水声通信：如何在水下实现远距离无线通信
什么是水声通信？
水声通信，顾名思义，就是利用声波在水下进行通信。它首先将文字、语音、图像等信息转换成电信号，并由压电换能器将电信号转换为声信号在水中传播，之后接收换能器将采集到的声信号又转换为电信号，并恢复为对应的声音、文字及图片。
水声通信是一种新兴的远距离无线通信技术，使用湖泊、河流、港湾或海洋作为传输媒体，通过声波来进行通信传输，能够取代传统的无线电传输技术，在不到视线的情况下，实现低功率、远距离可靠的数据传输。
水下声音怎么传播？
如果您是潜泳爱好者的话，您一定对水下声音的传播而感到印象深刻，特别是在海边潜泳时，您甚至能清晰的听到远处船舶等各种声音，达芬奇在1490年也发现了这一特点。
声波是一种机械波，介质振动方向与传播方向相同。它之所以能够远距离传输是因为其在水中的传播衰减远远小于电磁波，因此是目前唯一一种能够实现水下远距离无线传播的信息载体。
不同于空气中的声速 340 m/s，声波在水中传播速度更快，约为 1500 m/s。但水下声速并非恒定的，而是随着海水温度、压强、盐度和深度等参数不断变化。
由于不同深度声速大小不同，使得水下声波并不是沿着直线传播的，而是弯曲的。这点可能出乎大多数人的意料，如下图所示是一种声波传播路径。同时，我们发现水下某些区域声波无法到达，如果我们处在这个区域里，那就几乎听不到声音了。更有趣的是，在同一个地点上午能听到某种声波，经过一上午的艳阳高照，下午就可能听不到这种声波了，这就是著名的午后效应。
水声信道有何特殊性？
对于通信系统，分析对应的信道特性往往非常重要。相比于陆地无线信道，水声信道更为复杂。
1.多径明显：海水中弯曲的声线，在传播中受到海面、海底的界面反射和随机散射，使得不同时刻不同强度的信号在接收端混叠，产生类似混响的效果，导致接收端无法恢复原始信息。
2.变化较快：随着表面海浪波动、海洋内波等变化水声信道也随之快速变化；
3.噪声和干扰强：海洋环境噪声、海洋生物噪声和船舶等人类活动噪声也增加了通信难度；
4.大多普勒频移：水下声速 1500 m/s 远远小于电磁波传播速度 3×108 m/s，因此水下平台间相对移动所带来的多普勒效应对系统的影响远远大于电磁波通信。同时，频率越高的声波信号传播衰减也越严重，导致水下可用的信号带宽十分有限。
综上所述，水声信道是迄今为止最困难的无线信道之一。
水声通信有哪些应用？
水声通信技术在海洋科学观测、海洋工程建设和国防安全等领域都发挥着重要的作用。