2.1 海洋中的声波导现象

波导（waveguide）一词最早出现在无线电领域（通信、雷达、导航等），是指能够限定和引起电磁波传播的管道。典型的波导现象是由金属波导管或其他类型的导波装置提供的，电磁波在波导中的传播受内壁的限制和反射作用，能够保持较小的能量损耗，实现远距离的传播。在大气中，在某些特殊的环境条件下（如对流层中存在逆温、水汽随高度急剧变小等）也会出现电磁波限制在某一大气层结中传播的现象，这种现象被称为大气波导。

然而，地球上还有很大一部分区域是电磁波难以到达的。海洋占据着地球表面的70%以上，在这样一个庞大的水下空间中电磁波并不能进行有效传播。由于海水对电磁波吸收较快，无论是波长很长的无线电波，还是波长很短的紫外线，它们在海水中的传导性都很差。以光波为例，即使在清澈的海水里，光到达水下100m深度时，所剩余的能量还不到原来的百分之一。因此，要想在海洋中探测目标或传递信息，不能依靠电磁波来完成。

相比之下，声波在海洋中具有很强的传播能力，声波是迄今为止水下传递信息唯一有效的方式。在深海中，几千克TNT炸药的爆炸声产生的信号，能够很容易在几千千米之外的距离上接收到。在一次试验中，澳大利亚附近发出的声波，甚至能够被百慕大近海的水听器监听到，两者之间的距离几乎绕过了半个地球。

与电磁波在大气中的传播类似，海洋虽然是声传播的良好介质，但也存在一些固有的限制条件，如：

（1）海水中的声吸收引起的信号衰减，限制了特定系统的声波传输能力；

（2）海水中声速约为1500m/s，传播速度相对于电磁波（约3×10 ⁸ m/s）要小得多；

（3）传播过程中的介质特性变化、海底和海面变化、频率变化、多途干涉等效应引起的波动将使信号发生明显的畸变；

（4）海浪、火山和地震活动、行船、生物、降水等过程产生的环境噪声，以及声学系统及平台的自噪声对接收信号的影响。

海洋作为一个庞大而复杂的介质系统，时时刻刻都处于变化之中，这就决定了声波在海水中存在着复杂的传播方式。在某些情况下，如声波在传播过程中在介质和边界的共同影响下能量以某种形式集中起来，出现波导现象；而在另外一些情况下，声能在传播过程中趋于发散，可称为逆波导现象或反波导现象。如图2.1所示，列举了一些海洋中常见的典型波导现象。这些波导类型的声传播方式与海水介质特性、海面与海底的边界条件、声源的位置，声波的频率等因素有关。