声音导航

   很久以来,渔夫和海员就已经利用声音在水中的传播方式并使用回波定位的初步技术了。例如,在古代的腓尼基人时期,渔夫就通过发出大的声音,例如敲钟并听回声的方法,来估计前面被大雾掩盖住了的陆地的距离。到1902年,航行过美洲海岸的船只通过安置在固定灯船上的水下钟来获得暗滩的警告。十年后,泰坦尼克的悲剧激发了波士顿潜水艇信号公司(现在是Raytheon公司的一部分)和其他人研制更有效的装置,以警告冰山和其它航海危害。该悲剧发生一周内,瑞查得森(l. R. Richardson)向英国专利局申请了用在空气中传播的声音回声定位的专利。一个月后,又申请了同样的在水下的专利。然而,第一台能工作的回波定位仪是在1914年,由为潜水艇信号公司工作的瑞格纳德·A·泰森德(Reginald A. Tessenden)在美国获得的专利。泰森德(Tessenden)的装置是一个发射低频声音,然后转换成用来听回声的接收器的电子振荡器,它能探测到水下二米外的冰山,虽然还不能精确测定其方向。

  1826年,查尔斯·斯特姆(Charles Sturm)(左)和丹尼尔·克拉顿(Daniel Colladon)(右)测出了第一个声音在水中传播速度的测量值。斯特姆(Sturm)敲响了浸在水中的钟,克拉顿(Colladon)用记秒表记下了声音传过日内瓦湖所用的时间长,他们的每秒1,435米的测量值比现公认的速度只差3米。

  一战中,盟军研制出了更复杂的回声测深仪,但是它们和德国的U型潜艇威胁者根本无法相比,因为它们无法定位和跟踪移动着的物体。然而战后不久,德国科学家理查德(H. lichte)在观察用音响装置清除德国海港的地雷时,提出了关于在海水中声波的倾斜和折射的理论,提供了解决难题的线索。在瑞利(Rayleigh)勋爵和早期一个名叫威利布朗·斯奈尔(Willebrord Snell)的荷兰宇航家的研究基础上,理查德(lichte)在1919年提出理论:正如光在穿过一个媒体到另外一个媒体的时候会发生折射,声波在遇到温度,咸度和压力等小变化时,也会折射。他还建议说洋流和季节变化会影响声音的传播。不幸的是,理查德(lichte)太超前了,他的远见几乎六十年都没有得到承认。

  在美国,研制更复杂的回波定位装置的努力在马里兰州(Maryland)Annapolis的海军工程试验基地人员哈伊斯(Harvey C. Hayes)的指导下在二次战争之间继续进行。哈伊斯(Hayes)鼓励美国海军在和平年代为民用海洋物理发挥作用。这一结合沿继至今。这样,正好在二战爆发前,美国海军船只已经装备上了声深发现仪和改进了的称为声纳的回波定位仪(用作声音导航和测位),它们可以接收到潜水艇螺旋桨的声音或几千码外潜水艇外壳的回声。然而,这些装置却不知为什么极不可靠。1937年夏,美国Semmes船上的官兵不知道该怎样解释和纠正该船在古巴Guantanamo湾演习中出现的声讷问题。出于某种原因,这些装置在下午的表现继续恶化,它们有时根本无法回复回声。Semmes的船长向马萨诸塞州Woods Hole的Woods Hole海洋地理机构(WHOI)寻求帮助,当时为WHOI副指挥的库拉伯斯·艾瑟林(Columbus Iselin)用他的实验室研究船—大西洋,加入了Semmes,共同研究这一令人迷惑不解的“下午效应”。