善用聲影區，核潛艇這樣在海洋中遁形

七君

核潛艇要善于隱身

英國三叉戟核潛艇

大家可能不知道，如果發生核戰爭，有一類武器將為核戰爭畫上句號。這類武器就是彈道導彈核潛艇。許多國家擁有潛水艇，但目前只有6個國家被公認擁有能發射核彈頭的彈道導彈潛艇：美國、英國、法國、俄羅斯、印度和中國。彈道導彈核潛艇通常在大洋中秘密巡航，并能在自身遭受核打擊和國家被摧毀的情況下對敵方實施報復，因此被視為可以避免戰爭和沖突的核威懾。

比如，英國的4艘核彈道導彈潛艇都攜帶一份秘密指示文件，該文件上注明了英國因為核打擊而國家滅亡時該潛艇要執行的任務。這個任務是以下幾個選項之一：使用核武器報復;不采取報復行動;根據形勢自行判斷;將潛艇交給盟軍國家指揮。這份密碼指示文件叫做“最后手段之信”（letter of last resort），由新上任的英國首相親自撰寫，寫完后交給四名彈道導彈潛艇艦長保管。每任首相任期結束時，“最后手段之信”會被銷毀。

因此，大家應該能夠理解，為了能完成這樣的“末日”任務，彈道導彈核潛艇的首要任務就是行動隱蔽，避免被敵人發現。

目前彈道導彈核潛艇持有國的行動隱蔽到了連盟友都發現不了的程度。2009年2月3日，因為互相都隱藏得很好，英國海軍的前衛號戰略導彈核潛艇在大西洋東部巡航時和法國凱旋級核潛艇發生碰撞，場面非常感人。

而為了做到隱蔽，各國除了加緊研發妨礙偵察的高科技材料和技術外，還要善于利用海洋中的天然隱身區——聲影區（Shadow zone）。

海洋中的聲影區是什么

聲吶技術原理示意圖

光等電磁波在水中的傳播情況不佳，因此在水下辨明方位和勘探主要靠的是聲波，即聲吶技術。實際上在水下，聲音并不像我們想象的那樣，像陽光一樣往四面八方發射。在海水中，聲音的傳播被限制在了一些特定區域中，而一些區域是聲音無法到達的，它們就是聲影區。利用這些區域，潛艇就可以玩失蹤。

要理解這些可以玩隱身的聲影區是怎么產生的，就要了解一下聲音在水下的傳播。相信讀中學時老師教過，聲音在水中的傳播速度比在空氣中快。但實際情況比這要復雜，溫度和壓強是聲音在水下傳播速度的主要影響因素。綜合來看，靠近水面的地方，聲速隨著深度略微增加;到了一定的深度后，聲波的傳播速度隨著深度增加反會而降低;而在更深的水域，聲速又會隨著深度的增加而增加。

這有什么意義呢？就拿光來說，光從空氣照入水中時會發生折射，同時進入水中后光的速度降低。其實折射的原理也可以換一種說法：光會向著光速更小的介質彎折。

不僅是光，聲波也有這樣的情況：聲波會向聲速更小的介質彎曲。在靠近海面的地方，聲速隨著深度增加而略有上升，因此在這里聲波傾向于向水面彎折，這個區域就叫折音層（Surface duct）。在海水表面附近發出的聲音容易被困在折音層中。但同時，不向下折射損失能量也讓折音層的聲音可以傳播得更遠。然而在更深一些的水域，聲速隨著深度增加而降低，因此聲波傾向于向下彎折。

而到了聲速的拐點之后，聲波的傳播速度就會逐漸增加。這里就出現了一個有趣的現象。因為拐點處的聲速最小，所以上下的聲音都會向拐點這邊彎折。換言之，這個區域的聲波會被困在一個通道里，這個通道就叫聲波道（Sound channel），而聲速最小處的平面也叫做聲道軸（Sound channel axis）。

在聲速達到最小時會出現聲波道和聲道軸（虛線）

說到聲波道，在大約1000米的海洋深處，有一個特殊的聲波道，叫做深海聲道，或稱為SOFAR聲道。在這個深度，聲速最小，因而附近的聲音會被困在SOFAR聲道中，傳播到數公里甚至數萬公里遠的地方。

那么在 SOFAR 聲道中會聽到什么聲音呢？這個聲道里充滿了鯨魚的歌聲。早在20世紀70年代就有研究者發現，SOFAR 聲道中常常出現須鯨如長須鯨的聲音。一些研究者認為，須鯨早就洞悉了SOFAR 聲道的秘密，因此會利用這個水下通道和大洋彼岸的同伴通訊。而現在，因為 SOFAR 的特性，科研人員常常把水聽器放置在這個區域用于監聽數萬千米外的聲音。

海洋中的遠距離聲音傳播通道 SOFAR 聲道

說到這里，一些同學看出問題來了：既然聲速最小的區域會吸引聲音，那是不是聲速最大的地方會排斥聲音呢？確實是這樣的，聲速最大的水域相對安靜，這個區域就叫做聲影區。聲影區是排斥聲音的地方，因此敵人的聲吶也探測不到這兒，潛艇都喜歡躲在這個天然安靜的地方，避免被聲吶發現。難怪聲影區的深度也在軍事研究中被叫做最佳深度。

當然，如果要搜尋其他潛艇的聲音就不能躲在聲影區了，而需要在靠近聲波道中心，也就是聲道軸附近檢測信號。一些儀器專門用于在聲道軸采集信號，比如聲吶浮標。

生活中的聲影區

聲影區聽起來很不可思議，但其實我們平時在生活中也能遇到。不知道大家有沒有在夏日去開闊的野外露營的經歷。如果你留心的話就會發現，白天你雖然可以看到幾百米遠的人，但卻聽不到他們的聲音。然而到了晚上，那邊的人的聲音卻會輕松傳到你這里。這是怎么回事呢？

夏日白天的聲影區示意圖

實際上，這就是聲影區的作用。剛才說過，水中會出現聲影區，而這是因為聲音傾向于向聲速更小的區域彎折，這一點其實也適用于氣體，空氣中聲速和氣溫成正比（聲速=331 + 0.6×溫度）。在夏日的白天，地面溫度最高，那里的聲速也最大。離地面越遠，聲速越小，所以在白天，聲音的傳播是這樣的——

你可以看到，聲波向聲速更小的區域也就是向上彎折了，而靠近地面的一些地方就產生了聲影區，聲影區里的人顯然聽不到聲源發出的聲音。而到了晚上，情況就完全倒轉了，高處的溫度更高，聲速更大。因此，聲波的傳導是這樣的——

夏日夜晚的聲影區示意圖

在夜晚，聲影區在高處，而原本地面附近的聲影區消失了。這就是為什么到了晚上就能聽見白天聽不見的聲音了。

（本文經授權轉載自“把科學帶回家”公眾號，有刪節）