第二种视力

如果我们的世界一直笼罩在雾中，可能我们就会极少使用视觉，而更多依靠听觉。假设这种雾是无线电波无法穿透的，那我们的通信系统无疑也会在声学上发生改变。海洋就是这样一个世界，水中有许多悬浮粒子，能见度很低，且无线电波在其中很快就会消失。但水里充满了声音，鱼类、海洋哺乳动物、人类潜水员、潜水艇和水下机器人，它们都用声音来进行微妙而复杂的感知、交流，甚至有时还会利用声音发动攻击。

这对不到100年前的科学家来说是闻所未闻的。实际上，列奥纳多·达·芬奇(Leonardo da Vinci)在1490年左右指出：“如果把你的船停下来，将长管的一端放在水中，另一端放在耳边，你就能听到离你很远的船的声音。”但当时没有人注意到他的这一论述。

在第一次世界大战期间，人们才开始尝试倾听船在水下的声音。而直到第二次世界大战，水下声景才变得丰富起来。这在一定程度上是由两个奇怪的事件引发的。1942年，部署在切萨皮克湾(Chesapeake Bay)用于探测德国潜艇的声学浮标全部同时发出警报。一队驱逐舰“满怀热情”地向这片海域发动了深水炸弹袭击，但没有发现任何泄露潜艇踪影的油迹，受到攻击的只是成千上万条鱼。同年晚些时候，在美国西海岸，所有的感音水雷(这是为了保护港口不受任何带螺旋桨的东西的袭击，以防日本入侵而安装的)同时爆炸，结果造成大量海洋生物死亡。

如果美国军方对一种叫黄花鱼的鱼类有更多的了解，就可以避免许多类似的悲剧。尽管外表不起眼，但这种棕色的小动物拥有非常响亮的声音，就有点儿像放大后的啄木鸟声音。就像鸟儿一样，每天清晨这些鱼会聚集在一起发出声音。

鱼类的嘈杂几乎完全出乎生物学家的意料。一直以来，有一种深入人心的误解，即海底就像人们传说的那样寂静无声。事实上，虽然海洋经常被开发用于沿海和国际旅行，并作为人类食物的来源，但除了道听途说的有关海怪的奇闻和沉没城市的传奇故事之外，人们对海底的东西基本上一无所知，甚至很少有人去推测。黑暗的水下世界对人类是完全陌生的，似乎没有人类可以涉足的地方。甚至水手也把深海视为禁区，他们中的大多数人甚至没有学会游泳。虽然艺术家、作家和心理学家常常把海洋看作原始自然的狂野领域，但他们的注意力却仅仅局限于它粗糙的表面。在这个表面之下是一个不活跃的区域，不见天日，暗淡无光。

20世纪40年代初，人类开始使用水听器(水下麦克风)聆听并揭示了“寂静的深渊”到底有多吵，探测到人类听力频率范围以外的各种各样的声音。声音的来源多种多样，而且其中大多数是无法识别的。在一些地方，最大的声源竟然是枪虾群。事实上，上层海洋区域从来都不是平静的，它的背景音由波浪、雨水、闪电以及海洋生物产生。在浅水区，旋转纷飞的沉积物是一种额外的、无处不在的声音来源。

听到水下的声音

表面上看，海洋的静默有两个原因，一个是物理上的，另一个是生物学方面的。物理上的原因是空气和水之间的声阻抗不匹配，海洋表面就像一个声波反射镜，几乎能将海面下的所有声音反射回去，所以陆地上的居民只能听到海浪的拍打声。

将你的头浸入水中，生物学上的原因就显现出来了。在水下，耳膜的一边是水，另一边是空气，因此声阻抗的不匹配再次阻止了大多数声音进入耳朵。如果我们没有鼓膜(也没有充满空气的中耳)，我们就可能在水下听得很清楚。

水下动物不需要人类这种复杂的耳朵。由于周围水的密度和动物身体的密度相近，声音进入和通过它们的身体都很容易，水下动物不需要耳郭来收集声音，也不需要鼓膜或类似鼓膜的圆窗结构来将它从一种介质转移到另一种介质。鱼确实有被称为耳石的耳骨。其成分是碳酸钙，碳酸钙的高密度提供了足够的声阻抗差，让声波引发振动。这种运动传播到生长在毛细胞上的立体纤毛上，向大脑发送神经信号。其他被称为神经丘的毛细胞分布在鱼的皮肤上。

还有两个结构也可以增强某些鱼类的听力。第一个是鱼鳔，它是一个充满空气的囊，功能类似潜水艇的压载水舱，根据需要改变所受浮力从而使鱼可以不费力气地下沉或上升。鱼鳔作为一个相当灵敏的听觉器官，很容易感受到声波的振动，它能听到3千赫左右的声音。然而，作为一个单一的、对称的器官，它有一个很大的缺点，即鱼鳔不能提供声音的方向信息。

这个缺陷由第二种结构弥补，即侧线，一个沿鱼身两侧分布的充满**的管道，作为在低频(160～200赫兹)环境下的一个方向敏感的声音探测器。人耳静纤毛在声波引起基底膜振动时随之摆动，不同于此，侧线静纤毛直接被传入的声波推拉，这意味着声音的方向可以被直接感觉到(也就是说鱼能感觉到水分子的运动，而不像我们一样通过压力变化来感知)。这使得人类很难悄悄地接近鱼而不被发现。

各种技术和传感器

最早在水下使用声音且能被称为“技术”的是贝尔系统。在这个系统中，放置在港口附近的水下钟可以被装有原始水听器的船只探测到。这种原始的水听器采用带有防水外壳的碳质麦克风。一个看守人在船上用立体声监听这套系统，这样即使在能见度很低的情况下也能把船引导到港口。在1875—1930年，这个系统被安装到许多船只上，包括“泰坦尼克号”和“卢西塔尼亚号”。到1923年，英国海岸还有30个水下钟。但从大约1910年开始，该系统逐渐被回声测深技术所取代。回声测深技术是在水下发出声音并对回声进行计时，当水下声速已知时就可以计算出距离。这也是脉冲回声技术的另一个例子。

从探测回声开始，现代声呐(声音导航和测距)系统逐步发展起来。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(Tonpilz transducer)。几个PZT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。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(deep sound channel)，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。