海洋声学技术

海洋声学技术,鱼类声学追踪，侧扫声纳，鱼探仪，水声通讯设备海洋研究和开发所用的水声技术，如回声探测、被动探测、水声通讯、水声远测和水声远控等。回声探测利用一组换能器发射声信号，通过另一组换能器接收从目标反射的回声信号，再由处理后的信号判定目标的参数和性质。回声测深仪它向海底发射一束较窄的声脉冲，丈量此信号由海底反射并回到水听器的时间，在声速已知的条件下，就可测出船只所在处的水深。现代大功率的测深仪，能够描绘出最深洋底的外形。多波束式或多振子的测深仪，可同时获得多个水深点的数据，并往往采用数字显示，和计算机联用而自动绘制海底地形图。多普勒导航仪（多普勒声呐）根据多普勒效应，若船只和海底有相对运动，回波信号就会产生频移。同时丈量4个波束中由于船只对海底相对运动而出现的频移，经信号处理后，就可精确地测出船只对海底的运动速度，并画出航迹来。多普勒声呐也是一种引导大型船只靠岸的有效工具。鱼探仪由它获得的鱼群回波，可大致判定出鱼群的位置、范围和密集程度。通常使用的垂直鱼探仪，可以探测底层的鱼类；水平鱼探仪则以探测上层和中层的鱼类为主。采用电子扫描等先进技术之后，探测的范围就大得多。侧扫描声纳（海底地貌仪）用以调查海底地质地貌的水声设备，种类很多，这是其中的一种。在船的两侧安装垂直方向角较宽而水平方向角很窄的一组换能器，记录海底的散射回波，就可获得离两侧船舷一定间隔内精细的海底地貌声图。为了适应深水探测的需要，也可把换能器置于拖曳体中。此仪器还可用于海底油管的展设检查和沉埋物的搜索等水下工程中。浅地层剖面仪使用低频声信号，可以穿透地层，从其回波的分析获得底质的结构资料，故广泛应用于水下工程的地质勘探。地震探测系统使用大功率低频声源、多道接收拖曳电缆和多道数据处理记录系统，可以取得深层地质结构的资料，用于海底石油及其他矿物的勘探等。爆炸声源发出的大功率低频声波，可以穿透到很深的底层。若在离爆炸源较远的海上放置一系列水听器，就可以接收到由不同地层传来的折射波，为海底地质结构、水下石油资源等提供有价值的数据。在海洋水文观测中，已越来越多地应用水声丈量仪器。假如把回声探测仪作相应的修改，安放于海底，使它向海面发射声脉冲，就可以丈量波高和周期等，并从波高均匀值的变化，获得潮位的变化规律。若把换能器安装于船舷外侧，也可测出波浪的要素。利用随海流运动的散射体的回波会出现多普勒频移的特性，可制成多普勒海流计，它可以不破坏流场而丈量瞬时的低速海流。根据声波通过固定间隔的传输时间和声速成比例的关系，可制成声速计，它能实时地丈量海水的声速。在海洋水文调查中广泛应用水声仪器设备，是一项重大的技术改进。被动探测它探测水中传来的声信息，由此判定发声体的位置和特性。其所测听的声源可分为自然声源和人为声源两类。自然声源不少海洋中的动物，能够发声（见海洋生物发声）。故可利用被动探测系统监视鱼群的回游特性，并根据鱼类声音的特性来判定鱼群的种类，为海洋捕捞提供有价值的数据。深海水下的水听器系统，还能正确地测出水下地震、水下火山爆发的位置和估计其强度等。人为声源鱼类对声音很敏感，并有好恶之分。故可以发出它们喜欢的声音加以诱集，发出它们不喜欢听的声音加以驱逐。根据这原理制成的声诱鱼器和驱鱼器，已开始应用于海洋捕捞中。根据不同目的，分别采用连续的、脉冲的或其他调制方式的信号源，将一种小型的声信标缚于鱼体或纳进其胃中，用被动声呐跟踪，很适合于海洋生物习性的现场研究。跟踪放于海底的小型发声体，能够了解海底石砾等的移动状态，一种船只和飞机遇险的声信标，在船只和飞机沉没于水下的一定期间内，能发出声信号以指示它的位置。利用带有声信标的中性浮标，可以丈量深层的海流，如赤道深层流等。水声通讯利用声波在水下传递信息。通讯的双方在水下都设置有发射器和接收器。这种通讯有两种方式：①载波语言调制声波或直接辐射语言声波。后者用于间隔较近的潜水员间的通讯。②数字编码是水声设备中常作为指令和控制的通讯方式。目前广泛使用的水声应答器便是数字编码通讯的典型设备，它按事先安排好的程序，自行完成各应答器和主机间的通讯。水声应答器可用于水下载体的导航和跟踪，帮助钻探船和平台正确寻找井口位置，监视水下的施工，传递水下远测系统各水文参数讯号等。水声远测系统把所要丈量的水下环境参数变换成水声信息之后，传到处理船只或岸站来，经过水声接收机处理，重新转换成相应的环境参数信息。海洋水文参数的水声远测仪它以声传输代替了操纵麻烦的电缆。可以把此仪器和远测浮标系统结合起来，由一系列的水下浮标把丈量的参数通过水声信道传输到母浮标，再由母浮标把它转换成无线电信号而传到调查船或岸站来，这种远测方式具有实时、大面积、快速和连续丈量等优点。网位仪水下部件缚于拖网的网口上，把获得的信息变成水声信号发射到船上来，从而监测鱼网的高度、开口的状态、拖绳的拉力、鱼群进网和分布的状态及远测网口四周的水温等，这对进步鱼获量很有帮助。水声远控系统包括船上声指令发射机、水下声指令接收机和相应的控制机构。例如，利用水声开释器按水声开释指令把水下浮筒放掉，使其浮出水面，以便船只跟踪回收。这种远控技术，广泛应用于海洋调查、水下工程、石油钻探和地震丈量等方面，对水下油井的流量、防喷器架、输油管道的阀门和水下爆炸等，都可采用水下远控方式。各种海洋自动机，如无人深潜器、海底自走车的行动及机械手的动作，也可采用水声远控。总之，水声技术已广泛应用于海洋研究和海洋开发的各个方面，但因海水介质是一种复杂多变和多途径的声信道，水声干扰又很强烈，如上水声信息的检测仍存在一系列困难，使水声仪器的可靠性、分辨率等性能的进步受到一定的限制。为此，今后必须加强水声传输规律等基础理论的研究，留意探索新技术在水声方面应用的可能性。