07 水下和地下的声音 Sound Underwater and Underground（第2页）

电磁波在水面以上可以完成的大部分任务，在水面下都可以通过声波完成，但声音有一个不可避免的缺点，即它在水中的速度远低于空气中电磁辐射的速度，这意味着扫描需要更长的时间。同样，当波被用来发送数据时，数据传输的速率与波的频率成正比——而音频声波的频率大约是无线电波的千分之一。由于这个原因，超声波成为一种替代方案，因为它的频率可以与那些无线电波的频率相匹敌。超声波的另一个优点是更容易产生定向波，且只向你想要的方向发送信号。然而缺点是吸收比例随声音频率增加而增大，所以频率范围是有限的。

传遍全球的声音

声音在水下传播的距离是惊人的。据称，在发动机驱动的船只大量出现之前，南极的鲸类能听到它们远在北极的同类的声音。声音能够传播到如此大的范围，部分原因是声波在水中的吸收要比在空气中少得多。在1千赫时，空气（湿度为30%）的吸收率约为5分贝千米，而海水的吸收率仅为0。06分贝千米。此外，声波在水下受到的限制比其在空气中要大得多。在空中发出的噪声向四面八方传播，但在海洋中，海床和海面限制了垂直传播。

水下声速变化范围也大得多。因为温度、压力和盐度的影响，密度会产生巨大变化，从而影响声速（见框11）。随温度变化而引起声速极速变化的海水层被称为温跃层，在大多数海洋中温跃层的形式都是类似的。天气晴朗的时候，海洋最上层区域的特征是温度随深度增加而迅速下降，因此声速也随深度增加而下降。正因为晴朗的天气在夏天更常见，因此形成了众所周知的季节性温跃层。在此之下是主温跃层，温度和声速随深度增加而继续下降，与季节无关。主温跃层底部（其深度随纬度变化较大）温度稳定在4℃左右，再深处温度也基本没有变化。在这个深部等温层中，压力成为决定声速的主要因素，声速随深度的增加而增加，如图22所示。

所以在海洋中的某个地方总有一个声速较低的层，夹在声速较高的区域之间。由于折射作用，来自上面和下面的声波都被转移到这个声速最小的区域，并被困在那里。这就是深海声道（deepsoundel），它像一个薄薄的球形外壳，延伸在世界各地的海洋之中。

图22　水下声速图

由于声波在深海声道只能水平移动，其声强下降程度只与声音传播距离成正比，而不是距离的平方，这是因为它们只会在同一温度的空气或水中传播（换句话说，它们以环状而非球面分散）。深海声道的吸声率非常低（对频率有很强的依赖性，但对于4千赫波，吸声率约为0。2分贝千米），所以深海声道的声波可以很容易地环绕地球传播。

深海声道被用来建立声音定位和测距（SOFAR）系统。该系统于1960年由澳大利亚-百慕大声波传输实验发起，在澳大利亚靠近印度洋一侧海岸上的赫德岛附近引发了爆炸。爆炸的声音在距离2万千米之遥的百慕大被探测到。SOFAR系统的研究人员还发现了一种新的、意想不到的声音，后来被确定为长须鲸的叫声。长须鲸在很久以前就发现了深海声道的存在和特性，并定期造访深海声道，借此向它们遥远的同伴发出信号。

SOFAR系统为海洋气候声学测温（ATOC）系统开辟了前路。ATOC系统通过测量大范围的平均声速来计算全球海洋温度，从而帮助量化气候变化。

天气的变化导致海洋环境变化，从而导致海洋出现一系列暂时的声学异常状态，包括将大多数声音排除在外的阴影区，以及允许长距离传播的暂时的声音通道。由于在行进过程中速度的反复变化（这是由于温度和盐度的变化），沿着暂时声音通道传播的声音就像那些在深海声道传播的声音一样，在传播过程中高度失真。在20世纪90年代，各种来历不明的声音非常怪异。其中最著名的可能是海洋怪声（Bloop），它使人们产生了一系列丰富的想象。

然而，海洋怪声最有可能是来自远处的冰山扭曲崩裂的声音。

地球的声音

声波很容易在固体中传播（见框12），其他类型的压力波也是如此。但并非所有的地震波都是声波。P波（初级波）是纵波，即一系列压缩波和稀疏波。其速度由地面的密度和弹性决定，因此是声波。然而，S波（次级波）是横波，因此不是声波。P波和S波都是震波，它们在地球上传播，被地下的地层折射，为我们提供了有关地球结构的信息。地表地震波也多种多样，但没有一种是声波。

许多大型动物能够发出并听到低频的声音，比如非洲象，原因很简单，它们的声带很大，移动相对缓慢，它们的叫声中甚至有一些是次声波。这对它们来说是相当有利的，因为次声传播远而衰减小（非常粗略地说，空气中10赫兹的信号传播距离比100赫兹的信号远100倍，比1000赫兹的信号远1万倍）。

声音在地下的衰减情况是极为多变的，但通常比在空气中要低得多。母象利用次声波来吸引雄象（空气中可传播3千米以上，而在地下可传播10千米以上），并与它们的幼象联系。大象还能利用次声来探测500千米以外的雷暴（找到雷暴就能找到水源）。2004年，斯里兰卡的大象逃离海岸，可能是因为它们听到了即将到来的海啸产生的次声波。大象通过发出隆隆声或跺脚来产生信号，而大象跺脚时也可以通过一种叫作“帕西尼安小体”的振动感受器来探测地面的声音。

人类对地下声音的利用至少可以追溯到公元132年，当时中国制造了第一台地震探测器——地动仪。地动仪是一个有一圈金属青蛙（蟾蜍）的黄铜容器，每个青蛙嘴里都衔着一个金属球（铜球）。地震的发生和方位是由某个方向上的球体下落来表示的。

从远古时代起，地下的声音就一直是人们恐惧和惊奇的来源，在演化的进程中，这种感觉可能已经在我们的大脑中根深蒂固。从我们祖先的经验来看，这些声音伴随着雪崩、火山爆发、地震和其他有极强破坏性的自然灾害。它们既能被感觉到，又能被听到，这进一步增强了它们的影响力。感觉到坚实的地球在脚下移动和颤抖的确是一种令人不安的体验。难怪在许多文化中，地下的黑暗世界被认为是死者的住所。

然而，尽管人们对地下声音一直有负面印象，它却一直被用于战争中。在早期的战争中，地道中的敌人有时会因为他们在地下发出的声音被发觉。甚至有记录表明，人们可以通过将盾牌砸向地面时发出的声音来判断地下是否有地道。在第一次世界大战中，利用从战壕墙壁的不同位置探测到的信号，可以通过三角测量来估计敌军在自己战壕中的位置。在第二次世界大战中，波兰抵抗运动花了很长一段时间在地下监听和跟踪头顶上的德国士兵，

而德国士兵也在用同样的方法跟踪他们。

地下声音探测器被称为地音探听器（geophone）。直到20世纪晚期，地音探听器的工作原理还与动圈麦克风相同，磁铁因地面波而移动，从而产生绕其周围的感应电信号。如今MEMS成功取代了动圈麦克风（见第5章），一块微小的硅被安装在一个精致的支架上，由于地下声音的振动而开始移动。反馈系统会停止这种运动，它所施加的力会提供关于声音的精确信息。但MEMS设备相对来说不太敏感，只能用于监测活跃地震带。所有实际应用的检波器都是高度定向的，通常被用来响应来自地面正下方的声音。

勘探

勘探通过利用地下声音得到了长足发展。通常在地下引爆炸药的时候（在地下没有类似扩音器的装置），它所产生的波会在不同材料层间的界面上反射，并被一组地音探听器探测到。

固体中应变产生的超声波被称为声发射，用对它进行的测量和定位来检测各种结构的裂缝。其应用范围包括检测飞行中的飞机和伦敦眼[2]。这就是所谓的结构健康监测。即使一个看不见的小裂缝刚刚开始形成，也可以在瞬间触发警报。声发射还被用于研究焊接过程中裂纹的形成，检测携带高压流体的管道中的损伤，并确定钢筋混凝土内部的腐蚀量。

地下核试验很难用其他方法识别，它产生的独特声音大多是次声波。全面禁止核试验条约组织（CTBTO）不断使用地音探听器（连同深海声道的水听器，探测来自海底岩石的水下声音）监测地球。这一地下和水下探测器网络使CTBTO得以监督国际禁试条约，一旦核试验的确发生并被监测到，人们就能计算出试验地点。

这一章集中讨论了我们听不见的声频区域，尽管许多科学家希望我们能听到这些声音。在第8章中，我们将注意力转向那些我们不得不听到，却又不想听到的声音。

[1]　Tonpilz在德语中是“唱歌的蘑菇”。

[2]　伦敦眼是世界上首座、同时截至2005年最大的观景摩天轮，为伦敦的地标及著名旅游观光点之一。