水下聲學(xué)監(jiān)測技術(shù)

 就像麥克風(fēng)在空氣中收集聲音一樣，水下時(shí)，水聽器可探測海洋中的聲音信號(hào)。大多數(shù)水聽器是基于某些陶瓷的特殊特性(壓電性)，當(dāng)受到壓力變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生小電流。放入水中后，陶瓷水聽器暴露在可向任何方向傳播的水下聲音中，會(huì)產(chǎn)生頻率范圍很廣的小幅電壓信號(hào)。

通過放大和記錄水聽器產(chǎn)生的電信號(hào)，可以非常精確地測量海洋中水下的聲音。盡管一個(gè)水聽器可以記錄來自任何方向的聲音，但多個(gè)水聽器可以同時(shí)部署在一個(gè)陣列中，然后通過組陣形成的指向性，來“監(jiān)測”360°方向的聲音，其靈敏度甚至比單個(gè)水聽器元件更高。

圖1：2006年，在格陵蘭島跟蹤獨(dú)角鯨考察期間，國外科學(xué)家對(duì)獨(dú)角鯨和其他海洋哺乳動(dòng)物進(jìn)行了水下聲學(xué)記錄。

 無論是組合成陣列，還是作為單個(gè)元件，水聽器都是水聲探測的基本傳感器。目前，有幾種技術(shù)可用于海洋水下聲學(xué)監(jiān)測。

聲納浮標(biāo)

幾十年來，美國海jun一直使用一種叫做聲納浮標(biāo)的設(shè)備來記錄敵方潛艇的聲音。這種簡單的裝置可以從飛機(jī)或水面艦艇上投放。聲納浮標(biāo)包括一個(gè)水下水聽器和一個(gè)無線電發(fā)射機(jī)，將記錄的水下聲音信號(hào)發(fā)送回飛機(jī)或船只。通過以同一模式部署多個(gè)聲納浮標(biāo)，可以確定“水下目標(biāo)”的位置。聲納浮標(biāo)已被用于海洋勘探，以及記錄海洋哺乳動(dòng)物的叫聲和捕捉地震活動(dòng)。該設(shè)備的壽命很短(只有幾個(gè)小時(shí))，無法長期監(jiān)測海洋聲音。

圖2：一個(gè)聲納浮標(biāo)從國外艦船上投放。

海底觀測網(wǎng)水聽器陣

一種更昂貴但長期布放的水下聲學(xué)監(jiān)測技術(shù)是安裝一個(gè)連接到水下通信電纜的水聽器陣列。自20世紀(jì)60年代以來，美國*已經(jīng)在海洋的許多地區(qū)為jun事應(yīng)用運(yùn)行了這樣一個(gè)水下聲學(xué)監(jiān)視系統(tǒng)(SOSUS)。隨著1989年柏林墻的倒塌和冷戰(zhàn)的結(jié)束，美國海jun向民間科學(xué)界開放了SOSUS的“研究用途”，以評(píng)估其在海洋環(huán)境監(jiān)測中的價(jià)值。

自1991年以來，美國國家海洋和大氣管理局已經(jīng)成功地利用這些水下聲學(xué)監(jiān)測陣列探測到東北太平洋的海底火山爆發(fā)和同一區(qū)域的藍(lán)鯨活動(dòng)。該系統(tǒng)的探測范圍如此之遠(yuǎn)，以至于利用部署在俄勒岡州和華盛頓州海岸的SOSUS陣列，已經(jīng)成功地探測和定位了日本南部的火山震動(dòng)。對(duì)SOSUS的訪問受到限制，因?yàn)閿?shù)據(jù)是保密的，而且只能在安全專用設(shè)備中使用。這些水聽監(jiān)測陣也不能覆蓋全海洋，它們只部署在jun事敏感和需要的地區(qū)，因?yàn)槌杀緦?shí)在太高。SOSUS的連接特性允許實(shí)時(shí)采集聲學(xué)數(shù)據(jù)，但成本很高，SOSUS的總投資估計(jì)超過160億美元。

針對(duì)加利福尼亞近海的先鋒海山，進(jìn)行的海洋中的聲音2001年遠(yuǎn)征計(jì)劃（The Sound in the Sea 2001 Expedition）安裝了第一個(gè)深海長期海底觀測網(wǎng)水聽器陣，這是一條昂貴的海底觀測網(wǎng)，由NOAA投資，可在先鋒海山進(jìn)行海洋實(shí)驗(yàn)。先鋒海山海底觀測網(wǎng)聲學(xué)觀測站是第一個(gè)用于長期監(jiān)測海洋環(huán)境噪聲及其該噪聲對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響的深水民用水聽器陣列。該陣列由四個(gè)垂直懸掛在海底上方的水聽器單元組成。這些聲學(xué)數(shù)據(jù)可由科學(xué)家和公眾通過萬維網(wǎng)獲得。

自治型水下聲學(xué)潛標(biāo)

在20世紀(jì)90年代中期，基于與SOSUS早期工作的成功，NOAA開發(fā)了便攜式水聽器，可以部署在海洋的任何地方。這些設(shè)備由一個(gè)陶瓷水聽器和一個(gè)防水的壓力盒組成，盒中包含所有的電池、控制電腦、時(shí)鐘和其他維護(hù)水聽器數(shù)年工作所需的電子設(shè)備。它們已被成功地用于海洋哺乳動(dòng)物研究和地震研究，甚至被用于探測夏威夷南岸5000多公里范圍內(nèi)的滑坡。

這些儀器的優(yōu)點(diǎn)是便于攜帶，也就是說，它們可以部署在海洋的任何地方。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，與海底觀測網(wǎng)系統(tǒng)(如SOSUS)相比，這些儀器相對(duì)便宜。主要的缺點(diǎn)是目前無法實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)，必須等到船只重新訪問系統(tǒng)部署地點(diǎn)并回收儀器。

待未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等通信方式的進(jìn)步將使高性價(jià)比的水聽器潛標(biāo)浮標(biāo)的實(shí)時(shí)傳輸成為現(xiàn)實(shí)。便攜式水聽器陣列目前部署在赤道太平洋、阿拉斯加灣和亞速爾群島南部的北大西洋。

圖3：自治型水下聲學(xué)潛標(biāo)示意圖。

實(shí)現(xiàn)全球聲學(xué)監(jiān)測

美國海底觀測網(wǎng)SOSUS在敏感的軍事區(qū)域提供了出色的實(shí)時(shí)水下聲學(xué)監(jiān)測。借助已廢棄的水下jun用聲學(xué)監(jiān)測陣列和商業(yè)電信電纜，仍有可能在海洋的幾個(gè)地點(diǎn)建立更多海底觀測網(wǎng)聲學(xué)監(jiān)測站。

NOAA及其合作伙伴計(jì)劃在海洋周圍安裝大量海底水聽器陣列，作為NOAA海洋勘探計(jì)劃的一部分。這些陣列將包括在增設(shè)的水聽器監(jiān)測站點(diǎn)，類似于先鋒海山。并采用自治型水聽器和其他新技術(shù)，來部署在海底觀測網(wǎng)無法到達(dá)的海洋區(qū)域。這是一項(xiàng)很大的工程，其最終的目標(biāo)是建立一個(gè)能夠在尺度上觀測海洋現(xiàn)象的系統(tǒng)。

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