张仁和院士率领的研究人员正在海上进行声学实验
海洋不仅蕴藏着丰富的资源，影响着人类的生存环境，也关系着国家的战略安全。因此，进行遥测、遥感、开发和研究海洋十分重要。由于海水引起的传输衰减，电磁波和强激光光波在海水中很难穿透1公里的距离。相比之下，声波在海洋中的衰减仅为电磁波的1000分之一。低频声波在浅海中可传播数百公里，在大洋中可以传播上万公里。
“声波是目前可实际应用于海洋远距离传播的物理场，研究海洋声波也成为认识海洋、研究海洋的重要工具。”中科院院士、中科院声学研究所研究员张仁和说，“在国家自然科学基金的支持下，中科院声学研究所声场声信息国家重点实验室对海洋声学基本问题进行了探索研究，对后来向应用研究推进，研制出一系列国际领先的仪器设备作好了铺垫。”
“海洋对声波是透明的”
海洋声学是声学和海洋学的交叉学科。海洋声学研究在探测、定位、通讯、导航、海洋监测，海洋地形地貌、地层结构测量、渔业、矿物资源查找、海洋声学测温、声学层析等领域有广泛的应用。
海洋温度变化是影响全球气候变暧的一个重要因素，现在，温室效应给全球气候带来巨大影响，要研究全球温度变化就要监测海水温度。因为水的比热较大，海洋温度微小的波动就会引起地球气温的明显变化。“我们曾参与过一个国际合作计划，就是利用声波来测量海水温度。”张仁和说，“假如用温度计来测量整个海洋的温度，海洋各处温度起伏和温差变化会很大，很难测准，更难以在大洋中各处同时测量。而声音在水中的传播速度受水温影响，温度越高，速度越快，所以测量海洋中的声速，就能计算出海洋的平均温度。研究人员在印度洋南部的赫德岛，设置一个功率为5000瓦的声源；然后在亚洲、大洋洲、南极洲和美洲东西部海岸设点接收声波，就能很容易地准确计算出海洋的平均温度。”
张仁和介绍说，海洋石油勘探的实质是先找海底能够成油的地质构造，找到有可能成油的地质构造后，再有针对性地进行钻探，看是不是有石油。海洋地质勘探过去用炸药，现在为保护环境改用气枪。用气枪在海水中制造一个声源，声波就能穿透海底地层，研究声波的变化就能掌握海底的地层结构，为海洋勘探提供依据。声学所曾用声波做过海洋测流，将高频声波打到海洋中，就能根据声波发生的频移，准确迅速地测出洋流的方向和流速。和过去在海洋中放置类似风车的设备测量海洋中一个点相比，现在声学测量方式能轻易地测出海洋不同深度的洋流，能够监测海洋内部的波澜。海洋声波还可以测海洋深度，只要探测船一走过，就能利用回声将一条带状的海底等深线勾勒出来，描绘出海底的地形。此外海洋声波还可用于海洋中测定方向、距离和深度，进行水下通讯等。
“其他形式的波在海洋中衰减很快，这些物理场在海洋都不能传播太远，而声波比我们知道的其他形式的波更适于海洋传播和进行海洋研究。海洋对声波似乎是‘透明的’。”张仁和说，“我们用的移动电话靠电磁波来传播信息，但电磁波在海洋中传播不了多远。而海底低频声波的衰减很小，声音在水中的传播速度也是空气中的5倍，声波在海洋中传播速度可达1500米/秒。声场声信息国家重点实验室正进行低频声波的通讯研究，这将应用于海底移到物体之间、海面下与海面上之间的移动通讯。目前正处于一两百公里距离通讯的原理实验阶段，5年以内估计就会有这类设备投入应用。”
让企业能接住研究所传出的“球”
张仁和一毕业就被派往海南，从事海洋声学研究，常年在西沙、南沙群岛考察，钻进海洋声学领域几十年。1978年，张仁和第一次到深海做实验时，当时考察队条件较差，只有600吨的小船。而海船越大越稳，他们乘坐的考察船左右都晃到30多度。队员们晕船晕得厉害，根本无法控制。他记得队员中有人呕吐时把假牙都吐掉了。这事后来在考察队成为一个小小的笑料。
与发达国家相比，多年来我国在实验设备上不如国外，没有大型的水声实验船，更没有先进的自动化发射、接收等实验设备。没有大型实验考察船，不能到深海，就在临近大陆的浅海做实验；没有大型计算设备处理数据信息，就大量收集实验数据，钻研简易的计算方法。“结果坏事真的变成了好事，我国的水声物理研究在国际上形成了自己鲜明的特点”。我国的水声研究主要以浅海为重点。国外的实验船在深海中游弋，把研究人员轻易带进了深海，结果大量的浅海实验和数据被忽略了。当国外同行意识到浅海复杂多变，规律难以把握，而调转船头回师浅海时，张仁和与他的科研队伍已经掌握了浅海的规律，并提出了“平滑平均声场理论”和“浅海声学统一理论”，并根据浅海的特点建立了浅海声传播的模型。
在长期积累的基础上，经过大量实验与理论研究，张仁和的研究团队创造性地提出了三维定位的新方法，并获得了三项发明专利。在1994年南海深海实验与2001年浅海实验中检验了所提出的新方法，目前该方法已被应用于新型声呐研究。中科院声学所还自己研制了多种声学仪器，如声学多普勒流速仪(ADCP)、声学相关流速仪(ACCP)、合成孔径声呐(SAS)、多波束测深仪(Sea Beam)，海底地层剖面仪等多项成果。
“研究机构应该从理论研究向应用技术再迈出一步。”张仁和说，“国外很多大公司的科研实力很强，就像篮球比赛中的传球，研究机构做的基础理论成果企业接得住，它能完成后续的转化工作。我们国内的企业目前还没有这个力量，把‘球’抛给它，它接不住。研究成果完成了，论文也发表了，尽管我们的理论研究已经搞得相对简单了，理论、算法、实现的技术手段都很清楚了，但企业还是难以为继。如果我们不去接着做的话，它们就做不下去。所以我们要再向前走一步。现在我们科研成果的转化率很低，也和这个因素有关。”
“创新难以准确预测”
海洋是一个复杂的传输系统，声波在海洋中传播、散射、起伏及声场反演就成为声场研究的基本课题。1990年，声场声信息国家重点实验室建立，作为致力于基础研究的国家级科研基地，实验室主要研究声波在水中的传播、衰减和散射规律，研究作为信息载体的声波在传播过程中的畸变、起伏、背景噪声及其与海洋的相互作用，以解决水中探测、导航、跟踪定位和遥感海洋的理论和应用问题。1993年，声场声信息国家重点实验室获得国家自然科学基金80万元的重点基金项目支持，展开“水声逆问题研究（从收到声波数据，反推声音的环境、声音定位等）”，开始了海洋声学基本问题研究。1998年张仁和的实验室又开始了“浅海声学层析”研究，通过声波反推海洋的变化。2003年他们进行了“随机非均匀海洋中声场时空相干特性研究”。
从上个世纪90年代初至今，该实验室承担了包括国家自然科学基金、“863”计划、“973”计划、国家攀登计划、国家攻关计划、部委级项目等共60多个项目，其中一些项目获得过国家科技大奖。实验室十几年来坚持面向国家战略需求，展开声学与信号处理的基础研究工作；面向科技成果的应用转化，推动应用研究工作，取得了一系列具有重要学术意义和应用价值的成果。
“长期基础研究的积累是创新的源泉，我们天天讲创新，但科学研究是要探索前进的，虽然大的方向还是有的，但创新是不可准确预测的。能预测就谈不上创新了。”张仁和说，“我们做出了一些成果，主要是早期有很好的基础研究积累。前期基础研究的风险较大，一直是国家自然科学基金支持我们完成了这些工作。从这点上说非常感谢国家自然科学基金，科学基金的行政干扰少，能让我们顺利完成前期的基础研究。”
刚刚过完70岁生日的张仁和目前还承担着一项重点基金，曾是国家自然科学基金第一届评委的张仁和说：“自然科学基金对我的研究工作支持很大，对我们研究团队的支持也一直没有断。我本人负责的项目有近10项，我们团队中其他成员负责的项目还有很多。基金对基础研究的支持就像撒下的种子，后来我们又在此基础上，得到国家和中科院的支持，使研究开花结果。”（全文转载自２００６年１１月２７日《科学网》，记者 张双虎）