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海豚的聰明:聲吶和流體力學

作者:佚名 2019-09-10 瀏覽: 8,648 評論:0

摘要: 大家知道嗎,在水中進行觀察和測量時,尤其是在比地面要復雜的多的深海里,很多探測手段似乎都沒有用武之地。比如光在水中的穿透能力很有限,即使在最清澈的海水中,人們也只能看到十幾米到幾十米內的物體;普通的電磁波在水中也衰減太快,而且波長越短,損失越大,即使用大功率的...

大家知道嗎,在水中進行觀察和測量時,尤其是在比地面要復雜的多的深海里,很多探測手段似乎都沒有用武之地。比如光在水中的穿透能力很有限,即使在最清澈的海水中,人們也只能看到十幾米到幾十米內的物體;普通的電磁波在水中也衰減太快,而且波長越短,損失越大,即使用大功率的低頻電磁波,也只能傳播幾十米。

因為海水中富含電解質,具有很多陰陽離子。這是一種導電介質,所以會對電磁波產生屏蔽作用,電磁波的絕大部分能量很快地以渦流形式損耗掉了。而聲波是一種機械波,簡單來說,聲音在水中傳播時會壓動一部分水,被推動的水又將另一部分水推動,就這樣傳播下去。所以,聲波的傳播不會受電磁場影響,因此聲波是水下信息傳輸的有效載體。

聲吶的“原型”

科學家研究發現,也許海豚早在幾萬年之前就發現了:聲波在水中傳播時的損耗要比光等電磁波要小得多。所以,它們選擇利用高頻率的聲波來傳達信息,它們在水下游動時,將呼入的空氣在氣道中來回推動,引起呼吸孔蓋口和瓣膜結構的高頻震動,在共鳴腔室的幫助下進行放大,產生高頻聲波。與人類不一樣,海豚不是用嘴來“說話”的,這些高頻聲波最終通過前額定向發出。當然,海豚接收信號的方式也與人類不同,它只用耳朵接收低頻聲波,接收高頻聲波的部位就是前額了?;谶@套復雜的“聲吶”系統,海豚就可以保證這些信息不會堙滅在浩瀚無際的大海啦。

海豚的聰明:聲吶和流體力學

(來源:aiqing163.com

直到19世紀中葉,科學家模仿海豚傳達信息的方式,發明了一種碳粒微音器(也就是早期的水聽器)用于水底探測。經過發展,成為現代海洋科學探測時的必備設備——聲吶(sonar)!

聲吶(sonar)這個單詞是由聲音?(sound)、導航?(navigation)?和測距?(ranging)?3個英文單詞的字頭構成的。這是一種利用水中聲波對水下目標進行探測、定位和通信的電子設備,在現代科學實驗或者其他水上工作中的使用非常普遍。

(來源:eeworld.com.cn)

其實不僅是海豚,水中的“大塊頭”——鯨魚,也是最先“破解”聲吶原理的大咖。而且,據研究,鯨魚的“聲吶系統”至少有2800萬年歷史了呢。但是與海豚不同的是,鯨魚發出的是次聲波,并且發聲的方式也不同:不同種類的鯨魚發聲方式各不相同,對于“鯨魚如何發聲”這一問題科學家還在努力探索中。

聲吶的工作原理

那么聲吶到底是怎樣工作的呢?其實現代聲吶技術按工作方式可分為主動聲吶和被動聲吶兩類,而聲吶系統一般是由發射機、換能器(水聽器)、接收機、顯示器和控制器等幾個部件組成(被動聲吶一般無發射器)。

1.主動聲吶

?????主動聲吶由發射機發出電信號,經由換能器將電信號轉變為聲信號并傳入水中。聲波是一種波,和光一樣,聲信號在水下遇到障礙物便會被反射。反射的聲信號被換能器接收后,再由其轉變為電信號并傳入接收機,待接收機處理后由顯示器和控制器顯示結果。從而得出目標的位置、性質等信息。主動聲吶主要在海洋測繪,海洋漁業或者海洋信息通訊等領域發揮了巨大的作用。

2.被動聲吶

而被動聲吶和主動聲吶最大的不同就是不主動發射聲波,而是被動接收水中目標產生的輻射噪聲或水聲設備發射的信號。這種方式對不想被人發現的潛艇等的監測要更適合。在現代軍事領域,人們會利用被動聲吶監測敵艦,憑借被動聲吶單程傳播的優勢,可以保護自己不被敵艦發現。


(來源:vjshi.com)

深諳流體力學的海豚

你們有沒有發現,很多電影等視頻中會經常出現這樣的鏡頭——郵輪在前進,而海豚常常伴隨輪船左右,共同前行。這是為什么呢?難道是它們寂寞了,把輪船當成朋友了嗎?其實不是的,海豚們是在用行動來踐行流體力學的原理。

1、身形

海豚雖然看起來胖嘟嘟很可愛,但人家可是實實在在的流線型的體型呢,而且身體外側還“涂有”一層滑溜溜的脂質做潤滑劑,這種奇妙的身體構造不僅可以有效減小渦流,還大大減小了與水的摩擦力。

2、游泳動作

????模擬計算表明,海豚上下擺尾的幅度和頻率能使產生的尾渦(即尾部流場)最完整,所受阻力最小,推進效率最高。而且,海豚每吸一次氣,能潛水近30分鐘。這精妙的身型,科學的游泳動作,強大的肺,都證明海豚是天生的游泳健將。

3、隨船借力

????但是,這只可愛的游泳健將有時候也會“偷懶”。人們經常發現海豚經常會在輪船旁邊,伴隨輪船一同前進。其實,伴船前行的海豚是在借力、搭便車呢。因為輪船在航行的過程中,船體周圍會形成一個壓力圈,因而在其周圍會產生許多壓力波和壓力流,此時沿著壓力波和壓力流的方向前行,可以大大地減少體力的消耗。所以,海豚在輪船旁邊跳來跳去,不是因為多喜歡你。其實是和你正巧順路,正在搭順風車呢。

海豚的聰明:聲吶和流體力學

(來源:japan-tour.jp

參考文獻:

[1]劉征宇,車易澤,劉偉.國外潛艇用聲吶發展綜述[J].光纖與電纜及其應用技術,2018(04):11-14.

[2]王素紅.聲吶技術及其應用[J].現代物理知識,2009,21(06):40-42.

[3]徐企華,錢紀英.聲吶和海豚[J].物理教師,1994(02):35-36.

[4]荊顯英,肖友芙,景榮才.白鱀豚[Lipotes vexillifer]額隆的聲功能[J].聲學學報,1982(01):14-22.

[5]?侯嬌嬌.?海豚聲吶的奧秘:獨特的聲吶系統[EB/OL].?https://baijiahao.baidu.com/s?id=1595963093000328211&wfr=spider&for=pc.2018-3-26.

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