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 

谈谈堪称绝对高科技的蓝绿激光对潜通信

对潜艇通信一直是一个世界级的难题，因为要同时确保潜艇本身的隐蔽性和通信的超地平线和超远距离，并且还要确保通信的不受干扰和绝对可靠。因为这种通信包含的信息可能是发射核弹的命令，如果出现差错引发不可挽回的核战争，那么谁也负不起这个历史责任。因此超长波通信几乎是目前最可靠的对深海潜艇通信的模式，不过超长波通信本身的问题也很大，这就是陆地通信台的设备设施庞大，仅仅天线就有几十上百公里，如此大范围的非隐蔽目标，在未来核大战中肯定是被第一轮就抹平的重点目标；而且这种地面发射台耗电功率巨大，以几十万千瓦的电力支撑一个发射台。一旦启动对几千公里内的正常的无线电通信都有干扰。而超长波电台的发送信息的效率更是低到吓人的程度，

1个小时发送不完一个长单词。如果发生核大战，一个命令还没发完，也许超长波电台本身已经不存在了。于是各大国水下的核潜艇，除了接受超长波电台的命令，还要定期收听中短波的广播和报时，就是防止万一本国被毁而不知道情况发生了变化。这些方式其实都是非常原始的。那么有没有一种对潜通信方式，既高速又高效而且安全性还相对很高呢？蓝绿激光通信就是最有前途的一种。蓝绿激光通信的优点是：穿透海水能力强，可实现与下潜400米到600米的的潜艇直接通信；这比超长波最多能穿透150米深的海水的能力强几倍。激光通信频带宽，数据传输能力强；波束宽度窄，方向性好；设备轻小；抗截获、抗干扰、抗毁能力强；不受电磁以及核辐射的影响。但是，由于这种通信方式，

使用经大气传播的光波，在大气中会引起光散射，造成信号的衰减。但是这种衰减是可以在承受范围之内的。蓝绿色本身可以代表0和1，这样就可以高速传递任何数字信号。毕竟对包括电脑在内的任何数字设备来说，只要区别0和1就可以高速传递任何内容和画面。如果派出一架飞机，携带激光器。从潜艇上空飞过，如果飞机高度为10公里，以亚音速的速度飞过潜艇上空时，激光束将在海面上扫过一条15公里宽的照射带。在飞机一次飞过潜艇上空的约3秒的时间内，可完成40到80个单词的信息量的通信。比长波电台的信息传递速度快了几个数量级，而且穿透性和更强。这种方法实现起来较为容易，在条件成熟时，这种办法很容易升级至天基系统之中。用卫星可以更大范围和更高效地实现对潜艇的高速通信。

如果担心飞机对某海区的激光通信可能暴露该海域有本方潜艇，那么可以用卫星，对大范围的海域反复加密扫描，这样对手也不知道具体那一片海水里有潜艇。奋斗者号在万米以下实现了高速数据传输，有可能是激光水下通信的彻底突破之一。

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