邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:10.00

[去科技馆学科学]声音与通信

李 赞/中国科学技术馆

2018-11/总第272期

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声音是我们获取信息的主要手段之一,也是生活中很常见的物理现象,其中蕴含着无穷的奥秘。《义务教育小学科学课程标准》要求学生掌握“声音因物体振动而产生”“声音的高低强弱与物体振动有关”这样的科学概念。在中国科技馆,可以通过“声音之韵”展区的“声聚焦”“水中的信息传输”,以及“机械之巧”展区的“深海机器人”3件展品体验声音的神奇之处。

声聚焦

我们知道声音是由物体的振动产生的,在均匀的介质中会同时向各个方向传播,遇到障碍物后会发生反射。如果物体表面坚硬且光滑,大部分声波就会被反射,我们对着陡峭的山崖或高大的建筑物大喊一声,就可以听到清晰的回声,如果是在山谷中还能听到多次反射的回声,好像大自然在和我们对话。

“声聚焦”展品(图1)是一对外观相同的抛物面形“大锅”,相距十几米远。中间的小圆圈位置是它的焦点,当一个人对着一边的圆圈小声说话时,远在十几米外的另一个抛物面的圆圈处的人可以清晰地听到,同时他也可以说话传回来,实现较远距离的双向通话。展厅里的环境通常会十分嘈杂,即使相距一两米的距离说话也需要提高嗓门,那为什么相距十几米远小声说话也能听到呢?

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图1 展品“声聚焦”

这里主要利用了抛物面这种特殊的形状,它可以将焦点位置向不同方向发出的声波反射成平行波,这种平行波远距离传输也会很少衰减,当传输到远处的另一个抛物面时再次被反射,并且又会汇聚到焦点位置,从而实现了声音的远距离传播(图2)。利用抛物面的这种反射特性,可以制作出声音放大器供科学家观察鸟类等野生动物,或者在军事侦察中远距离窃听。除了用来反射声音,还可以用在强光手电和探照灯中反射光线形成平行光束,用在太阳能炊具中集中太阳的热能烧水做饭,用在地面卫星天线中汇聚放大卫星发来的微弱电磁波信号等,到处发挥着特殊的本领。

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图2 抛物面反射原理

去过北京天坛公园的游客,肯定对回音壁(图3)印象深刻。回音壁是天坛中皇穹宇周边的围墙,高3.7米,直径60多米。2个人分别站在东西配殿后,对着长长的墙壁说话,可以让对方在近百米远处清楚听到。这是因为这一圈围墙的弧度规则、墙面光滑整齐,声波会沿着墙壁连续反射前进传到另一端,给人造成一种“天人感应”的神秘气氛。这说明古代的工匠已经掌握了声音反射的规律,进而设计建造了这座有趣的建筑。

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图3 天坛回音壁

水中的信息传输

利用电磁波通信对大家来说是再熟悉不过了,生活中使用的移动电话、电脑用的无线网络等都是通过电磁波传递信息的。但由于电磁波在水中会很快衰减,是无法实现水下通信的。那么,有什么办法能在水下进行通信呢?在水中只有声波衰减最小,才可以实现远距离传输。“水中的信息传输”这件展品介绍的就是水下通信的原理(图4)。

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图4 展品“水中的信息传输”

展品由声呐探头及升降组件、耳麦、有机玻璃水管等组成。一名观众带上耳机,通过麦克风说话,另一名观众用耳机接听通过声呐传输过来的语音。两边的操作台上都有上升和下降按钮,互动过程中,观众按下上升按钮,声呐设备会提升至水面之上,此时观众通过麦克风发出的语音,对方耳机并不能接收到;观众按下下降按钮,声呐设备会降至水面之下,此时观众通过麦克风发出的语音,对方耳机能够接听到。通过真实的声呐通信互动,观众可直观感受声呐通信高新技术。

要实现这一传输过程,必须依靠1个特殊的装置——声调制解调器。在两人的对话过程中,声音信息经过了多次转换:先通过麦克风将声音转换成电信号,沿着导线传到声呐处再转化成声波,声波在水中传到对面后被声呐转换成电信号,最后在收听者的耳机中电信号再次恢复成声音,看似简单的过程利用了多种信息传递方式。

现代的水声通讯已经广泛应用,从点对点的通讯进化到水下网络的新阶段。水下航行的潜艇可以进行通讯交流,而不用浮出水面或伸出天线,增强了潜艇的隐蔽性;科学家们还使用自动运行的海洋观测设备和水下探测器实时监测不同深度海水的温度、盐度、流速、流向等信息,通过水声通信系统报告给水面的浮标,再由浮标利用通信卫星发送给地面上的数据中心,结合太阳能、波浪能等持续供电系统,实现了长时间自动观测运行,大大便利了海洋研究。

“蛟龙”号载人深潜器

我国首台自主设计、自主集成研制的作业型深海载人潜水器“蛟龙”号,曾创下了最大下潜深度7 062米的记录。在中国科技馆3层“机械之巧”展区中,有1台“蛟龙”号的等比例模型(图5),观众既可以近距离观察它的外观细节、7个螺旋桨组成的强大动力系统、机械臂等高科技装备等,还可以走进它的内部,启动控制手柄、模拟驾驶操作,体验潜入深海的过程。

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图5 展品“深海机器人”

在“蛟龙”号上安装着各种声学系统,它们是“蛟龙”号的眼睛、耳朵和嘴巴,成为水下导航和作业的关键系统(图6)。

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图6 “蛟龙”号顶部的各种设备和天线

声学导航

“蛟龙”号潜入大海深处,在那里是收不到卫星发来的GPS定位信号的,那它怎样确定自己在水下的位置呢?当潜水器入水后,水面上的支持母船会通过声呐设备和“蛟龙”号通讯,通过一问一答,获得二者之间的相对位置,再经过计算就可以得出“蛟龙”号当前的位置信息,这样在茫茫海底工作时就不会迷路了。

声呐测绘

因为灯光在水下只能照亮很小的范围,所以用相机也只能拍摄到局部的图像,无法像飞机航拍地面一样清楚地观察到大范围的地形。“蛟龙”号下潜到海底附近时,可以利用身体底部的声呐扫描系统测绘海底地图,向海底发射声波,再通过海底反射回来的声波计算得到海底地形地貌图像,这种方式特别像海豚、蝙蝠回声定位的方法。这样在漆黑的海底也能获得0.1米精度的地形地貌图像,这种快速高精度的测绘,完成了准确的海底地形图,为今后进一步开展海洋研究和建设工程打下了基础。

水声通信

当“蛟龙”号浮出水面时,可以通过无线电和水面船舶通信,当潜入水下时,就改用声学通讯系统了。“蛟龙”号和母船之间,不仅可以发送文字信息,还可以发送声音、图像,这种高速传输能力是国外绝大多数潜水器所没有的。2012年6月24日,“蛟龙”号载人潜水器深潜7 020米新纪录诞生,“神舟九号”宇宙飞船与“天宫一号”手动交会对接成功,“蛟龙”与“神九”互致祝福,进行了穿越海天的对话,实现了“可上九天揽月,可下五洋捉鳖”的伟大梦想!

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