【探索25-7】聽，海洋的故事
聲音無處不在，可以是惱人的噪音，亦能是富含資訊的大合唱。透過聲音，不需眼見為憑，也能深入大海的中心。
講者／台灣大學海洋所教授 黃千芬
彙整撰文／湯淨
●蒙上布條、關掉無線電，面對大海我們還有什麼？
地球表面七成覆蓋著海洋，水深平均4000公尺，海流、漩渦充斥其中。如何觀察海水下的環境，確保敵人不會潛入，對科學家、軍隊都是個難題：水面下200公尺，光線便成為稀有品，因此可見光不是合宜的選項；電磁波衰減地快，百米左右就已經趨近極限。聲波因此成了最適合的選項──在正確的位置上，便可以傳輸數千公里遠，成為水下的望遠鏡。
如果將一顆小石子丟入水面，泛起的漣漪會從石頭落水處一圈一圈以同心圓向外擴散。聲源就像那顆石頭，聲線 (rays) 代表波紋向外傳輸的方向。然而，在海洋環境傳遞聲音遠比這複雜。聲波傳播的媒介是海水，而海水的性質受到溫度、壓力、鹽度的影響不斷變化。水下的魚看起來總比實際位置來的淺，這是受到折射的影響，聲波也會折射。每經過一個不同的環境，聲波的前進方向就會改變，海水性質時時刻刻都不相同，聲音傳播的方向便是經過多次折射的結果。
不同深度、發出聲音的位置都會左右傳播的路徑。像是淺海中，海水混合均勻意味著傳播環境沒有改變，因此不會發生折射，只有碰到海表、海底時會產生反射；深海中，壓力隨水深增加，使得聲速變快，但聲音並不喜歡在這樣的介質下行進。因此，聲波會在到達自己的極限速度後，不斷向海表面移動，直到碰觸水面。除非一開始聲波傳遞的角度夠小或深度夠深，能在抵達表面前進行下一個週期，如此便可以消耗很少的能量，傳遞更遠的距離。
●菜市場裡講電話：海洋環繞特效
既然選擇聲音作為工具，創造聲音的聲源、接收聲音的水聽器就成了兩種不可或缺的存在，這類探測儀器稱為聲納 (SONAR)。前者利用機械震動讓水震盪發出聲響；後者則如收音機這類接收聲音的設備。若是由儀器「主動」發出聲音，稱為主動式聲納；從環境蒐集聲音，自己不出聲的稱為被動式聲納。無論聲源來自哪裡，都需要搭配水聽器使用，才能達到監測的效果。
理論上，聲源發出聲波，碰到物體後反射，水聽器再接收該聲波。這看似單純的原理，在海洋中卻面臨重重挑戰。從人耳聽來，海洋是寂靜的象徵，陸地上的紛雜，到水中就會自動隔絕。在機器耳裡，海洋是個菜市場，不僅有人為製造的噪音，還有天然環境的聲音。
人為噪音主要來自船舶，其中螺旋槳產生的噪音更占了85%：船舶前進時，螺旋槳在水下旋轉，壓力快速改變，因而產生蒸發的氣泡，氣泡受外界壓力擠壓後破裂，產生巨大衝擊力，也就產生巨大的噪音，稱為「空蝕效應」(cavitation)。
只要不是想針對的目標，天然環境的聲音也是一種「噪音」。海面上的風聲、雨聲透過聲波進入海水，在海中創造出風雨交加的環繞特效。風雨強弱譜出的交響曲各有千秋，大雨比小雨大上10分貝、強風在低頻率時帶來的音量和大雨不相上下。海洋生物們也會適時加入大合唱，魚群、蝦蟹、鯨魚在海洋菜市場中或聊天交談、或堅持唱著自己的歌，魚群白天擁有低沉的嗓音、蝦子是高音組，構築成豐富的聲景 (soundscape)。
除了聲音來源的不同，傳輸環境也會影響接收聲波的品質。以澳洲為例，不同區域的海域就因往來船隻頻繁的程度不同，可以相差20分貝。另一方面，海洋環境本身的變動，如內波，因為速度的變化與周遭海水不一致，也會改變聲波傳輸的方向。被水聽器接收到的聲音就像大雜燴，什麼都有，也什麼都混在一起，有時連發出聲音的方向都不一定能辨別。
噪音固然是分析聲音時的一大難題，但也並非沒有解決之道。每種噪音的頻率範圍並不相同，所產生的聲音高低亦不同，倘若知道影響的範圍所在，便較有可能將其純化分離。
●乘著聲波去未來：五花八門的探測工具
儘管海洋環境如此複雜，聲納仍是不可或缺的工具，扮演探測的關鍵角色。19世紀，想知道海洋有多深，需要用一條極長的繩子，綁著重物，垂降到海底；到了現在，船艦經過的同時，便可以利用聲納知道現在經過的是高聳的海底山，抑或深不見底的海溝。不需用將船停下，耗時費力地使用繩子緩緩計算，便知道水有多深。更重要的是，聲納所能做的不只有測量水深，還能勘查周遭的地形、底下是否有魚群聚集，或是數百年前沉眠於此的船隻。
水下考古的領域於焉誕生，利用多音束測深儀、側掃聲納、地層剖面儀便能找到潛藏於海床上的文化寶藏。多音束測深儀，如同它的名字，為向下發射一整片扇形的聲波，藉由回傳的聲波得到精確的地形高低，像放大鏡一般鉅細靡遺，在淺海甚至可達到公分等級；側掃聲納則是在船體下方拖曳一個裝載聲源的魚形載具，因為離海床較近，解析度佳，經常作為搜尋沉船、魚礁監測的首選；地層剖面儀則利用高能量的聲波穿透海床，像醫院的磁振造影一樣得到一層一層皮膚、肌肉、骨骼的地層剖面資料。
水下定位、導航、通訊也少不了聲波的參與。有趣的是，在水下傳輸時，為了定位到具體發射聲波的地點，會將訊號反轉後再發出。以說話的句子來舉例，「我喜歡」這句話在儀器接收到訊號後，會轉換成「歡喜我」再回傳回來。透過反轉的方式，儀器才能在正確的位置收到回應，並接收訊息。
聲波的應用相當多元，從每艘漁船都有的科學漁探機，到監測甲烷水合物、震測取得較深的地層資料或水層資料、及從水聲推估風速、雨量等，範圍相當廣泛。甚至從前視為「噪音」應被移除的聲音，如今也可作為一種聲源，不須向下發射聲波，同樣可計算出海床的位置。隨著保育意識興起，被動式監測變成趨勢。全面禁止核試驗條約組織 (CTBTO) 基於監控各國有無使用核試驗的理由，建立起全球水聲網絡，在全球設置6個含有水聽器的測站，於蘇門答臘大地震時完整記錄了地震造成的聲波，成為珍貴的研究資料。
除了探測生物、地層，連海水本身也可以被聲音捕捉。黃千芬教授目前致力發展沿岸的水聲層析術，利用三艘無人小船發出聲源、互相溝通，像電腦斷層掃描一樣了解這片海域中海流的流速與運動方向。其關鍵的原理便是利用都普勒效應：等火車時，隨著火車越來越靠近，鳴笛聲音聽起來越來越高；火車遠離時，聲音聽起來越來越低。水流就像那台火車，由頻率的高低變化，了解海流的速度。
在聯合國永續發展指標中，多數民眾對於海洋並不熟悉，利用聲音這項工具，能使社會大眾對於海洋更加理解。