鯨魚的叫聲，為什麼能傳到數百公里外的同伴耳中？
― 藏在深海裡的聲音「通道」
人類的聲音就算大聲喊叫，能傳到數百公尺外就算不錯了。但鯨魚低沉的叫聲，據說可以傳到數百公里外，條件合適時甚至能超過1000公里，讓遠方的同伴聽見。同樣是「聲音」，為什麼能傳得這麼遠呢？
在遼闊的大海中央，一頭鯨魚發出低沉而悠長的叫聲。聲音在水中前進，傳到遠方另一頭鯨魚的耳中。據說這段距離，可能相當於從東京到大阪，甚至更遠。
在游泳池裡大喊，聲音頂多傳出幾十公尺就聽不清楚了。同樣是在水中前進的聲音，為什麼只有鯨魚的叫聲能傳得這麼遠呢？
能傳得遠，是因為兩個條件同時成立
據說海中有一個聲音速度特別慢的水層。這個水層就像天然的通道，能把聲音困在其中，一路送到遠方。
據說低頻的聲音比高頻的聲音更不容易被水吸收，能量不容易流失，因此可以傳得很遠。
這兩個條件同時具備，聲音才能傳到數百公里外。我們依序來看看。
原因1：藏在深海裡的聲音「通道」
聲音傳播的速度，會隨水的溫度和水壓而改變。海面附近被太陽曬得暖和，聲音前進得快。越往深處，水溫不斷下降，聲音的速度也跟著變慢。
不過，深到某個程度之後，水壓的影響變得更大，即使水溫幾乎不再變化，聲音的速度也會再次變快。也就是說，沿著水深來看聲音的速度，會在某個凹下去的深度出現最慢的地方。
聲音在速度緩慢變化的環境中前進時，路徑會漸漸偏向速度較慢的一側。因為這個特性，在這個「最慢深度」附近前進的聲音，不會往上或往下跑掉，而是在這個深度上下來回擺動，幾乎筆直地傳向遠方。這條通道稱為聲道（sound channel）。「在速度緩慢變化的地方，波的路徑會彎曲」，這個相同的特性，也出現在夜晚時遠處的聲音特別清楚的原因，以及海市蜃樓出現的原因之中。
原因2：聲音越低沉，傳得越遠
聲音在水中前進時，能量會一點一點轉變成熱而減弱。減弱的程度會因音高而不同，高頻的聲音被吸收得比較多，低頻的聲音比較不容易被吸收。
鯨魚，尤其是藍鯨和長須鯨的叫聲，據說低沉到人耳幾乎聽不見（低頻）。正因為是低頻，聲音不容易被水吸收，才能傳很長的距離。
據說人類也利用這個聲道，在遠處偵測發生在遙遠海域的地震、火山活動，或是船隻的聲音。這就像人類的觀測儀器，借用了鯨魚使用的通道一樣。
可以在手邊驗證的事
- 請牆壁或門另一邊的人，盡量用低沉的聲音（粗聲）哼一聲
- 接著請對方用盡量高亢的聲音（尖聲），發出一樣長度的聲音
你應該會發現，低沉的聲音即使隔著牆也聽得比較清楚。雖然空氣和水之間有些細微的差異，但「聲音越低沉，越能傳得遠，也越容易穿過障礙物」這個傾向是共通的。鯨魚的低沉叫聲，也是同樣道理的延伸。
總結
鯨魚的叫聲能傳得很遠，是因為①深海中有能把聲音困住並送往遠方的聲道，②鯨魚的叫聲本身就是不容易被吸收的低頻聲音――這兩個條件同時成立。
鯨魚並不只是在大聲喊叫。
牠們是在海洋這座巨大的樂器裡，挑選最容易傳遠的音域來歌唱。
低頻聲音能傳得遠，這個特性在空氣中也一樣。火山大噴發產生的波繞行地球好幾圈的故事，我們在大型噴發的聲音，究竟能傳多遠？中介紹過。
想知道更多的人 ― 用語・算式・與課本的連結從國中理化到研究中的課題，明確標示每個內容屬於哪個程度
- 國中國中理化學到的範圍
- 高中高中「物理基礎」學到的範圍
- 高中＋高中「物理」，或課本中進階、專欄的內容
- 大學高中不會學到、屬於大學專業課程（海洋聲學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教，目前研究者仍在調查的課題
國中用語：與鯨魚叫聲有關的詞彙
- 低頻：振動次數（頻率）少的低沉聲音。
- 折射：聲音或光通過速度不同的地方時，前進方向發生彎曲。
- 聲道：海中以聲音速度最慢的深度為中心，能把聲音困住並傳向遠方的水層。
- 吸收：聲音的能量在前進途中，一點一點轉變成熱等形式而減弱。
國中高中用算式驗證：有了通道，能傳多遠？
聲音擴散時，是向四面八方（球狀）擴散，還是被困在聲道中的一條帶狀區域（圓柱狀）內擴散，傳到遠處的強度減弱方式並不相同。透過計算，就能清楚看出這個差別。
聲音強度的估計 ＝ 基準強度 ÷ （距離的幾次方）
| 自由向球狀擴散的情況 | 強度據說與距離的2次方成反比而減弱 |
| 被困在聲道中的情況 | 強度據說與距離的1次方（原樣）成反比而減弱 |
即使離開同樣的距離，減弱的「速度」也不一樣。距離越大，這個差距就越大。
| 自由向球狀擴散時的強度比 | 1 ÷ 1000 ÷ 1000 ＝ 0.000001 ［倍］ |
| 被困在聲道中時的強度比 | 1 ÷ 1000 ＝ 0.001 ［倍］ |
| 聲道中的聲音強度是幾倍 | 0.001 ÷ 0.000001 ＝ 1000 ［倍］ |
即使離開同樣的距離，被困在聲道中的聲音，強度會是自由擴散時的1000倍，計算結果就是如此。
如果只是自由擴散，到了1000倍遠的地方，聲音強度會變成百萬分之一，根本聽不到。但在聲道中，同樣的距離只會減弱到千分之一。「百萬分之一」和「千分之一」――這個差距，就是把鯨魚叫聲送到數百公里外的關鍵。
高中＋大學聲音的速度，是由什麼決定的？
水中的聲音速度，據說由水溫、鹽度、水壓這三者決定。在表層，水溫的影響較大，越往深處水溫越低，聲速也跟著下降。超過某個深度（一般認為約在水深600〜1200公尺）之後，水溫變化變小，取而代之的是水壓的影響（越深，水越容易傳聲）占了上風，聲速因此再度上升。在水溫的影響和水壓的影響互相交替的深度附近，就形成了聲速最小的水層。這就是原因1中所說的聲道的真面目。
在聲道中前進的聲音，之所以不是球狀而是圓柱狀擴散，是因為在上下方向被困住而無法擴散，只能朝水平方向擴散。這個差別，就造成了②的計算中看到的「距離的1次方」與「距離的2次方」的差距。
研究目前還不太清楚的事
- 聲道的深度和性質，據說會隨海域和季節而變化，要持續精確地預測這些變化，至今仍是海洋聲學的研究課題。這是因為水溫和鹽度的分布，會隨地點和時期有很大的變化。
- 船隻螺旋槳聲等人類活動使海中的噪音增加，有人指出鯨魚叫聲實際能傳到的距離可能因此縮短，但要準確估計這個影響有多大，據說目前仍然很困難。
- 鯨魚低沉的叫聲，除了告知同伴自己的位置之外，還包含了什麼樣的資訊，據說目前仍未完全釐清。解讀歌聲細微模式意義的研究，至今仍持續進行。
就算是每天在海中迴盪的鯨魚叫聲，它傳播的細節和其中蘊含的意義，至今仍是研究的對象。「很常見」和「已經弄清楚」是兩回事。
與課本的連結（依程度區分）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・聲音的性質（振動數與音高） | 低頻、折射的基本概念 |
| 高中 | 物理基礎・波的性質 | 強度減弱方式的計算 |
| 高中＋ | 物理・波的傳播方式（進階） | 球狀與圓柱狀擴散方式的差別 |
| 大學 | 海洋聲學・海洋物理學 | 聲速的深度分布、聲道的形成 |
| 研究 | 海洋聲學・行為生態學（未解決） | 聲道的季節變化、海洋噪音的影響、叫聲的意義 |
| ― | 身邊的觀察 | 隔著牆聽低沉聲音與高亢聲音的差異 |
- 海洋聲學教科書中，關於聲速的深度分布（聲速剖面）與聲道（SOFAR聲道）形成的一般性說明。
- 海洋生物聲學的研究回顧（關於大型鯨類低頻聲音傳播距離的知識）。
- 物理教科書中，關於球面波、圓柱波的衰減與距離關係的一般性說明。
- 關於海洋人為噪音（船舶噪音）對海洋生物溝通影響的研究回顧。
※ 聲道的深度、傳播距離等數值，會因海域和條件而有一定範圍的差異。本文列出的是一般常用的估計值。
※本文是為一般讀者撰寫的科學解說。聲速、傳播距離等數值會因海域和文獻而有差異，僅作為理解原理的參考估計值。