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07 水下和地下的声音 Sound Underwater and Underground（第3页）

在主动声呐系统中，持续时间短的声音脉冲被船只投射出去，在它所遇到的物体上反射。

除了确定距离，我们还能靠收到的脉冲频率的变化来计算声源的相对运动速度（借助多普勒效应）。

被动声呐系统只是简单地监听水下声音，尤其是船舶发出的声音。

自动声音识别技术可以通过发动机的声音甚至是电子系统的嗡嗡声来识别不同类型的船舶。

事实上，每艘船舶都有其显著特征或声学指纹。

这种技术在冷战时期对于识别及跟踪敌舰和潜艇具有非常重要的意义。

主动和被动声呐系统有时被部署在浮标（声呐浮标）上，浮标装备通过搭载的无线电系统来报告它们探测到的东西。

水听器是水声工作的关键仪器。

现在使用的几乎都是压电材料，通常是基于一种叫作PZT（铅和锆钛）的合成陶瓷。

与麦克风不同，水听器有时必须具有非常大的规模才能在低频率下具有方向性。

因此一部分潜艇的侧面几乎完全被水听器覆盖。

这些所谓的“侧翼阵”

通常由聚偏氟乙烯（PVDF）制成。

要在水下使用扬声器功能，就需要水声发射器。

与扬声器相比，水声发射器有一个局限性，即当声波由水面向水下移动时，声波会变得稀薄，如果压力稀薄到低于周围水的压力，就会产生空化现象。

气泡分散并吸收声音，使水声发射器静音。

深度越大，水压越高，水声发射器在空化发生前需要产生的声功率就越大。

在高功率的应用中，如石油和天然气勘探类的地球物理测量中，气枪被用来产生水下声音。

在这些情况下，一个小的空腔充满压缩空气，由于继电器突然释放压力，空腔迅速形成一个大气泡，伴随而来的是巨大的爆裂声。

脉冲频率在20～200赫兹，振幅也非常高，这可能是除大型爆炸外，海洋中最“响”

的人造声源。

声音穿过海床，从下面岩层之间的界面反射回来。

利用非常长（长达10千米）的水听器阵列在水面附近对反射的声音进行成像，最终观测结果被计算机处理后可以形成一个三维地图。

虽然水声发射器在原理上只是反过来的水听器，但它们的物理设计往往是不同的。

最广泛使用的类型就有蘑菇[1]形压电换能器（Tonpilztra压电陶瓷片在电极之间夹成一叠，末端是锥形或圆柱形的质量块，也就是水声反射器的工作端。

Tonpilz压电换能器可以产生2～50千赫范围的频率。

对于包括信号和距离传感在内的许多水下应用，常常需要借助具有方向性的声音。

就像在空气中一样，如果一个声源产生的声波波长小于换能器表面的宽度，那么它就会自然地具有方向性。

但是因为声速在水中比在空气中要大5倍，那么特定频率的波长也比它在空气中对应的波长大5倍，所以更难判断其方向。

一种制作定向声源的经典方法是使用参数阵列。

如果两个声源产生的波只有频率相差一点，那么就会产生差频，以及频率为声源频率之和的波。

差分波的波长根据需要可以为任意长，但它保持了其生成波的方向性。

参数阵列利用了声速依赖于密度这一事实。

在高声能下，压缩体中的压力变得非常大，密度显著增加使得声波会短暂加速。