七、海水之傳聲性質

音波在海水中傳播之速度比在空氣中為快，音速可用 $V = \sqrt{\frac{\gamma} {\rho \kappa}} \$ 一式來表示，式中 $\gamma = \frac{C_p}{C_v}$ ，
而ρ與 $\kappa$ 分別為海水之密度以及壓縮係數(Compressibility)。
$\gamma, \rho, \kappa$ 等均為海水溫度、鹽度、深度之函數，故音速V亦為三者之函數，隨位置不同其值亦變。在水深1000 m以內可用

V (m/sec) = 1449.2 +4.6T-0.055T²+0.00029T³+(1.34-0.010T)(S-35)+1.58x10^-8 P
式中T之單位為 °C，S為⁰/₀₀，P則為mb 。如T 30°C，S 34.85⁰/₀₀，P = 1000 mb時，V = 1543 m/sec，約為空氣中聲速的四至五倍。

(a)聲速隨深度變化之情形，注意在750m左右聲速為最慢，(b)左圖所對應之海水溫、鹽度垂直剖面分佈。
摘自D.E. Ingmanson and W.J. Wallace (1995) "Oceanography, An Introduction", 5th ed.。

聲波在海中傳播時會因海水各層鹽、溫、壓力分佈不均勻而產生差異，同時海水中懸浮物質亦會對音波產生散射、吸收、反射等作用。

如果中央水層聲速快，則聲波會在表層產生
導管效應(Sound duct)，水面船舶聲納所發出
的聲波在表層可以傳播很遠，但卻無法穿入
中層海水因此形成了蔭影區(Shadow zone)。
摘自D.E. Ingmanson and W.J. Wallace (1995)
"Oceanography, An Introduction", 5th ed.。

DSL (Deep Scatter Layer)﹕海中許多小型節肢動物(如小型蝦類)常結群蝟集，此等生物具有避光性，彼等群聚處之深度會隨時間變動。這些生物對音波會產生強烈的散射作用。

海研一號EK500測深儀之回跡信號，中層之強烈散射回跡(棕黑色)即為DSL，
下方之連續回跡則為海床以及海床的二次回跡。

Sound Channel（聲學通道）﹕聲速隨水溫降低而變慢，隨深度（壓力）增加而變快。在海洋水層中(約1000m深處)聲速有一極小值區，在此會形成波導現象(Wave guide)，聲波在此層中傳播時能量不易發散，往往可傳至數千公里外；這個區域稱為聲學通道或是SOFAR(SOund Fixing And Ranging，水中音測)通道。二次大戰期間，美國Woodshole海洋研所Dr. Maurice Ewing建議可將SOFAR通道作為危急時通訊使用，當人員在海上發生急難時可將一個經特殊設計會在1000m深處爆裂的金屬球投入海中，小球在該深處爆裂所發出的尖銳聲藉助SOFAR通道可以傳到幾千公里外，因此只要在近岸同樣水深處找三個以上不同地點佈放水下聽音器(hydrophone)就可以根據尖銳聲到達的時間反算出小球落海的位置，這對於搜救海上失事的飛行員很有幫助(摘自muller.lbl.gov )。二次大戰期間美國海軍就建立了SOFAR監聽站，後來更發展為水下定位以及監聽潛艦用；戰後美國空軍也設立水下監聽站運用同樣的方法作為飛彈測試時監控飛彈落點位置之用。

將聲源放在聲速極小值區內則聲波可以傳到很遠的地方，這個區域稱為聲學通道或是SOFAR通道，可替水下物體定位(左圖摘自D.E. Ingmanson and W.J. Wallace, 1995 "Oceanography, An Introduction", 5th ed.)。

SOFAR channel

在大西洋典型的聲學通道中聲線(ray)路徑示意圖(右側小圖為聲速之垂直剖面分佈情形)

本圖引自：The evolution of the Swallow float to today's RAFOS float，對SOFAR通道以及利用其特性而發展出的深水SOFAR浮標之相關歷史有興趣者亦請參閱該網頁。

sofar float
1970年代美國發展的SOFAR浮標，用以追蹤大西洋深層洋流。
本圖引自：The evolution of the Swallow float to today's RAFOS float

SOFAR float

SOFAR浮標以及定位接收站之示意圖

本圖引自：The evolution of the Swallow float to today's RAFOS float

1998 8/7 (minor revision: 2017 3/7)