【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。

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