白 金

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

0 引 言

20世紀(jì)末，國際海洋界逐漸開始重視極地水聲學(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，形成了一個有利于船舶低頻噪聲傳播的波導(dǎo)條件。美國從二戰(zhàn)后逐漸開始了極地聲學(xué)研究，1994年橫跨北極聲傳播實驗(Transarctic acoustic propagation experiment，TAP)項目首次開展了橫跨北極的聲傳播實驗，為北極的海冰散射、聲傳播以及混響模型的驗證提供了重要的數(shù)據(jù)[1]；1998年美國和俄羅斯聯(lián)合開展了北極冰下聲氣候觀測(Arctic climate observation using underwater sound，ACOUS)項目，進(jìn)行了1 250 km低頻聲傳播和通信試驗[2]；2016年美國冰原演習(xí)(ice exercise 2016，ICEX16)在波弗特海進(jìn)行了水下無人平臺的布放、導(dǎo)航及回收實驗，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]。我國近年來也在極地冰區(qū)開展了聲傳播特性實驗研究，2016年第7次北極科學(xué)考察中科院聲學(xué)所首次開展了北極聲傳播和擴(kuò)頻通信實驗[4]；2017年海洋三所在第8次北極科學(xué)考察中開展了冰下聲傳播的多途效應(yīng)及聲場變化規(guī)律研究[5]；針對冰層下水聲通信問題，哈爾濱工程大學(xué)利用松花江冬季冰層開展了冰下信道測試、冰層散射系數(shù)測量以及冰下水聲通信等系列試驗研究，掌握了冰層、冰下信道特性及其對水聲通信的影響[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)特性對冰區(qū)水聲學(xué)研究具有較大影響。

針對冰介質(zhì)聲學(xué)特性的研究，20世紀(jì)90年代美國塞勒斯伍茲霍爾研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）利用層析測井理論和實驗方法，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)測試系統(tǒng)（South pole acoustic test setup，SPAT）測量了南極冰層在190～500 m深度冰介質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)[8]；2005年中國國家海洋檢測中心利用相對時差測量方法對渤海海冰聲速參數(shù)進(jìn)行了測定[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)中縱波聲速的測量實驗，并利用經(jīng)驗公式對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量方法，分別對渤海海冰、湖冰、人造淡水冰進(jìn)行聲速測量，分析了該方法的測量精度及誤差產(chǎn)生的原因，利用公開文獻(xiàn)結(jié)果驗證了方法和測試數(shù)據(jù)的有效性，對進(jìn)一步提高該方法的測量精度提出了改進(jìn)意見。

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，與以往常見聲傳播介質(zhì)存在很大區(qū)別。對不同狀態(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，其測試結(jié)果與樣品測試環(huán)境，測試過程密切相關(guān)，每次測量值與理論預(yù)測值相比均有小幅度波動，因此只能給出一個整體的聲速范圍。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，在實驗室通過直達(dá)法對渤海海冰進(jìn)行聲速測量，討論測量方法的有效性。

2 直達(dá)法聲速測定原理與方法

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，同時通過標(biāo)尺讀取樣品長度。垂發(fā)射采集模塊產(chǎn)生的小振幅聲波信號經(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，傳播后被接收換能器接收。采集電路對接收到的聲波信號進(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。由射線方程推算冰介質(zhì)中的聲速，采用直達(dá)測試法測量冰介質(zhì)中縱波聲速時，計算公式如下：

式中：V為冰樣品中縱波聲速，m/s；L為冰樣品長度，mm；L0為標(biāo)尺零點，mm；t1為冰中聲信號到達(dá)時間， m s ；t0為換能器時延，m s。

聲學(xué)測量模塊由聲波發(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。測量時將冰介質(zhì)看做各項同性材料，聲信號發(fā)射頻率100 kHz，信號形式為單頻3周期脈沖信號，采樣率8 MHz。

3 測量誤差與結(jié)果分析

實驗海冰樣本采集于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)采取實驗室恒溫凍結(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，以保證測試時所有試件溫度一致，此次測試忽略溫度引起的誤差。

3.1 測量方法誤差分析

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

應(yīng)用式（1）計算冰中縱波聲速時，t0及t1的選取采用手動拾取法。為了降低測試儀器的系統(tǒng)誤差提高信噪比，從而更準(zhǔn)確的選取起跳點，采用多次測量取平均值的方式降低系統(tǒng)誤差。圖1為單次測試信號，圖2為100次測量平均值，可以看出取平均后的信號更加光順，起跳點更加明顯。

圖1 測試設(shè)備圖Fig. 1 Test equipment

通過多次平均后信號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測量精度的影響，通過界定波形閾值范圍，限定起跳點取值區(qū)間，如圖3所示。圖中線1為多次平均后信號，線2為信號前端零值上下限閾值，線3為信號起跳點，線

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

4為根據(jù)閾值確定的信號起跳點誤差區(qū)間范圍，通過多組信號估計該誤差約為±1 μs，則由于計時誤差引起的聲速測量誤差約為±65 m/s。根據(jù)上述起跳點選取方法分別對無冰和有冰時的信號進(jìn)行處理，如圖4所示，進(jìn)而得到冰介質(zhì)樣品中聲傳播時間。

圖3 多次測量平均值Fig. 3 Multiple measurement results

圖4 信號起跳點選取及其誤差Fig. 4 Signal take-off point selection and error analysis

3.2 測量結(jié)果分析

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

聲速測量結(jié)果按下式表達(dá)：

圖5 接收時域信號Fig. 5 Receiving time domain signal

式中：E為測量均值， 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測試結(jié)果，將每種冰8個樣品的測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，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，測試結(jié)果與文獻(xiàn)[10 - 11]結(jié)果相近。根據(jù)測試結(jié)果可知，海冰樣品中聲速測量結(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，人造冰在實驗室可控條件下制成，性質(zhì)一致，因此聲速差異最??；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（約3個月），且形成過程緩慢，而人造冰冰齡較短（7天），且通過淡水速凍而成，從而產(chǎn)生差異，但也不排除樣本數(shù)量較少的可能，需通過后續(xù)研究進(jìn)一步確認(rèn)。

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

4 結(jié) 語

本文研究直達(dá)法測量冰中縱波聲速的方法，對海冰、湖冰、人造冰中縱波聲速進(jìn)行了測量與統(tǒng)計分析，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)法測量樣品長度在200 mm左右的冰中縱波聲速時，樣品長度測量產(chǎn)生的縱波聲速誤差約為±36 m/s，傳播時間產(chǎn)生的誤差約為±65 m/s，該方法對冰中縱波聲速的測試結(jié)果與公開文獻(xiàn)相近，可用于冰中聲速研究；

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

對冰介質(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)本次試驗沒有進(jìn)行相關(guān)測量，對于這些冰介質(zhì)固有屬性對聲速的影響需開展進(jìn)一步研究，同時本次測量所采用的設(shè)備無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)。