白 金

(大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

0 引 言

20世紀(jì)末，國(guó)際海洋界逐漸開(kāi)始重視極地水聲學(xué)研究，北極地區(qū)具有與其他海域顯著不同的聲傳播環(huán)境，由于冰層的存在，形成了一個(gè)有利于船舶低頻噪聲傳播的波導(dǎo)條件。美國(guó)從二戰(zhàn)后逐漸開(kāi)始了極地聲學(xué)研究，1994年橫跨北極聲傳播實(shí)驗(yàn)(Transarctic acoustic propagation experiment，TAP)項(xiàng)目首次開(kāi)展了橫跨北極的聲傳播實(shí)驗(yàn)，為北極的海冰散射、聲傳播以及混響模型的驗(yàn)證提供了重要的數(shù)據(jù)[1]；1998年美國(guó)和俄羅斯聯(lián)合開(kāi)展了北極冰下聲氣候觀測(cè)(Arctic climate observation using underwater sound，ACOUS)項(xiàng)目，進(jìn)行了1 250 km低頻聲傳播和通信試驗(yàn)[2]；2016年美國(guó)冰原演習(xí)(ice exercise 2016，ICEX16)在波弗特海進(jìn)行了水下無(wú)人平臺(tái)的布放、導(dǎo)航及回收實(shí)驗(yàn)，其中使用射線模型解釋了3 km距離處導(dǎo)航性能下降的原因[3]。我國(guó)近年來(lái)也在極地冰區(qū)開(kāi)展了聲傳播特性實(shí)驗(yàn)研究，2016年第7次北極科學(xué)考察中科院聲學(xué)所首次開(kāi)展了北極聲傳播和擴(kuò)頻通信實(shí)驗(yàn)[4]；2017年海洋三所在第8次北極科學(xué)考察中開(kāi)展了冰下聲傳播的多途效應(yīng)及聲場(chǎng)變化規(guī)律研究[5]；針對(duì)冰層下水聲通信問(wèn)題，哈爾濱工程大學(xué)利用松花江冬季冰層開(kāi)展了冰下信道測(cè)試、冰層散射系數(shù)測(cè)量以及冰下水聲通信等系列試驗(yàn)研究，掌握了冰層、冰下信道特性及其對(duì)水聲通信的影響[6]。從以上研究中發(fā)現(xiàn)，由于冰介質(zhì)結(jié)構(gòu)及形成過(guò)程的復(fù)雜性，使其聲學(xué)特性存在差異，忽略每種冰的固有特性，將使結(jié)果產(chǎn)生誤差，冰介質(zhì)的聲學(xué)特性對(duì)冰區(qū)水聲學(xué)研究具有較大影響。

針對(duì)冰介質(zhì)聲學(xué)特性的研究，20世紀(jì)90年代美國(guó)塞勒斯伍茲霍爾研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）利用層析測(cè)井理論和實(shí)驗(yàn)方法，確定了加拿大海域的冰層聲速剖面[7]；2011年由美、德主導(dǎo)的研究機(jī)構(gòu)利用南極聲學(xué)測(cè)試系統(tǒng)（South pole acoustic test setup，SPAT）測(cè)量了南極冰層在190～500 m深度冰介質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)[8]；2005年中國(guó)國(guó)家海洋檢測(cè)中心利用相對(duì)時(shí)差測(cè)量方法對(duì)渤海海冰聲速參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定[9]；2016年冬季哈爾濱工程大學(xué)在黑龍江省松花江流域進(jìn)行了冰介質(zhì)中縱波聲速的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)冰層聲速垂直剖面進(jìn)行推算[9]。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同物理性質(zhì)的冰介質(zhì)，研究直達(dá)法獲取冰中縱波聲速的測(cè)量方法，分別對(duì)渤海海冰、湖冰、人造淡水冰進(jìn)行聲速測(cè)量，分析了該方法的測(cè)量精度及誤差產(chǎn)生的原因，利用公開(kāi)文獻(xiàn)結(jié)果驗(yàn)證了方法和測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性，對(duì)進(jìn)一步提高該方法的測(cè)量精度提出了改進(jìn)意見(jiàn)。

1 海冰結(jié)構(gòu)特征與冰中縱波聲速

海冰的形成和發(fā)展不僅由表面海水降溫所決定，而且與海水密度、鹽度、水深以及海水湍流和凝結(jié)核等密切相關(guān)。淡水冰在正常情況下是均勻的晶體結(jié)構(gòu)，相比于淡水冰，海冰的凍結(jié)過(guò)程更加復(fù)雜，其中夾雜大量雜質(zhì)，如氣泡、鹵水、固體顆粒等，與以往常見(jiàn)聲傳播介質(zhì)存在很大區(qū)別。對(duì)不同狀態(tài)的冰，因其結(jié)構(gòu)及成分區(qū)別較大，因此其聲學(xué)特性及聲學(xué)參數(shù)有較大區(qū)別。具體聲學(xué)特性由海冰本身狀態(tài)決定，其測(cè)試結(jié)果與樣品測(cè)試環(huán)境，測(cè)試過(guò)程密切相關(guān)，每次測(cè)量值與理論預(yù)測(cè)值相比均有小幅度波動(dòng)，因此只能給出一個(gè)整體的聲速范圍。歷史資料中數(shù)據(jù)，海冰聲速大致為3 000～3 600 m/s[10-11]。以此為參考，在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)直達(dá)法對(duì)渤海海冰進(jìn)行聲速測(cè)量，討論測(cè)量方法的有效性。

2 直達(dá)法聲速測(cè)定原理與方法

將發(fā)射換能器和接收換能器分別放置于冰樣品軸向的兩端，同時(shí)通過(guò)標(biāo)尺讀取樣品長(zhǎng)度。垂發(fā)射采集模塊產(chǎn)生的小振幅聲波信號(hào)經(jīng)放大模塊后傳輸給發(fā)射模換能器，發(fā)射換能器在冰介質(zhì)內(nèi)激發(fā)縱波信號(hào)，傳播后被接收換能器接收。采集電路對(duì)接收到的聲波信號(hào)進(jìn)行前置放大、初始濾波和A/D轉(zhuǎn)換等處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由射線方程推算冰介質(zhì)中的聲速，采用直達(dá)測(cè)試法測(cè)量冰介質(zhì)中縱波聲速時(shí)，計(jì)算公式如下：

式中：V為冰樣品中縱波聲速，m/s；L為冰樣品長(zhǎng)度，mm；L0為標(biāo)尺零點(diǎn)，mm；t1為冰中聲信號(hào)到達(dá)時(shí)間， m s ；t0為換能器時(shí)延，m s。

聲學(xué)測(cè)量模塊由聲波發(fā)射單元、聲波接收單元、聲學(xué)換能器單元和控制單元組成。測(cè)量時(shí)將冰介質(zhì)看做各項(xiàng)同性材料，聲信號(hào)發(fā)射頻率100 kHz，信號(hào)形式為單頻3周期脈沖信號(hào)，采樣率8 MHz。

3 測(cè)量誤差與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)海冰樣本采集于122.226°E，40.424°N處，湖冰樣本采集于126.911 5°E，43.649°N處，淡水冰介質(zhì)采取實(shí)驗(yàn)室恒溫凍結(jié)。海冰、湖冰各采集8塊作為試件，并將其加工為10×10×20 cm。所有冰均保存于-20℃恒溫環(huán)境1周以上，以保證測(cè)試時(shí)所有試件溫度一致，此次測(cè)試忽略溫度引起的誤差。

3.1 測(cè)量方法誤差分析

海冰長(zhǎng)度測(cè)量采用測(cè)試系統(tǒng)自帶的電子游標(biāo)卡尺，測(cè)量精度0.1 mm。當(dāng)測(cè)試夾具夾緊冰試件時(shí)由于夾具受力不均勻造成夾具微變形，使冰樣本長(zhǎng)度測(cè)量產(chǎn)生誤差，目測(cè)誤差小于2 mm。若樣品長(zhǎng)度為200 mm，聲速為3 600 m/s，則由于夾具變形造成的聲速測(cè)量誤差為±36 m/s。

應(yīng)用式（1）計(jì)算冰中縱波聲速時(shí)，t0及t1的選取采用手動(dòng)拾取法。為了降低測(cè)試儀器的系統(tǒng)誤差提高信噪比，從而更準(zhǔn)確的選取起跳點(diǎn)，采用多次測(cè)量取平均值的方式降低系統(tǒng)誤差。圖1為單次測(cè)試信號(hào)，圖2為100次測(cè)量平均值，可以看出取平均后的信號(hào)更加光順，起跳點(diǎn)更加明顯。

圖1 測(cè)試設(shè)備圖Fig. 1 Test equipment

通過(guò)多次平均后信號(hào)前端零值得到明顯平滑，但仍有微小起伏，為了量化這一微小起伏對(duì)測(cè)量精度的影響，通過(guò)界定波形閾值范圍，限定起跳點(diǎn)取值區(qū)間，如圖3所示。圖中線1為多次平均后信號(hào)，線2為信號(hào)前端零值上下限閾值，線3為信號(hào)起跳點(diǎn)，線

圖2 單次測(cè)量結(jié)果Fig. 2 Single measurement result

4為根據(jù)閾值確定的信號(hào)起跳點(diǎn)誤差區(qū)間范圍，通過(guò)多組信號(hào)估計(jì)該誤差約為±1 μs，則由于計(jì)時(shí)誤差引起的聲速測(cè)量誤差約為±65 m/s。根據(jù)上述起跳點(diǎn)選取方法分別對(duì)無(wú)冰和有冰時(shí)的信號(hào)進(jìn)行處理，如圖4所示，進(jìn)而得到冰介質(zhì)樣品中聲傳播時(shí)間。

圖3 多次測(cè)量平均值Fig. 3 Multiple measurement results

圖4 信號(hào)起跳點(diǎn)選取及其誤差Fig. 4 Signal take-off point selection and error analysis

3.2 測(cè)量結(jié)果分析

采用上述測(cè)量方法對(duì)海冰、湖冰、淡水冰分別選取8個(gè)樣品進(jìn)行縱波聲速測(cè)量，每一樣品測(cè)量10次，每次測(cè)量為降低測(cè)量誤差均按上述誤差處理方法取100個(gè)信號(hào)的平均值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

聲速測(cè)量結(jié)果按下式表達(dá)：

圖5 接收時(shí)域信號(hào)Fig. 5 Receiving time domain signal

式中：E為測(cè)量均值， σ 為標(biāo)準(zhǔn)差。

圖5中●為海冰，■為湖冰，▲為人造冰，其聲速值為10次測(cè)量結(jié)果的均值，為了觀察方便圖中誤差條顯示為 3 σ。

根據(jù)圖5測(cè)試結(jié)果，將每種冰8個(gè)樣品的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到海冰縱波聲速為3 360±162 m/s，湖冰縱波聲速為3 772±57 m/s，人造冰縱波聲速為3 729±23 m/s，測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)[10 - 11]結(jié)果相近。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，海冰樣品中聲速測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差最大，湖冰次之，人造冰最小，這是由于不同海冰所含雜質(zhì)、鹽度、孔隙率等固有性質(zhì)差異造成的，而湖冰每一樣品間固有差異較小，因此其聲速差異較小，人造冰在實(shí)驗(yàn)室可控條件下制成，性質(zhì)一致，因此聲速差異最小；海冰較淡水冰（湖冰、人造冰）聲速低，這是由于海冰物理性質(zhì)與淡水冰差異較大，由于雜質(zhì)的存在及形成過(guò)程的不同，與淡水冰相比海冰結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜且“疏松”，因此聲速較低，湖冰雜質(zhì)少鹽度低，與人造冰性質(zhì)基本一致，因此其聲速與人造冰相近；湖冰聲速樣本均值比人造冰略大，可能是由于湖冰冰齡較長(zhǎng)（約3個(gè)月），且形成過(guò)程緩慢，而人造冰冰齡較短（7天），且通過(guò)淡水速凍而成，從而產(chǎn)生差異，但也不排除樣本數(shù)量較少的可能，需通過(guò)后續(xù)研究進(jìn)一步確認(rèn)。

上述直達(dá)法測(cè)量冰中縱波聲速工作中，若增加冰介質(zhì)樣品長(zhǎng)度，會(huì)使尺寸測(cè)量誤差減小，同時(shí)增加了聲傳播距離延長(zhǎng)傳播時(shí)間，進(jìn)而使時(shí)間測(cè)量精度得到提高。但隨著傳播距離的增加，聲能將逐漸衰減，可能導(dǎo)致信號(hào)起跳點(diǎn)選取不準(zhǔn)確產(chǎn)生時(shí)間測(cè)量誤差；另一方面，提高聲波頻率能夠減小信號(hào)脈沖寬度，從而提高起跳點(diǎn)選取精度，但同樣存在高頻聲信號(hào)衰減問(wèn)題。綜上所述，后續(xù)研究中可通過(guò)增加樣品長(zhǎng)度、提高信號(hào)頻率或采用大尺度原位測(cè)量法進(jìn)一步提高聲速測(cè)量精度，但需綜合考慮聲傳播衰減問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究直達(dá)法測(cè)量冰中縱波聲速的方法，對(duì)海冰、湖冰、人造冰中縱波聲速進(jìn)行了測(cè)量與統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)論如下：

1）冰中縱波聲速與冰介質(zhì)固有屬性密切相關(guān)，測(cè)試樣品中海冰縱波聲速約為3 360±162 m/s，湖冰3 772±57 m/s，人造冰3 729±23 m/s，海冰縱波聲速總體上低于淡水冰，樣品間差異較淡水冰大；

2）采用直達(dá)法測(cè)量樣品長(zhǎng)度在200 mm左右的冰中縱波聲速時(shí)，樣品長(zhǎng)度測(cè)量產(chǎn)生的縱波聲速誤差約為±36 m/s，傳播時(shí)間產(chǎn)生的誤差約為±65 m/s，該方法對(duì)冰中縱波聲速的測(cè)試結(jié)果與公開(kāi)文獻(xiàn)相近，可用于冰中聲速研究；

3）增加樣品長(zhǎng)度、提高發(fā)射頻率或采用大尺度原位測(cè)量技術(shù)可進(jìn)一步降低聲速測(cè)量誤差，但需考慮隨之產(chǎn)生的聲信號(hào)衰減問(wèn)題。

對(duì)冰介質(zhì)的溫度、鹽度、密度等物理參數(shù)及彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)本次試驗(yàn)沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，對(duì)于這些冰介質(zhì)固有屬性對(duì)聲速的影響需開(kāi)展進(jìn)一步研究，同時(shí)本次測(cè)量所采用的設(shè)備無(wú)法獲取冰中橫波聲速，在后續(xù)研究中也需做進(jìn)一步改進(jìn)。