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文|遇见锦鲤鱼
- ]; e1 j" A! m) T% D. X 编辑|遇见锦鲤鱼
1 [8 Z4 c8 z) f$ f( `# M2 z2 K4 b4 p 前言
: a$ z. k7 N8 O" T! S2 @ 人类每天对海产品的消耗很大，但是也必须注意海洋生态环境，为了在不影响鱼类种群的情况下制定正确的捕捞规则，这就需要了解海洋中鱼类的数量。
, z& l* x9 |1 d. q 可是科学家不可能每次都潜入海水下数鱼，为了探明水底的情况，先进的科学技术可以提供帮助，科学家们参考了像海豚这样的动物，可以利用声音来“看到”周围的世界。
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8 }) a5 w9 w6 N3 ?1 g& B 于是智能声波装置应运而生，它可以向海洋发送声音并测量返回的回声，甚至可以利用鱼的独特回声来了解海里有多少鱼，科学家们现在正在测试这项技术是否可以帮助他们探索深海。
. ]5 v: V# p# A1 G 声波探测器是怎样穿透海水进行工作的？为了海洋鱼群的健康发展，这种新型的仪器能够起到那些重要作用？ # C5 S7 k( @0 z8 U. L% z8 f4 p
0 s8 r4 R- l; M 海洋资源
/ ?% a0 f! @& s' m6 N 自远古时期开始，人们就已经学会了捕鱼，在欧洲的壁画中，就出现过渔夫使用网状工具在大海中捕鱼，这项技能延续了上千年之久，一直到现今社会依旧存在捕鱼为生的人们。 $ k, x! M+ r) s {/ F% L1 k1 B
沿海的人们喜欢吃鱼，随着科技的不断发展，人类已经变得非常善于捕捉海鱼，当然数量也要控制得当，不要捕捉太多。
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7 @# y* l% v9 i$ ^$ L! A 我们可以通过制定每年可以捕获多少条鱼来保护海洋生态的健康稳定，如果在休渔期留下足够的鱼，它们就会自然繁殖，以便下次可以钓到很多鱼。
0 E. n* G' K! Q$ W 如果我们有良好的捕鱼制度来防止过度捕捞，那么海洋中的物产可以成为一种有价值和可持续的资源，为子孙后代提供取之不尽的海洋蛋白质。
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为了制定关于可持续捕捞多少鱼的正确规则，重要的是要知道海里有多少鱼，海洋覆盖了地球的 70% 以上的面积，因此这是一个巨大的研究领域。 ) U0 M" I- y! ?: W. T8 v4 i
就像一个人观察海洋或湖泊，受限于光线在水下的折射率，人们不依靠外来设备几乎看不到水底的环境，出于这个原因，科学家们想出了一些方法来帮助他们了解海底世界。
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2 ~9 W& b6 {$ _ h r 首先要想知道这片海域存在多少鱼群，实地考察取样就尤为重要，例如他们可以用网捕鱼，或者可以潜入水下，再或者可以问过往的渔民钓到了什么品种的鱼。 . a5 l! ^( I* b4 o
当然这些方法或多或少存在一些局限因素，误差会影响最终的实验测算数据，因此科学家们需要找到一种更为方便且准确的方法，调查和统计海水下鱼群的数量。 ; \6 H& w% [+ \0 S( r% k7 w. O
$ b1 t7 b. u7 I5 F2 j 仿生学领域的工作人员给出了一个很棒的方案，如海豚通过声波探查障碍物，声音是科学家可以使用的另一种工具，但是科学家如何利用声音来“看到”水下发生的事情呢？
8 S2 o8 `. T3 a- k5 r 声音以能量波的形式传播，就像水波一样，声音可以被表面反射并朝另一个方向传播，就如如一个空荡荡的大房间里容易出现回声。
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声学仪器原理
- ?3 e1 V( T4 C0 _% j0 j& _ 此前早在上个世纪，科学家们就发现声音以波浪的形式传播，于是乎当时大家热衷于制造发出声音的东西，如留声机或扬声器。 - M" }8 b4 u' _' W! E
当声音从某物反射并传播回接收器接收或收集声音的东西，反射回来的声音就是科学家们需要分析收集的完美副本，研究人员将这种波段称为声音信号。
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一些动物已经学会了如何利用声音来“看到”周围的世界，例如海豚在海面上航行时会发出尖锐的声音，然后他们倾听返回的回声，这时大脑将回声处理成周围世界的图像，这有助于海豚捕鱼并避开障碍物，即使在漆黑的黑暗中也是如此。
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; [ A7 d2 t: Y* ]* M. a 科学家们已经了解到像海豚一样，我们可以用声音来观察水下的物体，海豚用它们的大脑将声音处理成潜在的地图，但人类的的大脑不适应用耳朵“看”物体，所以科学家使用技术将声音处理成纸上或计算机上的图像。
: Q- X. t: g4 x+ m 研究人员称这些图像为回声图，从字面上看这是一幅“声音图”，即通过将声音信号加工成图像而制作的图片。
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5 c. O1 T R: `5 r) u* I# i “回声图”一词是古希腊语中“声音”（echo）和“绘制的”（gram）的组合，因此回声图上的形状和颜色反映了声音信号的强度和位置。这些回声图帮助我们“看到”数百米以下的海底。
0 M" v$ e$ |3 l 解释回声图的波段坐标需要很多经验，有时科学家也会用它们制作其它项目，例如回声图被用来制作海洋地图，以帮助防止船只在海底搁浅。
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有时回声图会显示海域的一部分位置水位很浅，对船只来说是危险的，这些浅水区被标记在地图上，以便其他船只可以避开它们。
' m ]& i! Y6 L- P6 H 然而另一位船长回到同一地区会发现水比地图上显示的要深得多，科学家后来了解到一些被绘制为浅海底的区域实际上包含由鱼类和水母组成的密集海洋生物层。
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( c: R% d# P* q$ T/ R3 H 水中有如此多的海洋生物，所有动物的回声听起来和海底的回声一样！虽然科学家们知道他们可以利用声音来定位水中的鱼，但他们没想到会发现这么多动物，并且原理如此简单。
/ y8 Q7 d5 K$ }) A 幸运的是，科学上的错误可以带来新的发现。在这种情况下，科学家们了解到，他们认为的海底实际上是密集的海洋动物群！ % D: M; z& N& s2 K( W7 g8 g9 P
0 ~3 o' @. @. ~8 c 科学家们正在不断提高仪器的质量，并更多地了解如何使用声学技术来观察鱼类，虽然声学信号最初用于简单地测量深度，但现代回声图可以返回更详细的信息。 ; F7 m( ^! C8 T6 ?
今天科学家通常可以通过解释回声图的细节，来判断鱼群中的鱼是什么类型的鱼，科学家之所以能做到这一点，是因为鱼类具有独特的生物学特性。 " M, \/ ~. b9 P) w4 W1 q0 P( \, ~
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鱼有许多与人类相似的器官，如眼睛、大脑、胃、肝脏和肾脏，它们也有一些不同的生理学构造，可以适应所处的深海环境。 0 b$ z$ V% `( f
鳃就是一个例子，它可以帮助鱼在水下呼吸，并且鱼类还拥有的另一种特殊器官称为鳔，鱼体内的海参可以作为充满空气的一个小器官，帮助它们在水中漂浮和上下移动。 ) \1 B- {$ ]+ J! w
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鱼鳔的内部是一袋空气，可以帮助鱼控制它们在水中的深度，如果它们充满气囊将漂浮在更靠近水面的地方，如果它们释放一些气体，鱼将停留在水下更深处。
* O J X: G$ X% P 气囊对声音的反射效果特别好，就像鼓一样，气囊是一个充满空气的空白空间，当它被声波击中时，气囊会产生强烈的回声。 * j" @- }" C: N% _3 ^: z8 c2 a
4 k2 [% f2 n% O2 B: p5 Y; v* t 回声的强度取决于气囊的大小和形状，鼓也是如此，小鼓会产生短而高的声音，而大鼓会产生长而低的声音。
! E/ s- a! T7 [# H8 u | 不同种类的鱼有不同的形状和大小，幸运的是对于科学家来说，他们的气囊的形状和大小也不同，这会导致鱼产生独特的回声，这些回声在回声图上看起来完全不同。
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为了使这项技术发挥作用，科学家必须将回声图中的声学信号与特定种类的鱼类相匹配，他们通过用网捕捉少量鱼并记录声音，从它们身上反射时回声图的样子来做到这一点。 ; X3 q. j8 P- `# Y F; w' X
下次当捕鱼船的船员们在回声图上看到类似的信号时，大家就会知道哪些鱼种在水里游动，而不必用网捕捉它们！ , j6 ~1 ]& i5 G6 t+ k0 [
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扩展海洋仪器0 f% j! r+ @& ]6 V. Q
我们也能改进这些设备，让它们搭建更为复杂的实验，就比如用声音探索中层区域，科学家们对海洋深处感兴趣称为中层带，一般处于海洋中 200-1,000 米深的部分。
6 \( s" V3 y( { 在这个深度下的海洋环境，很少有阳光可以穿透海水，由于光线不足它有时被称为海洋的“暮光区”，那里生活着许多神秘的深海生物。
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然而由于人类很难移动到中层带进行数据探测，我们对海洋的中层区域知之甚少，这里的水压过大，很多仪器的外壳会被挤压变形，失去原本的作用。
+ i1 P3 m( J( K9 y1 ~& Q7 j 为了帮助大家想象中层区域有多深，打个比方来说奥林匹克游泳池长 50 米，要到达 1,000 米深，您必须游 20 圈，这个长度还是直线向下的，这平均需要潜水健将游泳 45 分钟。
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幸运的是声音的传播速度比游泳的运动员快得多，声音可以在不到两秒的时间内到达 1000 米并返回，多亏了这一点特性，科学家们可以创建大量的回声图，告诉他们船底深处发生了什么。 ) h0 H+ Y. l2 ~9 ^1 c
这有助于他们计算中层地区生活着多少鱼，如果人类想捕捉这些鱼，知道鱼群的分布范围以及大小数量等参数就尤为重要。
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+ Z% j) i1 J# z1 A 目前到2021年为止所了解到的探测仪来看，使用声音看到下方物体并不总是那么容易，尤其是在深海中，在这里探测鱼群意味着克服许多障碍，进行上千次的验证实验。 / y# f: u, j4 \ K5 {& J, a- n
欧洲海洋研究协会曾经设计出一款原型机，在最初的型号中，声音探测器只能发现体型较大的鱼群，比如鲸鱼和鲨鱼。 4 t6 q' k( g( ~! E9 U
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后续改进型号中，科学家们加入了几种新的波段，它们在水下能够产生巧妙的共振，就像在海洋深处洒下了一层细密的渔网，只是材质是由声波构成的。 5 T- m! [. C2 C2 h4 [9 R! v/ U
通过多次实验验证，最终设计师们敲定的量产方案，并安装在大型拖网渔船上测试，让渔民轻松的找到水下深海鱼的聚集区。
3 G; W9 L9 s' L; r$ H( [ 除了很多鱼研究学者们还可以找到海参，这时一种类似于水母的柔软水下动物，在深海中它们喜欢在珊瑚礁和岩石缝隙中移动。
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! k: i8 |0 C6 ` 像鱼一样它们有充满空气的漂浮器官，帮助它们在水中上下移动。由于这些器官会让海参产生类似于鱼类的回声，为了在回声图中区分鱼类和海参，科学家需要收集更详细的声学信号。
- Z: ?7 Q& }4 v9 n 为此他们与工程师合作，尝试开发新的原声探测仪器，声学技术帮助我们保持海洋的可持续发展，共同维护海洋生物种群处于健康的物种数量。
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总结
9 P) F0 z" A0 H9 I 直到现在为止，深海捕鱼已然用上了声音传感器，这项技术能够帮助船员更好的了解水下复杂的环境，更轻松的找到鱼群的位置。 ; P" p$ e2 ?; }$ J6 W2 ^
科技的发展就是这样无声无息的走进人们的生活，上个世纪的渔民为捕到大量的鱼，经常会通过潜水确定具体的方位，现如今这些复杂的工作都将逐一简化。 B, H- \. C: o4 h% D v8 M% z
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声学技术利用声音帮助科学家估计海中有多少鱼，这些知识对当地捕鱼时间和其他决策建立很重要，因为这些数据可以帮助开展环境保护等一系列工作。 2 v: O+ i \$ X) y. f7 w+ W
限制可以捕获的鱼类数量有助于许多鱼类从过去的过度捕捞中恢复过来，科学家们正在努力收集有关生活在深海中的鱼类的信息，通过科技的力量维护好人与自然的关系。
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