###### tags: `海洋`
# 水下聲學
---
>7/21 國家代表隊野外考察第二天
>Credit：劉金源、黃千芬
>more info : **[水聲海洋學](/q4Kpyke1RqWIApgPLGOIVQ)**
---
內太空：海表面以下的區域(使用聲波傳遞訊息)
## Ocean noise
Credit:[NOAA](https://www.fisheries.noaa.gov/national/science-data/ocean-noise)

* What makes it noisy?
1. 地震(低頻)
2. 海洋生物的發聲
3. 船的馬達、推進器
4. 人類活動
5. 離岸風機
* Wenz curve（水下噪音頻率對分貝的頻譜圖）

### 水聲探索史
* 1980s 美蘇冷戰 偵測到超低頻(10Hz)水下噪音
1. 波浪運動? 海底介面散射? 深海傳播?
2. 蘇聯監聽系統部署？
:arrow_right: 海底粗糙介面散射產生二次噪音。

## 水聲基本原理
### 聲波描述
1. 有連續性、可壓縮性(彈性體)介質
2. 壓縮波

### 柱面波、球面波
將等相位點連起來，波面形式即傳播方式。
平面波：波面平面，不消散
球面波：波面球面，消散程度與距離成平方反比
柱面波：波面柱面，消散程度與距離成反比
> 有上下邊界，波被限制住無法傳播，球面波變柱面波

### 聲壓
聲音：壓力差的傳遞，藉由聲壓可表示音量大小

### 速度
相位速度$C_p=\lambda/T$(相位傳播的速度)

**$\sqrt {B \over \rho}$ (聲速定義)**

B＝壓縮模數(材料越硬，值越大)、$\rho$=密度
> * 純水裡面打入空氣，較易壓縮，B減小，但密度幾乎不變，所以聲速變小。
> 空氣裡面打入水氣，B幾乎不變，但水密度>空氣密度1000倍，$\rho$變大，聲速變小。過最小值後速度會慢慢變大(因B開始上升。)
> * 鋁聲速較鉛快?
> 因鋁的B大，密度（單位質量）小，但鉛的B小(軟)，密度大

### 分貝
$dB=10~log(\frac{I}{I_{ref}})$
I=聲強，$I_{ref}$=參考聲強(單位時間、單位面積所通過的能量。)
$log(10^x)= Bel$
$10log(10^x)=dBel$

### 聲壓級 Sound Pressure Level
1. $I={P^2 \over \rho c}$
2. $IL=10log \frac{I}{I_{ref}}$
=\begin{gather*}10 log \frac{P^2 \over \rho c}{{P_{ref}^2 \over \rho c}}\end{gather*}
=\begin{gather*}20 log \frac{P^2 }{{P_{ref}^2}}\end{gather*}

4. 由1.得：$SPL={10log({p \over {p_{ref}} })^2}$(振幅平方為能量)

#### 聲壓變化過大，以dB表示，可縮小表示數量級

## 海洋聲學環境
> why snell's law 成立?
> 因介面的水平相位速度需一致，故cos or sin(degree)/c相當。
### 海洋聲速剖面分布

* 上層：溫度主導(混合層，鹽度幾乎不變，晝夜日照差異)
* 中層（斜溫層）：溫度主導聲速的變化（溫度變化大過壓力、鹽度變化）
* 下層：壓力主導（深水層溫度不變但壓力變大，聲速變大）

### SOFAR Channel Sound fixing and ranging
* 聲速可持續傳遞的區域
* 匯音區 Covergence zone，聲波傳遞後會於海表再次匯集
### Shadow Zone
* 上層聲速快，下層聲速慢，折射下產生無法偵測陰影區(其他的會反射上去)

### Convergece zone
* 匯音區(能量匯集的地方，出現的距離有規律)

## 水中聲音的應用
* SONAR(聲納)：以聲波傳遞能量，以航行與測距為目的設計
> Sound 聲音
> Acoustics 聲響

### Sound source
* 水的阻抗(密度*聲速)>空氣的阻抗，阻抗係數差越大，反射越強
* 發出聲音時須考量水的阻抗與傳播
### hydrophone array
* 被動接收水下的聲音
* 後續進行訊號處理辨認聲源

## Sonar equations
Credit:[Underwater Acoustics, William A. Kuperman
Philippe Roux](https://www.researchgate.net/publication/302546326_Underwater_Acoustics)

### Active
* 訊噪比：主動發出訊號>噪音訊號，可被偵測到。

### Passive
* 被動接收的目標訊號>其他噪音訊號，可被偵測處理。

## 海洋研究船 modern research vessel

### 裝載設備
1. CTD(最重要，以做環境上的修正)
3. ROV(水下無人載具潛器，複查攝影)
4. 磁力儀(地球磁力線的改變，尋找磁力強區 e.g.火成岩、中洋脊)
7. 聲感釋放器：接收器置於海床上接收聲音，後再回收
#### 主動聲源
* 測掃聲納(sidescan Sonar, SSS):arrow_right: 扇形掃描兩側，高頻聲源；船的正下方可掃描至淺層的海洋地殼(海床沉積物)內的結構。
* 多聲束地形測繪(multi beam)
* 廣角淺/深海探測系統
* 地層剖面儀：淺層地質，介質不同會多次反射不同聲波(正相反射)
> 介面之間聲**阻抗係數差，差越大，反射回波越大**。
> e.g.空氣與水的介面聲阻抗大，是全反射的介面。藉此了解地底分層與岩性
> 聲源高頻，易消散，解析度高，只能探測淺層
* 高頻聲音傳遞較近易消散(能量耗損快?)
* ADCP(都卜勒流剖儀):arrow_right:海流向量隨深度的變化

### 阻抗係數
$P=(\rho c)u$
$R(90º)=\dfrac{(\rho c)_2-(\rho c)_1}{(\rho c)_2+ (\rho c)_1}$
> 90º=正相反射，若R為實數，反射回來相位不變，振幅變小
> R為虛數，相位改變180度，振幅變小

### 水下文化資產搜尋與保存
* 沉船聲學影像掃描
* 離岸風場開發環評
* 歷史遺產
* 探測方式：測掃聲納與聲學影像、潛水攝影
* 找石油:需要較為低頻的探測(傳較遠，較能找到，通常用震測方式尋找。)
>水下聲學:高頻使用
>海洋地質:低頻使用
## 水下生物
* 魚類的主動聲音e.g. 雀鯛(in 珊瑚礁環境)
* 生物器官運動時發出的聲音 e.g. 腔蝦螯空氣擠壓的聲音(2~15k to 200k,189dB re 1hpa，炸油聲)
Credit:[科學月刊](http://scimonth.blogspot.com/2017/07/blog-post_82.html)
* 藉由水下被動錄音，了解海底生態多樣性與變遷

### 魚探儀🐟
* 魚含魚鰾密度低，和水的聲阻抗差，藉由魚探儀聲納可測得魚群的分布。
>魚鰾：魚中保留空氣的腔，密度較低
>浮游生物無魚鰾，密度較高
* 高頻訊號，才可得到浮游生物的分布（體積小解析度要求高）
* 海床：阻抗差大，反射訊號強
* 測得魚的回波訊號為凹口向下的拋物線。
> 因一開始聲波傳遞到物體的距離較長，故儀器認為測得深度較深，聲源在物體正上方，傳播距離短，回波能量較強。
> 聲束中心強邊緣短，接近時回波漸強，遠離時回波漸弱
> 陣列越長，聲束越窄(越能分辨魚群)


#
## 陸棚生態系統監測
* 大範圍主動式聲波掃描，遇物體反射聲波
* 被聽音器陣列收音，經過陣列處理後，可知此聲波由何處被反射。

Credit:[Environmental effects of offshore produced water discharges: A review focused on the Norwegian continental shelf](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141113620306164#fig1)

## 水下噪聲成像 Acoustic daylight
1. 水下背景環境音(ambient sound) 作為聲音來源 e.g.碎波、降雨、船隻經過等
2. 聲音遇到物體反射、散射
3. 由聽音器接收之後成像
4. 與光源接收後成像原理相似

## 海床震側影像
* Airgun array 發出低頻震源(<$10^3$Hz)
* 佈置數公里長Streamer cable and hydrophones接收聲源
* 探測海床分層，阻抗差不同反射之訊號
* 類似震源探勘法

### 可燃冰
* 海洋是儲存碳的地方，$\frac{1}{4} ~CO_2~ in~ocean$
* 甲烷、天然氣水合物，新型能源
* BSR :　？

### 全球水聲網路監測
* 監測核試驗「全面禁止核試驗條約」
* six hydeophone station, five T-phase station
>T波：地震進入水中訊號
* 佈置三個聲源接收器方便定位，定於SOFAR Channel &深海區域
> 聲波於此區域可傳播很廣，固可接收到全世界海洋聲音的來源
> e.g.監測海底地震、海底火山爆發、核試爆等

### 深海熱泉 hydrothermal vents
* 黑煙囪(熱氣噴發遇冷海水，限制噴發範圍)
* http://www.fluidcontinuity.org/research/ventsounds/

## Conclusion of Acoustical Oceanography
* 天氣現象
* 地震監測
* 海底地形
* 海水聲波傳遞與全球增溫監測
* 文資考古
* 水下生物

## 水聲層析 Ocean Acoustic Tomography
* 聲音發收器包圍觀測水區(團)，主動遙測
* 藉由計算各測站間聲波時間差(走時差)反推水團性質(走時差反推聲速差，又水中聲速與溫度有關，可反推溫度)
* e.g. 聲學監測海洋氣候 Acoustic thermometry of ocean climate(ATOC)
:arrow_right: 量測斜溫層底部的聲速，溫度系統不易隨天氣變化，可更明確指示全球暖化的增溫。

### 地震波監測海洋溫度 Seismic ocean thermometry
* 量測T波在海中的走時，被動監測
> T波 : 為海域地震所產生的震波，經由大陸棚或者崎嶇的海床界面轉換為聲波(在S波之後，易造成全反射，固可傳播很遠)
* 偵測蘇門答臘斷層帶長期地震波波速監測海水溫度變化

## 資料庫
* [Discovery of sound in the sea](https://dosits.org/)
* [水下噪音測量方法](https://www.epa.gov.tw/DisplayFile.aspx?FileID=7AC01072F5670899)