科普中国-科普融合创作与传播 2019-04-19
出品：科普中国
制作：刘翠翠（中科院半导体研究所）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
动物们的智慧往往超出了我们人类的想象，比如大海里的它们…
大家知道吗，在水中进行观察和测量时，尤其是在比地面要复杂的多的深海里，很多探测手段似乎都没有用武之地。比如光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈的海水中，人们也只能看到十几米到几十米内的物体；普通的电磁波在水中也衰减太快，而且波长越短，损失越大，即使用大功率的低频电磁波，也只能传播几十米。
因为海水中富含电解质，具有很多阴阳离子。这是一种导电介质，所以会对电磁波产生屏蔽作用，电磁波的绝大部分能量很快地以涡流形式损耗掉了。而声波是一种机械波，简单来说，声音在水中传播时会压动一部分水，被推动的水又将另一部分水推动，就这样传播下去。所以，声波的传播不会受电磁场影响，因此声波是水下信息传输的有效载体。
声呐的“原型”
科学家研究发现，也许海豚早在几万年之前就发现了：声波在水中传播时的损耗要比光等电磁波要小得多。所以，它们选择利用高频率的声波来传达信息，它们在水下游动时，将呼入的空气在气道中来回推动，引起呼吸孔盖口和瓣膜结构的高频震动，在共鸣腔室的帮助下进行放大，产生高频声波。与人类不一样，海豚不是用嘴来“说话”的，这些高频声波最终通过前额定向发出。当然，海豚接收信号的方式也与人类不同，它只用耳朵接收低频声波，接收高频声波的部位就是前额了。基于这套复杂的“声呐”系统，海豚就可以保证这些信息不会堙灭在浩瀚无际的大海啦。
（来源：aiqing163.com）
直到19世纪中叶，科学家模仿海豚传达信息的方式，发明了一种碳粒微音器（也就是早期的水听器）用于水底探测。经过发展，成为现代海洋科学探测时的必备设备——声呐（sonar）！
声呐（sonar）这个单词是由声音 (sound)、导航 (navigation) 和测距 (ranging) 3个英文单词的字头构成的。这是一种利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，在现代科学实验或者其他水上工作中的使用非常普遍。
(来源：eeworld.com.cn)
其实不仅是海豚，水中的“大块头”——鲸鱼，也是最先“破解”声呐原理的大咖。而且，据研究，鲸鱼的“声呐系统”至少有2800万年历史了呢。但是与海豚不同的是，鲸鱼发出的是次声波，并且发声的方式也不同：不同种类的鲸鱼发声方式各不相同，对于“鲸鱼如何发声”这一问题科学家还在努力探索中。
声呐的工作原理
那么声呐到底是怎样工作的呢？其实现代声呐技术按工作方式可分为主动声呐和被动声呐两类，而声呐系统一般是由发射机、换能器（水听器）、接收机、显示器和控制器等几个部件组成（被动声呐一般无发射器）。
1.主动声呐
主动声呐由发射机发出电信号，经由换能器将电信号转变为声信号并传入水中。声波是一种波，和光一样，声信号在水下遇到障碍物便会被反射。反射的声信号被换能器接收后，再由其转变为电信号并传入接收机，待接收机处理后由显示器和控制器显示结果。从而得出目标的位置、性质等信息。主动声呐主要在海洋测绘，海洋渔业或者海洋信息通讯等领域发挥了巨大的作用。
2.被动声呐
而被动声呐和主动声呐最大的不同就是不主动发射声波，而是被动接收水中目标产生的辐射噪声或水声设备发射的信号。这种方式对不想被人发现的潜艇等的监测要更适合。在现代军事领域，人们会利用被动声呐监测敌舰，凭借被动声呐单程传播的优势，可以保护自己不被敌舰发现。
(来源：vjshi.com)
深谙流体力学的海豚
你们有没有发现，很多电影等视频中会经常出现这样的镜头——邮轮在前进，而海豚常常伴随轮船左右，共同前行。这是为什么呢？难道是它们寂寞了，把轮船当成朋友了吗？其实不是的，海豚们是在用行动来践行流体力学的原理。
1、身形
海豚虽然看起来胖嘟嘟很可爱，但人家可是实实在在的流线型的体型呢，而且身体外侧还“涂有”一层滑溜溜的脂质做润滑剂，这种奇妙的身体构造不仅可以有效减小涡流，还大大减小了与水的摩擦力。
2、游泳动作
模拟计算表明，海豚上下摆尾的幅度和频率能使产生的尾涡（即尾部流场）最完整，所受阻力最小，推进效率最高。而且，海豚每吸一次气，能潜水近30分钟。这精妙的身型，科学的游泳动作，强大的肺，都证明海豚是天生的游泳健将。
3、随船借力
但是，这只可爱的游泳健将有时候也会“偷懒”。人们经常发现海豚经常会在轮船旁边，伴随轮船一同前进。其实，伴船前行的海豚是在借力、搭便车呢。因为轮船在航行的过程中，船体周围会形成一个压力圈，因而在其周围会产生许多压力波和压力流，此时沿着压力波和压力流的方向前行，可以大大地减少体力的消耗。所以，海豚在轮船旁边跳来跳去，不是因为多喜欢你。其实是和你正巧顺路，正在搭顺风车呢。
（来源：japan-tour.jp）
参考文献：
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[4]荆显英,肖友芙,景荣才.白鱀豚[Lipotes vexillifer]额隆的声功能[J].声学学报,1982(01):14-22.
[5] 侯娇娇. 海豚声呐的奥秘：独特的声呐系统[EB/OL]. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1595963093000328211&wfr=spider&for=pc.2018-3-26.
