原因是聲波在水中的吸收要比在空氣中少得多。在1千赫時，空氣(濕度為30%)的吸收率約為5分貝/千米，而海水的吸收率僅為0.06 分貝/千米。此外，聲波在水下受到的限製比其在空氣中要大得多。在空中發出的噪聲向四麵八方傳播，但在海洋中，海床和海麵限製了垂直傳播。
水下聲速變化範圍也大得多。因為溫度、壓力和鹽度的影響，密度會產生巨大變化，從而影響聲速(見框11)。隨溫度變化而引起聲速極速變化的海水層被稱為溫躍層，在大多數海洋中溫躍層的形式都是類似的。天氣晴朗的時候，海洋最上層區域的特征是溫度隨深度增加而迅速下降，因此聲速也隨深度增加而下降。正因為晴朗的天氣在夏天更常見，因此形成了眾所周知的季節性溫躍層。在此之下是主溫躍層，溫度和聲速隨深度增加而繼續下降，與季節無關。主溫躍層底部(其深度隨緯度變化較大)溫度穩定在4℃左右，再深處溫度也基本沒有變化。在這個深部等溫層中，壓力成為決定聲速的主要因素，聲速隨深度的增加而增加，如圖22所示。
所以在海洋中的某個地方總有一個聲速較低的層，夾在聲速較高的區域之間。由於折射作用，來自上麵和下麵的聲波都被轉移到這個聲速最小的區域，並被困在那裏。這就是深海聲道(deep sound channel)，它像一個薄薄的球形外殼，延伸在世界各地的海洋之中。
圖22 水下聲速圖
由於聲波在深海聲道隻能水平移動，其聲強下降程度隻與聲音傳播距離成正比，而不是距離的平方，這是因為它們隻會在同一溫度的空氣或水中傳播(換句話說，它們以環狀而非球麵分散)。深海聲道的吸聲率非常低(對頻率有很強的依賴性，但對於4千赫波，吸聲率約為0.2分貝/千米)，所以深海聲道的聲波可以很容易地環繞地球傳播。
深海聲道被用來建立聲音定位和測距(SOFAR)係統。該係統於1960年由澳大利亞-百慕大聲波傳輸實驗發起，在澳大利亞靠近印度洋一側海岸上的赫德島附近引發了爆炸。爆炸的聲音在距離2萬千米之遙的百慕大被探測到。SOFAR係統的研究人員還發現了一種新的、意想不到的聲音，後來被確定為長須鯨的叫聲。長須鯨在很久以前就發現了深海聲道的存在和特性，並定期造訪深海聲道，借此向它們遙遠的同伴發出信號。
SOFAR係統為海洋氣候聲學測溫(ATOC)係統開辟了前路。ATOC係統通過測量大範圍的平均聲速來計算全球海洋溫度，從而幫助量化氣候變化。
天氣的變化導致海洋環境變化，從而導致海洋出現一係列暫時的聲學異常狀態，包括將大多數聲音排除在外的陰影區，以及允許長距離傳播的暫時的聲音通道。由於在行進過程中速度的反複變化(這是由於溫度和鹽度的變化)，沿著暫時聲音通道傳播的聲音就像那些在深海聲道傳播的聲音一樣，在傳播過程中高度失真。在20世紀90年代，各種來曆不明的聲音非常怪異。其中最著名的可能是海洋怪聲(Bloop)，它使人們產生了一係列豐富的想象。
然而，海洋怪聲最有可能是來自遠處的冰山扭曲崩裂的聲音。
地球的聲音
聲波很容易在固體中傳播(見框12)，其他類型的壓力波也是如此。但並非所有的地震波都是聲波。P波(初級波)是縱波，即一係列壓縮波和稀疏波。其速度由地麵的密度和彈性決定，因此是聲波。然而，S波(次級波)是橫波，因此不是聲波。P波和S波都是震波，它們在地球上傳播，被地下的地層折射，為我們提供了有關地球結構的信息。地表地震波也多種多樣，但沒有一種是聲波。
許多大型動物能夠發出並聽到低頻的聲音，比如非洲象，原因很簡單，它們的聲帶很大，移動相對緩慢，它們的叫聲中甚至有一些是次聲波。這對它們來說是相當有利的，因為次聲傳播遠而衰減小(非常粗略地說，空氣中10赫茲的信號傳播距離比100赫茲的信號遠100倍，比1000赫茲的信號遠1萬倍)。
聲音在地下的衰減情況是極為多變的，但通常比在空氣中要低得多。母象利用次聲波來吸引雄象(空氣中可傳播3千米以上，而在地下可傳播10千米以上)，並與它們的幼象聯係。大象還能利用次聲來探測500千米以外的雷暴(找到雷暴就能找到水源)。2004年，斯裏蘭卡的大象逃離海岸，可能是因為它們聽到了即將到來的海嘯產生的次聲波。大象通過發出隆隆聲或跺腳來產生信號，而大象跺腳時也可以通過一種叫作“帕西尼安小體”的振動感受器來探測地麵的聲音。
人類對地下聲音的利用至少可以追溯到公元132年，當時中國製造了第一台地震探測器——地動儀。地動儀是一個有一圈金屬青蛙(蟾蜍)的黃銅容器，每個青蛙嘴裏都銜著一個金屬球(銅球)。地震的發生和方位是由某個方向上的球體下落來表示的。
從遠古時代起，地下的聲音就一直是人們恐懼和驚奇的來源，在演化的進程中，這種感覺可能已經在我們的大腦中根深蒂固。從我們祖先的經驗來看，這些聲音伴隨著雪崩、火山爆發、地震和其他有極強破壞性的自然災害。它們既能被感覺到，又能被聽到，這進一步增強了它們的影響力。感覺到堅實的地球在腳下移動和顫抖的確是一種令人不安的體驗。難怪在許多文化中，地下的黑暗世界被認為是死者的住所。
然而，盡管人們對地下聲音一直有負麵印象，它卻一直被用於戰爭中。在早期的戰爭中，地道中的敵人有時會因為他們在地下發出的聲音被發覺。甚至有記錄表明，人們可以通過將盾牌砸向地麵時發出的聲音來判斷地下是否有地道。在第一次世界大戰中，利用從戰壕牆壁的不同位置探測到的信號，可以通過三角測量來估計敵軍在自己戰壕中的位置。在第二次世界大戰中，波蘭抵抗運動花了很長一段時間在地下監聽和跟蹤頭頂上的德國士兵，
而德國士兵也在用同樣的方法跟蹤他們。
地下聲音探測器被稱為地音探聽器(geophone)。直到20世紀晚期，地音探聽器的工作原理還與動圈麥克風相同，磁鐵因地麵波而移動，從而產生繞其周圍的感應電信號。如今MEMS成功取代了動圈麥克風(見第5章)，一塊微小的矽被安裝在一個精致的支架上，由於地下聲音的振動而開始移動。反饋係統會停止這種運動，它所施加的力會提供關於聲音的精確信息。但MEMS設備相對來說不太敏感，隻能用於監測活躍地震帶。所有實際應用的檢波器都是高度定向的，通常被用來響應來自地麵正下方的聲音。
勘探
勘探通過利用地下聲音得到了長足發展。通常在地下引爆炸藥的時候(在地下沒有類似擴音器的裝置)，它所產生的波會在不同材料層間的界麵上反射，並被一組地音探聽器探測到。
固體中應變產生的超聲波被稱為聲發射，用對它進行的測量和定位來檢測各種結構的裂縫。其應用範圍包括檢測飛行中的飛機和倫敦眼[2]。這就是所謂的結構健康監測。即使一個看不見的小裂縫剛剛開始形成，也可以在瞬間觸發警報。聲發射還被用於研究焊接過程中裂紋的形成，檢測攜帶高壓流體的管道中的損傷，並確定鋼筋混凝土內部的腐蝕量。
地下核試驗很難用其他方法識別，它產生的獨特聲音大多是次聲波。全麵禁止核試驗條約組織(CTBTO)不斷使用地音探聽器(連同深海聲道的水聽器，探測來自海底岩石的水下聲音)監測地球。這一地下和水下探測器網絡使CTBTO得以監督國際禁試條約，一旦核試驗的確發生並被監測到，人們就能計算出試驗地點。
這一章集中討論了我們聽不見的聲頻區域，盡管許多科學家希望我們能聽到這些聲音。在第8章中，我們將注意力轉向那些我們不得不聽到，卻又不想聽到的聲音。
[1] Tonpilz在德語中是“唱歌的蘑菇”。
[2] 倫敦眼是世界上首座、同時截至2005年最大的觀景摩天輪，為倫敦的地標及著名旅遊觀光點之一。