声纳探测器|用声纳探索海洋的秘密
声纳探测器|用声纳探索海洋的秘密
地球上的海洋面积占地球表面的70%多，但是直到近年来，我们对海底的了解还比不上对月球表面的了解多。尽管月球离我们很远，但是对它的研究比对海洋容易进行得多。宇航家们很早就能看到它的表面，最先用眼看，然后用望远镜，这两种仪器都聚光。后来，当望远镜可以用于观察不同波长的光时，现代宇航家不仅能够分析地球的大气，还能测定太阳或其它离我们几百光年远的星球的温度和组成。然而，直到二十世纪，仍然没有可以用来研究地球海洋的类似仪器：在浩瀚的宇宙空间可以传播三百万米的光，在海水中却传播不了多远。现象表明穿越水的最佳选择是声音。
如果人类知道怎样利用声音在水中超常的传播能力，那么1912年泰坦尼克号就会得到关于冰山的警告，这艘豪华的客轮就不会沉入北冰洋的海底，带走1522名乘客和船员的性命了。这一悲剧事件刺激人们研制回波定位工具——通过发出脉冲音，并收听其回声来探测远距离物体。二战中，科学家和工程师们用这些工具，进一步研制出了更复杂的探测潜水艇的仪器。
今天，研究人员应用关于声音如何在水下传播的知识完成大量的任务，例如探测核爆炸物，地震和海底火山爆发。正如宇航家用光探索大气的秘密一样，在称为声海洋学领域的科学家们用声音来研究地球海洋的温度和结构——这是决定我们对全球气侯变化的了解能力至关重要的测量。生物声学的研究人员也用声音研究海洋哺乳动物的行为以及它们对人为水下噪音的反应，这有助于制定保护海洋野生物的政策。
所有这些对水下声学的现代应用都建立在几个世纪以来对声音怎样在空气和水这些不同的媒质中传播的研究工作基础之上，这些早期研究最初并没有任何实际应用；而是由一些对人类对自然的基本了解有极大兴趣和好奇心的研究人员进行的。然而，当后来的研究人员开始以此为基础进一步扩充时，他们却为今天已广泛应用的工具和技术的发展打下了基石。
水是声音传播的良好媒质，声音在水中的传播速度要比在空气中几乎快五倍
良好的振动
好奇的研究人员很早就对声音和它在水中的传播方式产生了兴趣。早在1490年，（leonardo） 莱昴纳多· 达·芬奇就观察到：“如果你把你的船在水中停下，并把一条长管子的头儿放在水中，将另一端贴近你的耳朵，你会听到离你很远的船的声音。”1687年，在牛顿的《数学的自然法则》一书中，发表了第一个声音传播的数学理论。研究人员从十七世纪中期开始测量声音在空气中的传播速度，但是直到1826年，瑞典物理学家丹尼尔·克拉顿(Daniel Colladon)和法国数学家查尔斯·斯特姆(Charles Sturm)才精确地测量出声音在水中的速度。用一条长管子听水下（正如达芬奇建议的那样），他们记录了浸入水下的钟发出的声音在日内瓦湖中传播得多快。他们的结果——在摄氏1.8度（华氏35度）的水中每秒1435米（1569码）比现在公认的速度只差3米，这些研究人员表明水无论是淡水还是咸水——是声音传播的极佳媒质，声音在水中比它在空气中的传播速度几乎快五倍！
但是声音是怎样传播的呢？声音是当一个物体振动产生一系列的压力波并交替对波传播的空气，水或固体分子压缩和降压时产生的一种物理现象。压缩和稀释（我们对降压的称法）的周期，可以用它们的频率来描述。波每秒的周期用赫兹来表示，例如人的声音，产生100到10,000赫兹的频率，而人的耳朵可以听到的频率为20到20,000赫兹，狗和蝙蝠是可以听到更高的频率——高到160,000赫兹的动物代表，而鲸和大象则处于波谱的另一端，它们产生频率在15到35赫兹范围内的声音，大多低于人类的听力，所以称为亚音或亚声。声波和光波一样，也可以用它们的波长来形容——即两个波峰之间的距离；频率越低，波长越长。
1871年和1878年，英国科学家瑞利(Rayleigh) 爵士三世约翰· 威廉姆·斯特列特(John William Strutt)发表了他的共二卷的处女作《声音理论》，这本书通常被看作标志着现代声学研究的开端。瑞利(Rayleigh)勋爵因成功地分离出了氩元素，而获得了1904年诺贝尔物理学奖。他在声学和光学领域的重要发现对波在流体中传播理论至关重要。在其它方面，瑞利(Rayleigh)勋爵是第一个用数学等式描述声波的人（这是所有声学理论工作的基础），也是第一个描述空气中的小颗粒分散某种波长的阳光的人，这一法则也适用于声波在水中的活动。
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