中学课本里的深潜知识丨海底的“微信”——水声通信

下潜到离地心最近的地方，征服“挑战者”深渊！中国“奋斗者”号载人潜水器正在马里亚纳海沟进行万米级海试。“奋斗者”号里的潜航员是如何跟母船上的工作人员联系的呢？在海底也可以用“微信”的嘛？“水声通信 ”又是什么？正在上学的你请跟我们一起巩固基础知识，而早就远离课本的你也请跟我们一起回忆自己无所不学的人生巅峰。

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在水下还能用电波联络吗？

要解答这个问题

我们先要理解光的一个特性

可见光一共有7种颜色

为何海水看起来

偏偏是蓝色 的呢

其实光是一种电磁波

不同颜色的光

波长和频率不一样

波长越大，越容易绕过障碍物

当它们碰到海面时

有趣的事情就发生了

↓↓↓

红光黄光这种波长比较大的

容易穿透到海面以下

蓝光这种波长小的

则很难穿透海水

会被反射和散射回来

进到我们的眼睛里

就形成了我们眼中的蓝海

所以要想和水面联络

关键是需要一种

能够穿透海水的波

↓↓↓

海水对波的阻挡作用

海水中不光有很多微粒障碍物

还有非常多带电离子

所以电磁波在海水中衰减极快

波长极大的电磁波

也不过能到达水下千米

在水下一万 米

电磁波是一定用不了的

突破海水的波 水声通信

其实我们初中就学过

声音也可以在水下传播

而且和电磁波比起来

声波的损耗就小得多了

所以，“奋斗者”号

其实是靠水声通信

来和海面上的母船联系的

科研人员对声音进行编码

不同的频率、振幅等

代表着不同的信息

这样将带有信息的声波信号发送给母船

母船接收到声波信号以后

再通过换能器

将声音信号转化为有效信息

我们就完成了深海与水面的沟通

最基础的物理知识 最尖端的科研

万丈高楼从地起

再高深的实验都有最基础的原理

万米级海试一样离不开

我们中学的物理知识

下一节课

我们将会迎来万米深潜的另一个挑战

它的基础原理也在中学的课本里

我们继续

用最基础的物理知识，

学懂最尖端的科研！

监制丨唐怡

制片人丨房轶婷

策划丨杜通

编导丨赵明旭

视觉丨朱灵萌

编辑丨赵汗青

统筹丨赵明旭 荣梦岩

特别鸣谢丨猿辅导 

卫星、声波、二进制……水下通信究竟有哪些可能？

图片来源：视觉中国

尽管目前对无线电通信的发明人，业界还有所争议。但不可否认的是，无线电通信确实极大地改变了我们的世界。从之前的车马邮差到现在的千里传音，世界正因此而越来越成为一个小小的村庄。

而且，人类还在不断地扩展着无线通信的范围。从开始的只有楼上楼下的距离，到现在的地面与太空的距离，甚至我们还在向宇宙深处发射人类信号。无线通信正在成为人类探索宇宙深空的有力工具。

然而，尽管无线通信的触角已经伸向了外太空，但对地球本身的某些区域而言，它又似乎并没有达到理想的预期值。

比如要想在水中获得和地面、太空中相似的无线通信效果，难度就很不小。

自带天线的水下通信“远古时代”

对人类来说，水下的信号传播主要集中在海洋里。

与空气相比，水体对虽然也能进行进行信号传播，但由于在这个过程中信号会由于水的阻挡、吸收等作用而变得微弱乃至消失。这就令无线信号在水中的呈现出传播速度慢、通信距离短的特征。

但作为在海底活动最为频繁的潜艇来说，难道因为无线信号传输太难就要一年半载地保持沉默吗？至少从信息价值的角度来说，半年入港更新一次信息未免黄花菜都凉了。因此，为了应付潜艇的通信，专家们也是想了很多办法。

自带天线

既然无线通信不靠谱，那我给弄根线不就完了吗？上个世纪的很多潜艇顶部都会安装几根天线，在需要向外界传播信息的时候上浮潜艇，将天线送到离海面很近或者完全露出海面，然后再完成发报任务。另外，有的潜艇会采用放出来一个漂浮物，利用上面的天线进行短波通信。

相信即便是对通信技术零接触的朋友也能读出来：潜艇就是为了出其不意地进行水下打击，这样公开暴露出天线或者漂浮物，那不就明摆着给敌人一个活靶子？所以，这招紧急情况下用用可以，如果频繁地暴露，估计离被击沉也不远了。

长波通信

由于短波的频率较高，其在水中的衰减也就愈甚。那么，潜艇在通信的时候采用长波就成为了比较可行的办法之一。长波的优势是其可以深入到水中20米左右的深度，而经过一系列的配套设施建设，长波的通信距离可达上千公里、深度超过百米。这样对潜艇在通信时保持安全性是有很大的作用的。

但长波也有长波的问题。要想实现上千公里的潜艇通信，对发信设施的要求是非常高的。一般的长波通信天线可长达数百米，而美国为了进行超长波通信，建设了两个距离超过200公里的发信基站，天线总长达到了135公里。这个长波电台的辐射范围约7000-8000公里，深度达到110，可以说是相当强悍了。

那么，陆地有条件建设这种东西给潜艇发信号，但要想让潜艇也这么做，看起来显然是不现实的。一边游弋一边拖个几百米的大尾巴，怎么想怎么觉得太滑稽。

这种听起来原始而麻烦的水中通信解决方案，正体现了水下通信的难度。但技术不能总是原地徘徊，在各种需求不断提升过程中，水下通信的方案也越来越多地被提了出来。

从卫星到二进制：为了更迅捷的水下通信

1977年，美国为了应对潜艇通信问题，提出了以卫星和蓝绿激光为手段的技术方案。

蓝绿光通信属于激光通信的一种，而海水对这种蓝绿波段的可见光吸收是很小的，因此蓝绿光在海水中具有极强的穿透力。不仅如此，蓝绿光对产生极端天气的云层等都有很强的穿透力，再加上光束的方向确定性，其成为了海洋激光通信的绝佳载体。

美国海军提出的计划就是，在确定潜艇位置之后，利用卫星向其发送蓝绿光，由此建立起潜艇、卫星、指挥中枢三位一体的通信结构。并且，为了不占用原有的微型资源，其还要向太空中发射专用的蓝绿光通信卫星。然而该计划在八九十年代兴起了一阵之后，渐渐没有了声息。或许我们可以将其看做冷战期间技术比拼的产物，因此随着冷战的结束，军事威胁降低，发射卫星这么大的动作也就被暂时搁置了。

激光之外，传递声信号也是一项各个国家非常重视的技术，这就是水声通信。

利用声波传递信号，应对的就是无线信号在水中传播不畅的问题。将文字、语音、图像等信息进行电信号到声信号的处理，然后通过水来传播到目标上的接收器；接收器在接受到声信号之后，进行反向处理，然后得到原始的语音、文字、图像等资料。

声信号的优势就是其衰减的速度要远远小于无线信号，也就具备了远程传播的能力。但问题在于，虽然占据了里程优势，声信号传播的速率却还是值得进一步提升的，比如传递的速度太慢。而随着各国对海洋探测的重视，水声通信技术也将成为下一个抢占的技术领先点。

而最近麻省理工新开发的一项无线系统，则有可能对海洋通信产生新的积极影响。

研究人员们利用一个水下声呐发射装置向水面发送声波信号，在水面的时候产生与二进制数据传输的“0和1”相对应的微小振动。再利用一个接收器对这些二进制振动进行信息解读，然后就可以达到信息还原的目的。当然，这个接收器必须要特别敏感，否则发现不了信号也是白搭。

这种方法简单来说就类似于海底设备在海面上敲了个暗语，然后接收器给分析了出来。那么，当风平浪静的时候，接收器或许还能看得出是什么字；那如果巨浪滔天的话，可能就比较麻烦了。

事实上，研究人员也正在向这方面努力，将海面波浪的影响降到最低。如果技术成熟的话，其产生的价值也是很值得期待的。

通信或是未来海洋探测的先行军

我们上面的许多水中通信技术的立足点都是基于潜艇的，由此可见，将来有一天海底通信能像陆地的无线通信这样质量高、速度快、保密性强的话，潜艇将是第一个受益者。但这并不意味着水中通信技术仅限于潜艇的使用。

比如以下几个应用从场景。

黑匣子寻找

黑匣子作为调查分析飞机失事原因的重要记录，在设计的时候自然也融入了很多技术以方便搜索。比如匣体被设计为反光材料以便于在陆地寻找，定位信标则主要主要是通过发出超声波来方便探测，而且只能在1600-3000米的范围内被检测到，其中还会受到海洋障碍物的诸多影响。

如果在电池用尽之后仍然找不到，可能事故的原因将随着黑匣子一起永远埋在海底了。

如果将通信技术移植到黑匣子的身上，在其进入海中的时候自动启动发射信号的功能，将会大大方便外界探测和接收信号，从而迅速查明事故原因，尽快避免类似情况的发生。

水下机器人研发

目前，越来越多的海洋勘探、海洋考古任务开始使用水下机器人进行功作业。由于通信技术的限制，很多情况下只能在机器人出水之后对资料进行分析处理，局限性很大。水中通信技术的加载可以实现机器人对水底情况的实时反馈，从而对探测内容作出相应的调整。

可以预期的是，随着海洋在各国规划和发展中越来越占据重要的战略地位，关于海洋探索的技术也将不断更新和迭代。又因海洋资源集中在海底，海底通信技术也成为解决一切问题的前提。在这种需求与竞争之下，水中通信也许即将在不远的未来产生令人期待的突破。

【钛媒体作者介绍：文/脑极体】

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