大洋声道中的超远传播

大洋声道

声波在大洋水下某个相当厚的水层中传播时，能量损失很小，传播距离甚至可超过通常传播距离的几百倍，这样的水层称为大洋的声道。此现象是第二次世界大战期间美国的W．M．尤因和J．沃泽尔及苏联的拉津贝格等人，先后在大西洋和太平洋用炸药作为水下声源进行水声实验时发现的。

用射线声学的观点，很容易解释出现超远传播的原因。由于大洋中各层海水的温度、盐度和流体静压力不同，声波在各水层中的传播速度也不同。声速随深度的变化曲线c（z）在水下某处有一极小值，通常将声速极小值所在的水层称为声道轴，a，b为不同类型的水下声道。若声源位于声道轴附近，则所辐射的大部分声波的能量集中在从海面至与海面声速同值的平面间的厚水层中，此水层称为水下声道。尤因等人在1948年发表了大西洋水下声道声线图。可以看出，声道轴上下方的声速梯度的方向相反。按折射定律，声道轴附近的声源辐射的声线，必然向声道轴弯曲。这样一来，大多数声线不经过海底和海面的反射而在水层中反转传播，使多数能量保留在声道轴上下相当厚的水层中。低频的声波，在声道中传播得最远。这种深海声道，又称为声发声道。

水下声道轴的深度，一般为900～1300米，但热带某些海域的声道轴，却可深达2000米，而温带海域的声道轴则随纬度的增加而上升，可升到200～500米深处。在地球两极地区的海域，声道轴位于海面附近。有些海区的声道轴处于深度为60～100米处，称为表面声道。还有一些海区，例如黑海和波罗的海，存在两个声道：表面声道和水下声道。表面声道的出现，是由于温跃层下部存在一个暖水团。从海面向下，海水温度先随深度的增加而降低，但到暖水团处，温度转而升高。由于温度对声速的影响，在原有的声速最小值的上方，又产生一个声速最小值。表面声道通常是不稳定的，由于表面波浪和表层中的大量气泡，也会引起声的散射，故声道效应较差。

寒带海区有稳定的表面声道，热带、温带海区由于风浪搅拌，出现几十米到100米厚的等温层，其声速具有每米0．016米/秒的正梯度，形成了混合层声道。这也是一种表面声道。混合层声道的厚度受季节影响较大，有较高的截止频率。频率低于截止频率时，就没有明显的声道效应。

在声道中，相邻几条声线相交而形成的包络，称为声焦散线，是局部的声聚焦区。当声源接近海面时，此焦散线和海面相交，使一定深度的水层中出现高声强级区，称为声会聚区。在此区域内，信号失真，并具有较强的多途相干性；两会聚区之间，是海底反射声线构成的低声强级区。这两种区域交替出现。会聚区的宽度随距离的增加而加宽，随声源所在处深度的增加而发生迁移和分裂。在距离声源较近处，平均声强按球面规律随距离而衰减；在远离声源的地方，平均声强则按柱面规律衰减。在球面衰减区域和柱面衰减区域之间，有一个过渡衰减区，其中声的衰减规律相当复杂。

利用声波在声道中超远传播的特点，在大洋中几个岛屿上建立声发系统，当遇难船只或坠海飞行员投掷少量炸药包在水下爆炸时，位于数千公里外的声发站便可接收到爆炸信号，根据信号到达三个（或数个）接收站的时间差，可确定爆炸点的位置，而找到被营救的目标。此外，声发系统还可预报海啸引起的毁灭性巨浪。若在大洋中布设几个接收点，并精确测量爆炸声沿深海声道轴传播的时间，还可测定距离或确定导弹溅落的位置。