海洋生物聲學

海洋生物聲學是指海洋研究和開發所用的水聲技術。

基本介紹

• 中文名：海洋生物聲學
• 外文名：marine bioacoustics
• 研究：水聲技術
• 分類：回聲探測等被動探測 
• 學科：物理

簡介

海洋生物聲學是指海洋研究和開發所用的水聲技術。海洋生物聲學是一門具有廣闊前景的邊緣學科，受到國內外有關學者廣泛的重視。

研究方法

海洋生物聲學主要研究方法有回聲探測、被動探測、水聲通訊、水聲遙測和水聲遙控等。

回聲探測

利用一組換能器發射聲信號，通過另一組換能器接收從目標反射的回聲信號，再由處理後的信號判斷目標的參數和性質。

回聲測深儀 　它向海底發射一束較窄的聲脈衝，測量此信號由海底反射並回到水聽器的時間，在聲速已知的條件下，就可測出船隻所在處的水深。現代大功率的測深儀，能夠描繪出最深洋底的形狀。多波束式或多振子的測深儀，可同時獲得多個水深點的數據，並往往採用數字顯示，和計算機聯用而自動繪製海底地形圖。

都卜勒導航儀（都卜勒聲吶） 　根據都卜勒效應，若船隻和海底有相對運動，回波信號就會產生頻移。同時測量 4個波束中由於船隻對海底相對運動而出現的頻移，經信號處理後，就可精確地測出船隻對海底的運動速度，並畫出航跡來。都卜勒聲吶也是一種引導大型船隻靠岸的有效工具。

魚探儀 　由它獲得的魚群回波，可大致判斷出魚群的位置、範圍和密集程度。通常使用的垂直魚探儀，可以探測底層的魚類；水平魚探儀則以探測上層和中層的魚類為主。採用電子掃描等先進技術之後，探測的範圍就大得多。

側掃描聲納（海底地貌儀） 　用以調查海底地質地貌的水聲設備，種類很多，這是其中的一種。在船的兩側安裝垂直方向角較寬而水平方向角很窄的一組換能器，記錄海底的散射回波，就可獲得離兩側船舷一定距離內精細的海底地貌聲圖。為了適應深水探測的需要，也可把換能器置於拖曳體中。此儀器還可用於海底油管的鋪設檢查和沉埋物的搜尋等水下工程中。淺地層剖面儀使用低頻聲信號，可以穿透地層，從其回波的分析獲得底質的結構資料，故廣泛套用於水下工程的地質勘探。地震探測系統使用大功率低頻聲源、多道接收拖曳電纜和多道數據處理記錄系統，可以取得深層地質結構的資料，用於海底石油及其他礦物的勘探等。爆炸聲源發出的大功率低頻聲波，可以穿透到很深的底層。若在離爆炸源較遠的海上放置一系列水聽器，就可以接收到由不同地層傳來的折射波，為海底地質結構、水下石油資源等提供有價值的數據。

在海洋水文觀測中，已越來越多地套用水聲測量儀器。如果把回聲探測儀作相應的修改，安放于海底，使它向海面發射聲脈衝，就可以測量波高和周期等，並從波高平均值的變化，獲得潮位的變化規律。若把換能器安裝於船舷外側，也可測出波浪的要素。利用隨海流運動的散射體的回波會出現都卜勒頻移的特性，可製成都卜勒海流計，它可以不破壞流場而測量瞬時的低速海流。根據聲波通過固定距離的傳輸時間和聲速成比例的關係，可製成聲速計，它能實時地測量海水的聲速。在海洋水文調查中廣泛套用水聲儀器設備，是一項重大的技術改進。

被動探測

它探測水中傳來的聲信息，由此判斷發聲體的位置和特性。其所測聽的聲源可分為自然聲源和人為聲源兩類。

自然聲源 　不少海洋中的動物，能夠發聲（見海洋生物發聲）。故可利用被動探測系統監視魚群的回遊特性，並根據魚類聲音的特性來判斷魚群的種類，為海洋捕撈提供有價值的數據。深海水下的水聽器系統，還能準確地測出水下地震、水下火山爆發的位置和估計其強度等。

人為聲源 　魚類對聲音很敏感，並有好惡之分。故可以發出它們喜歡的聲音加以誘集，發出它們不喜歡聽的聲音加以驅逐。根據這原理製成的聲誘魚器和驅魚器，已開始套用于海洋捕撈中。根據不同目的，分別採用連續的、脈衝的或其他調製方式的信號源，將一種小型的聲信標縛於魚體或納入其胃中，用被動聲吶跟蹤，很適合于海洋生物習性的現場研究。跟蹤放于海底的小型發聲體，能夠了解海底石礫等的移動狀態，一種船隻和飛機遇險的聲信標，在船隻和飛機沉沒於水下的一定期間內，能發出聲信號以指示它的位置。利用帶有聲信標的中性浮標，可以測量深層的海流，如赤道深層流等。

水聲通訊

利用聲波在水下傳遞信息。通訊的雙方在水下都設定有發射器和接收器。這種通訊有兩種方式：①載波語言調製聲波或直接輻射語言聲波。後者用於距離較近的潛水員間的通信。②數字編碼是水聲設備中常作為指令和控制的通訊方式。目前廣泛使用的水聲應答器便是數字編碼通訊的典型設備，它按事先安排好的程式，自行完成各應答器和主機間的通訊。水聲應答器可用於水下載體的導航和跟蹤，幫助鑽探船和平台準確尋找井口位置，監視水下的施工，傳遞水下遙測系統各水文參數訊號等。

水聲遙測系統 　把所要測量的水下環境參數變換成水聲信息之後，傳到處理船隻或岸站來，經過水聲接收機處理，重新轉換成相應的環境參數信息。

海洋水文參數的水聲遙測儀 　它以聲傳輸代替了操作麻煩的電纜。可以把此儀器和遙測浮標系統結合起來，由一系列的水下浮標把測量的參數通過水聲信道傳輸到母浮標，再由母浮標把它轉換成無線電信號而傳到調查船或岸站來，這種遙測方式具有實時、大面積、快速和連續測量等優點。

網位儀 　水下部件縛於拖網的網口上，把獲得的信息變成水聲信號發射到船上來，從而監測魚網的高度、開口的狀態、拖繩的拉力、魚群入網和分布的狀態及遙測網口周圍的水溫等，這對提高魚獲量很有幫助。

水聲遙控系統 　包括船上聲指令發射機、水下聲指令接收機和相應的控制機構。例如，利用水聲釋放器按水聲釋放指令把水下浮筒放掉，使其浮出水面，以便船隻跟蹤回收。這種遙控技術，廣泛套用于海洋調查、水下工程、石油鑽探和地震測量等方面，對水下油井的流量、防噴器架、輸油管道的閥門和水下爆炸等，都可採用水下遙控方式。各種海洋自動機，如無人深潛器、海底自走車的行動及機械手的動作，也可採用水聲遙控。

總之，水聲技術已廣泛套用于海洋研究和海洋開發的各個方面，但因海水介質是一種複雜多變和多途徑的聲信道，水聲干擾又很強烈，如上水聲信息的檢測仍存在一系列困難，使水聲儀器的可靠性、解析度等性能的提高受到一定的限制。為此，今後必須加強水聲傳輸規律等基礎理論的研究，注意探索新技術在水聲方面套用的可能性。

套用舉例

聲學技術可以幫助估算海洋生物種群的豐度

魚群沿著Cabo Pulmo國家公園岩礁遊動。

本月15日，美國加利福尼亞大學聖地亞哥分校斯克里普斯海洋學研究所的研究人員在《科學報告》雜誌發表論文。在這項研究中，他們首次使用水聲學比較了海洋保護區內外魚類的豐度。

他們發現，墨西哥的Cabo Pulmo國家公園魚類的豐度為公園外區域的四倍。該研究的作者說，水聲學帶來了一個新的、更具成本效益的方法來評估魚類種群。

“許多國家的管理人員和管理部門花了大量的財政資源用於評估海洋保護區。”海洋生態學家Octavio Aburto說道，“這項研究結果表明，可以利用聲波技術得到海洋保護區內海洋資源的信息，並且更方便、更便宜，進而降低政府在海洋養護方面的費用。”

研究人員利用安裝在船上的水聲設備產生的聲波調查了Cabo Pulmo國家公園海域的魚和其他海洋生物，並同時調查了保護區域之外的海域。結果顯示，保護區域中的魚群密度、總生物量和生物個體的大小都明顯比保護區域外的大。位於保護區海域裡的珊瑚礁中的動物豐度是其他區域的50倍。作者們認為這“凸顯了生境複雜性和保護魚類種群的重要性。”

“水聲學和海洋保護區都是比較成熟的課題，但是使用前者來評估後者的做法是創新性的。”第一作者Jack Egerton說道，“這讓我們意識到Cabo Pulmo國家公園對該地區的魚類種群的保護有多么重要。”

雖然水聲調查比水下視覺普查快得多，但是只能得到近似的魚個體大小的信息。而傳統的調查方法往往費用較高，並且會受到一定的條件限制，如潛水深度和水的清澈度，所以研究人員認為，水聲學的方法對於節約海洋保護區的成本來說是有效的。

相關院校

浙江海洋大學

中國海洋大學信息科學與工程學院

中山大學海洋學院

青島海洋大學

哈爾濱工程大學

西北工業大學航海學院

南京信息工程大學海洋科學學院

南京大學電子科學與工程學院

廈門大學海洋與地球學院

中國科學院大學

相關國際會議

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