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海豚的聪明:声呐和流体力学

2019-09-10 浏览: 117 评论:0

摘要: 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...

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。

海豚的聪明:声呐和流体力学

(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。

海豚的聪明:声呐和流体力学

(来源:japan-tour.jp

参考文献:

[1]刘征宇,车易泽,刘伟.国外潜艇用声呐发展综述[J].光纤与电缆及其应用技术,2018(04):11-14.

[2]王素红.声呐技术及其应用[J].现代物理知识,2009,21(06):40-42.

[3]徐企华,钱纪英.声呐和海豚[J].物理教师,1994(02):35-36.

[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.

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