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07 水下和地下的声音 Sound Underwater and Underground（第4页）

密度变得稀疏时，情况则刚好相反。

这些速度变化的影响会扭曲波通常的正弦形式。

这在高功率超声波中也很常见。

正如傅里叶指出的那样，非正弦波等价于分量正弦的和。

考虑参数阵列的情况，这些分量包括原始波，以及加和波与差分波，其中差分波是我们感兴趣的一种波。

参数阵列也可以在空气中使用，可以使音频听起来更具方向性。

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。