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地球上的海洋面积占地球表面的70%多，但是直到近年来，我们对海底的了解还比不上对月球表面的了解多。尽管月球离我们很远，但是对它的研究比对海洋容易进行得多。宇航家们很早就能看到它的表面，最先用眼看，然后用望远镜，这两种仪器都聚光。后来，当望远镜可以用于观察不同波长的光时，现代宇航家不仅能够分析地球的大气，还能测定太阳或其它离我们几百光年远的星球的温度和组成。然而，直到二十世纪，仍然没有可以用来研究地球海洋的类似仪器：在浩瀚的宇宙空间可以传播三百万米的光，在海水中却传播不了多远。现象表明穿越水的最佳选择是声音。
如果人类知道怎样利用声音在水中超常的传播能力，那么1912年泰坦尼克号就会得到关于冰山的警告，这艘豪华的客轮就不会沉入北冰洋的海底，带走1522名乘客和船员的性命了。这一悲剧事件刺激人们研制回波定位工具——通过发出脉冲音，并收听其回声来探测远距离物体。二战中，科学家和工程师们用这些工具，进一步研制出了更复杂的探测潜水艇的仪器。
今天，研究人员应用关于声音如何在水下传播的知识完成大量的任务，例如探测核爆炸物，地震和海底火山爆发。正如宇航家用光探索大气的秘密一样，在称为声海洋学领域的科学家们用声音来研究地球海洋的温度和结构——这是决定我们对全球气侯变化的了解能力至关重要的测量。生物声学的研究人员也用声音研究海洋哺乳动物的行为以及它们对人为水下噪音的反应，这有助于制定保护海洋野生物的政策。
所有这些对水下声学的现代应用都建立在几个世纪以来对声音怎样在空气和水这些不同的媒质中传播的研究工作基础之上，这些早期研究最初并没有任何实际应用；而是由一些对人类对自然的基本了解有极大兴趣和好奇心的研究人员进行的。然而，当后来的研究人员开始以此为基础进一步扩充时，他们却为今天已广泛应用的工具和技术的发展打下了基石。
良好的振动
好奇的研究人员很早就对声音和它在水中的传播方式产生了兴趣。早在1490年，（leonardo） 莱昴纳多· 达·芬奇就观察到：“如果你把你的船在水中停下，并把一条长管子的头儿放在水中，将另一端贴近你的耳朵，你会听到离你很远的船的声音。”1687年，在牛顿的《数学的自然法则》一书中，发表了第一个声音传播的数学理论。研究人员从十七世纪中期开始测量声音在空气中的传播速度，但是直到1826年，瑞典物理学家丹尼尔·克拉顿(Daniel Colladon)和法国数学家查尔斯·斯特姆(Charles Sturm)才精确地测量出声音在水中的速度。用一条长管子听水下（正如达芬奇建议的那样），他们记录了浸入水下的钟发出的声音在日内瓦湖中传播得多快。他们的结果——在摄氏1.8度（华氏35度）的水中每秒1435米（1569码）比现在公认的速度只差3米，这些研究人员表明水无论是淡水还是咸水——是声音传播的极佳媒质，声音在水中比它在空气中的传播速度几乎快五倍！
但是声音是怎样传播的呢？声音是当一个物体振动产生一系列的压力波并交替对波传播的空气，水或固体分子压缩和降压时产生的一种物理现象。压缩和稀释（我们对降压的称法）的周期，可以用它们的频率来描述。波每秒的周期用赫兹来表示，例如人的声音，产生100到10,000赫兹的频率，而人的耳朵可以听到的频率为20到20,000赫兹，狗和蝙蝠是可以听到更高的频率——高到160,000赫兹的动物代表，而鲸和大象则处于波谱的另一端，它们产生频率在15到35赫兹范围内的声音，大多低于人类的听力，所以称为亚音或亚声。声波和光波一样，也可以用它们的波长来形容——即两个波峰之间的距离；频率越低，波长越长。
1871年和1878年，英国科学家瑞利(Rayleigh) 爵士三世约翰· 威廉姆·斯特列特(John William Strutt)发表了他的共二卷的处女作《声音理论》，这本书通常被看作标志着现代声学研究的开端。瑞利(Rayleigh)勋爵因成功地分离出了氩元素，而获得了1904年诺贝尔物理学奖。他在声学和光学领域的重要发现对波在流体中传播理论至关重要。在其它方面，瑞利(Rayleigh)勋爵是第一个用数学等式描述声波的人（这是所有声学理论工作的基础），也是第一个描述空气中的小颗粒分散某种波长的阳光的人，这一法则也适用于声波在水中的活动。
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”。
声音盲区.
科学家们有了用得得心应手的新装置，它是在1937年由WHOI和麻省理工大学（MIT）的阿瑟斯坦·斯比尔霍斯（Athelstan Spilhaus）发明的，称为海水温度深度自动记录仪，或BT。BT是一种小的鱼雷型装置，装有温度探测器和可以探测出水压变化的元素。把BT从一艘船外伸出，它会在掉进水中的过程中记录压力和温度的变化。因为以分巴计算的压力值与以米计算的深度值几乎相同，技术人员可以把深度和温度联系起来。斯比尔霍斯（Spilhaus）认为他的BT可以广泛应用于获知关于海洋的基本原理——例如，温度和深度对海洋生物的影响以及洋流的结构，尤其是象Stream湾大洋流两边的旋涡。但是艾瑟林（Iselin）和美国海军用BT作出了与此不同，有更大直接用途的发现。
在温暖的海洋上层中，声音向海洋表面折射，当声波向更深处更冷的海水中传播时，它们速度变慢，并向下折射，由此产生出潜水艇可以隐藏起来的声音盲区。（改编自国际科学和技术机构的R. A. Frosch写的“水下声音”）
BT的读数表明在下午的早些时候，太阳将5到9米（16到30英尺）深的海水表层照暖到比下层海水水温高摄氏1到2度（华氏2到4度），在表层以下，海水随深度迅速变冷，科学家们知道声速随温度增加，因此他们意识到船声讷发出的信号会迅速穿过温暖层，然后当它们接触到下面的冷层时急剧变慢。他们发现声波在穿越两种性能不同的海水层时会发生折射，从声音传播较快的区域转向声波速度较慢的区域，这种转向造成了声音的“盲区”，使得声讷信号无法探测到任何正好定位于暖水层和冷水层分界线以下的潜水艇。（见如上图示）
库拉伯斯·艾瑟林（Columbus Iselin）立即意识到了声音盲区以及BT对潜水艇战争的重要意义。装有BT的潜水艇可以用它测定与追逐舰有关的盲区位置，这样就几乎可以不被敌舰声讷发现，而猎潜舰则可以将BT用于相反的用途，调整其声讷方向，使之考虑到料想中的折射。
二战中，BT成了所有美国海军潜水艇和参与反潜水艇战的船只标准的装备。海军军官去WHOT学习怎样使用BT，海洋地理学家前往全国各地的海军基地培训要参战的海员，潜水艇员接受指挥，把他们BT的所有记录发往WHOT或加州大学在Point loma的战争研究分校，在那里准备好声讷航线图，并发给各舰队。
战争一结束，BT数据库就为阿瑟斯坦·斯比尔霍斯（Athelstan Spilhaus）构思已久的各种基础海洋研究提供了依据。1946年，美国海军创立了海军研究局，后来成了海洋声学研究的最早创立者，于是科学家们恢复了他们对影响水下声音信号传播条件的研究。
许多因素影响到声音在水下会传播多远，持续多长时间。其中之一，海水颗粒会反射，分散和吸收某种频率的声音——正如某种波长的光会被大气中特殊类型的颗粒反射，分散和吸收一样，海水吸收的声音量是蒸馏水吸收的30倍，海水中的某种化学成分（如镁硫酸盐和硼酸）会使某种频率的声音衰减。研究人员还发现波长较长的大都可以穿过小颗粒的低频声音，一般不会因吸收或分散而减少，因而传播较远。
下面这个时间表表明了导致人们通过声音海洋地理学的研究，对地球海洋的了解不断加深的基础研究的发展历程。
1490年，达·芬奇注意到轮船的声音在水下传播得很远。
1687年，牛顿在《数学的自然法则》一书中，发表了第一个声音传播的数学理论。
1826年，瑞典物理学家丹尼尔·克拉顿(Daniel Colladon)和法国数学家查尔斯·斯特姆(Charles Sturm)m测量出声音在日内瓦湖每秒1435米的速度比声音在空气中的速度几乎快5倍。
1877年，瑞利（Rayleign）勋爵发表了声音理论，为现代声学奠定了理论基础。
1912年，瑞查得森（l. R. Richardson）在英国申请了水中回波定位仪的专利。
1914年，瑞格纳德·Ａ·泰森德（Reginald A. Tessenden）在美国申请了应用于回波定位的一种新型转换器的专利。
1919年，德国科学家理查德（H. lichte）提出理论：声波在水中遇到温度、咸度和压力的微小变化时会向上或向下折射。 1937年，阿瑟斯坦·斯比尔霍斯（Athelstan Spilhaus）制造了海水温度深度自动记录仪（BT）
对咸度、温度和压力对水下声速的影响的进一步研究产生了对海洋结构的奇妙洞察。一般来说，在海洋的水平分层中，声音在上层地区多受温度影响，而在下面的深层中，多受压力影响。海水表面是太阳光照暖的上层，其实际温度和厚度随季节不同而变化，在中纬地区，这一层一般是等温的，即这一整层的温度一般是一致的，因为海水被波浪、风和对流洋流的运动混合得很均匀；向下移动的穿越这一层的声音信号一般是以几乎不变的速度传播的，然后是称为温跃层的过渡层。这一层的温度随深度稳步下降，随着温度下降，声速也下降。然而，在海表约600到1000米（0.4到0.5海里）以下，温度的进一步变化就很小了（从此以下到海底的海水实际是等温的），在那一点影响声速的首要因素是不断增加的压力，它使声音加速。
1943年，玛瑞斯·伊文（Maurice Ewing）和沃泽尔（J. l. Worzel）在哥伦比亚大学进行了一项实验，检验伊文（Ewing）多年前就提出过的理论。伊文（Ewing）提出，如果声源安放正确，那么不象高频率那么容易被分散和吸收的低频声波，应该能传播得更远。研究人员在巴哈马群岛引爆了有一磅炸药的水下爆炸物——然后发现了3,000千米（2000海里）以外的西非海岸的接收器，很容易就探测到了。在分析这一实验的结果时，他们发现了一种声音通道，并称之为声音固定和延伸渠道，或SOFAR，也称为“深层声音通道”。俄罗斯lebedev物理研究所的声学家雷尼得·布来克哈维斯肯（leonid Brekhovskikn）分析来自日本海的水下爆炸信号时，也独立发现了这条通道。
科学家们发现，根据折射定律，声波可以在跨过温跃层底和深层等温层顶交接处声速最低的区域的一条细细的通道中有效地捕捉到。象图示中表明的那样，一条斜着传播过温跃层的声波在声速下降时会向下转，然后当压力增加使声音加速时上转——只在温度变暖，使声速增加时再次向下转到声速最低的深度。进入这一声音通道的声音于是可以以最小的信号损失水平传播几千海里。深层声音通道出现的深度随海洋温度而不同；例如在极地地区，较低的海表温度使温跃层离海表更近，深层声音通道也更接近海表。
1943年，哥伦比亚大学的玛瑞斯·伊文（ Maurice Ewing）和沃泽尔（J.l. Worzel）发现深层声音通道，在日本海独立工作的俄罗斯科学家雷尼得·布来克哈维斯肯（leonid Brekhovskikh）发现了同样的现象。
1954-1955年，美国海军秘密起动了后来被称为声音监视系统（SOSUS）的第一代海底监听装置。
1978年，海洋地理研究所的沃尔特·曼可（Walter Munk）和麻省理工大学的卡尔·乌思科（Carl Wunsch）建议用声音绘制三维海洋温度图。
1983-1989年，现在宾西法尼亚州立大学的约翰. Splesberger和密执根大学的卡特·迈兹戈（Kurt Metzger）提出了声音穿过海盆的时间的微小变化可表明平均温度变化的试验证据。
1991年，在Heard岛的可靠性测试中，来自九个国家的科学家在水下发出了穿过除北冰洋以外所有海洋的18,000千米（11,000海里）长声音。
1992年，科学家开始用SOSUS实时跟踪鲸鱼。
1993年，科学家用SOSUS 第一次远程探测了海底火山爆发。
1996年，海洋气候声学温度计（ATOC）试验开始在北太平洋海底发射声音。
1998年，用海底声音观测北冰洋气候（ACOUS）项目开始在北冰洋定期发射声音。）
美国海军很快就开始重视低频声音和深层声音通道可以扩大其探测潜水艇范围的有用价值。五十年代期间，美国海军在极其秘密的情况下，开始了代号为Jezebel 的项目，后来以声音监视系统（SOSUS）著称。这一系统包括安置在海底，通过海底电缆和岸上加工中心相连的几列称为水听器的水下麦克风。通过把SOSUS安放在北美和英属西印度群岛两岸沿岸的深、浅水中，美国海军不仅可以探测到北半球的许多潜水艇，还可以辨别出一个潜水艇有几个螺旋桨，是传统型的还是核式的，有时甚至可以知道潜水艇的级别。
冷战结束后，美国海军允许民用科学家使用SOSUS 做基础研究，并允许他们获得在别处无法得到的信息。科学家现在可以应用水下声学了解更多有关漆黑的海底深处的地理和生物的事情。1990年太平洋海洋环境实验室的克里斯托佛·弗克斯（Christopher Fox）和他的同事们是将SOSUS的应用从军事方面演变为民用-军事两用的第一批人员的一部分。从1991年起，从事热液通风系统（VENTS）研究的Fox小组，就一直在用SOSUS的准确测定海底火山爆发的位置。这使科学家对沿着中海脊—— 象山一样隆起的地方，在那里洋底实际上正被从地壳下面推起的溶岩不断塑造着——发生的事件有更清楚的了解。（关于海底扩张的信息，参见《超越发现》中名为“永不停歇的星球：海底扩张和板块构造”的文章。）
当Fox和他的同事倾听海底火山喷发记录时，他们也听到了其它的水下声音——包括须鲸的声音。康奈尔大学的生物学家克里斯托佛·克拉克（Christopher Clark ）在1992年首次参观了SOSUS研究所时，也意识到了SOSUS可以用来听鲸的声音。当克拉克（Clark）看到每天24小时的声音图解表示时，他看出了蓝鲸、长须鲸、小鲳鲸，驼背鲸、的声音摸式，他还能听到声音。他用一个SOSUS接收器在西印度群岛听到了1770千米（1,100海里）以外的鲸。
鲸是地球上最大的生物，例如蓝鲳鲸，可达100英尺长，几吨重，但是这种动物也是令人极困惑的。想直接观察蓝鲳鲸的科学家必须在船上等着鲸到海面，用这种杂乱的方式简短时期地跟踪过几只鲸，但是没有长距离追踪过，关于它们的许多事仍然是未知的。用SOSUS，科学家们可对鲸进行实时追踪，并在地图上将它们定位。不仅如此，他们可以一次追踪不止一条鲸鱼，而是许多同时穿过北大西洋和北太平洋东部的鲸鱼，他们还可以学会分辨出鲸的叫声。例如，FOX和他的同事已探测到长须鲸在不同季节里的叫声变化，并发现了蓝鲳鲸在太平洋的不同地区叫声也不同 。
声速随着水接近温跃层时的温度下降而减慢。在温跃层下，温度是不变的，但是压力的增加引起声速增加（左）。因为声波向速度最小的区域转向或折射，温度或压力的变化引起声波在称为深层声音通道（又叫声音固定和延伸渠道）的地区内前后跳动，在这条通道里，声音以最小的信号损失传播很长距离。
鲸最引人兴趣的神奇之处之一在于它们穿越这么远的距离时是怎样识路的。克里斯托佛·克拉克（Christopher Clark ）对鲸是否象海豚和蝙蝠那样回波定位很感兴趣，然而鲸不是从几码外的物体上反射声音，而是向几百海里外的地质结构发出它们咻咻的声音。鲸用它们自己的声音获知方位的理论早已经存在一段时间，现在来自SOSUS跟踪的数据给Clark提供了令人信服的支持这一理论的间接证据。当他把SOSUS制作的一条鲸的踪迹叠加在一幅海底地图上时，看起来鲸好象正在从一座海底山越过障碍到另一座山，这些海山之间有几百海里远。他用其它鲸作了同样的匹配，得到了相同的结果。Clark假定鲸不仅用声音交流，还用它导航，也就是说，它们用声音绘制海图并在其中找到路径。
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