余勇林，蔡皓鵬，張 云，肖智烜，劉蘇粵

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

1 前言

某科考船的聲學(xué)設(shè)備，主要作用是通過(guò)聲納探測(cè)海底的地形地貌、海底深度、位置信息、地質(zhì)構(gòu)造、海流、海底資源、海洋生物種類、種群數(shù)量、海洋地球物理場(chǎng)等，是研究全球海洋生態(tài)系統(tǒng)變化及生物資源可持續(xù)利用的專業(yè)裝備[1]。

科考船上聲學(xué)設(shè)備的布置位置及安裝工藝，會(huì)直接影響聲學(xué)設(shè)備的測(cè)量精度，在設(shè)備安裝過(guò)程中，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，優(yōu)化安裝方案、工藝，提高聲學(xué)設(shè)備安裝質(zhì)量。

2 聲學(xué)設(shè)備配置、接口及布置安裝

不同任務(wù)的科考船設(shè)備配置，會(huì)根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。某科考船為無(wú)限航區(qū)，具有全球航行能力的集多學(xué)科、多功能、多技術(shù)手段為一體，可實(shí)現(xiàn)深海資源探查及多學(xué)科研究功能的科考船。該船總長(zhǎng)98 m、型寬17 m、設(shè)計(jì)吃水約5.5 m；配有2 臺(tái)電力推進(jìn)器、1 臺(tái)艏部伸縮推；入DP-1 船級(jí)符號(hào)；主要聲學(xué)設(shè)備，包括深水多波束測(cè)深系統(tǒng)、單波束萬(wàn)米測(cè)深儀、走航式ADCP 系統(tǒng)、多頻聲納探測(cè)系統(tǒng)、淺地層剖面儀等。各設(shè)備配備以下相應(yīng)接口：

1）GPS 導(dǎo)航信號(hào)：采用NMEA 0183ZDA/GGA/GLL數(shù)據(jù)串，RS232 接口，連接至本船科考差分GPS 接口，最低更新頻率為1 Hz；

2）GPS 時(shí)鐘信號(hào)：1PPS 脈沖，50-5 規(guī)格同軸電纜BNC 接頭，連接至設(shè)備處理單元；

3）姿態(tài)信號(hào)：由姿態(tài)傳感器提供，EM3000 格式，RS232 接口至PU，更新率大于50 Hz；

4）羅經(jīng)信號(hào)：由本船科考光纖羅經(jīng)提供，NMEA 0183 HDT 格式，更新率大于1 Hz，RS232 接口，連接至設(shè)備處理單元；

5）速度信號(hào)：由姿態(tài)傳感器提供，通過(guò)以太網(wǎng)線傳輸，連接至處理單元，SeaPath/PosMV/Coda 格式，更新率大于50 Hz；

6）聲速：由聲速計(jì)Micro SV 提供，通過(guò)RS232 接口，連接至設(shè)備工作站，更新率大于0.2 Hz；

7）外部同步信號(hào)：兼容K-Sync（RJ45 連接到PU），或者TTL 信號(hào)（RJ45 接口連接到收發(fā)機(jī)）；

8）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸：本系統(tǒng)HWS 工作站，可將原始數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)口傳輸?shù)酱d網(wǎng)絡(luò)中心。

參考科考船接口繁多，各聲學(xué)設(shè)備圖像輸出接口不統(tǒng)一，顯示器尺寸各異，而且安裝位置也不同。為了達(dá)到實(shí)用美觀的安裝要求，首先要統(tǒng)一顯示器尺寸；其次在接口方面，要求設(shè)備廠家額外再輸出一路視頻DVI 接口。

本船大部分科考聲學(xué)設(shè)備都布置在聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室，為方便科考工作人員及時(shí)查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，將聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室作為視頻接口輸出艙室，最終將全船所有科考設(shè)備共計(jì)14 臺(tái)顯示器，上下布置在聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室右舷艙壁上，不僅美觀實(shí)用，也便于科考工作人員查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如圖1 所示。

圖1 聲學(xué)試驗(yàn)室布置圖

3 聲學(xué)系統(tǒng)及其換能器安裝工藝

下面介紹本船若干聲學(xué)系統(tǒng),包括深水多波束測(cè)深系統(tǒng)、單波束萬(wàn)米測(cè)深儀、走航式ADCP 系統(tǒng)、多頻聲納探測(cè)系統(tǒng)、淺地層剖面儀的安裝工藝。換能器是聲學(xué)設(shè)備的信號(hào)接收和發(fā)射前端，它所處的位置環(huán)境和安裝方式將直接影響聲學(xué)設(shè)備的工作性能，各種不同的換能器安裝位置、精度要求不同。

3.1 EA640 單波束萬(wàn)米測(cè)深儀及其換能器

圖2 EA640 換能器安裝示意圖

科考船定點(diǎn)作業(yè)時(shí)會(huì)受到海洋天氣、洋流方向、浪高等外界環(huán)境因素影響，導(dǎo)致工作效率降低，測(cè)量精度下降，甚至影響作業(yè)安全。動(dòng)力定位系統(tǒng)具有自動(dòng)定位功能，能夠抵抗外界環(huán)境的影響，可實(shí)現(xiàn)科考船高精度定點(diǎn)控位。

單波束測(cè)深儀不僅可以測(cè)量水深，也可以反映水下設(shè)備深度信息，起到輔助監(jiān)控水下設(shè)備功能[2]。單波束測(cè)深儀主要用于水下測(cè)距，一般采用收發(fā)合置換能器，波束為窄波束，可探測(cè)換能器陣面到海底的距離；不同頻率的單波束測(cè)深儀組合，可以適應(yīng)不同工作水域的需要，通常由水上控制系統(tǒng)和水下發(fā)射接收系統(tǒng)組成，其測(cè)深精度能夠達(dá)到0.2m±0.1%；本船選用低頻、高頻多個(gè)波段工作頻率的換能器（200 kHz/38 kHz/12 kHz）。

EA640 單波束萬(wàn)米測(cè)深儀換能器安裝圖，見(jiàn)圖2所示。

換能器 mounting ring 由設(shè)備廠家提供，與船底板焊接并與船底平齊，水平度誤差要求不大于±1°，在焊接安裝法蘭之前應(yīng)把焊接處磨平；為免受熱變形，在焊接安裝環(huán)時(shí)，其它部件設(shè)備不能安裝在上面，不能在換能器的表面打磨和油漆；為了防止換能器安裝后其周邊船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋或者凹凸并因此產(chǎn)生紊流，用合適的填充物填充換能器中的兩個(gè)螺栓孔，并平滑換能器表面，最后將換能器蓋板和換能器表面涂上廠家認(rèn)可的防污油漆。

3.2 多頻聲納探測(cè)系統(tǒng)及其換能器

多頻聲納探測(cè)系統(tǒng)，具有漁業(yè)生物量和分布評(píng)估、漁業(yè)生物種類識(shí)別和分類、浮游生物研究、漁業(yè)棲息地研究、海生物行為研究、海洋環(huán)境研究、石油和天然氣探測(cè)等功能。

該系統(tǒng)是一種固定式測(cè)量系統(tǒng)，其接受系統(tǒng)和中央處理分析系統(tǒng)固定在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)；聲納發(fā)射器分為船內(nèi)固定和船殼外固定兩種方式，本船多頻聲納采用升降鰭安裝形式。

聲納探測(cè)設(shè)備容易受到船體的噪聲干擾，船上的噪聲源主要來(lái)自船上的機(jī)械設(shè)備如主機(jī)、發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器等，多頻聲納換能器必須避開(kāi)這些噪音源；另外，船底的水流氣泡對(duì)探測(cè)精度有很大的破壞性，對(duì)外界水體發(fā)射、散射噪聲需要引起特別的注意；本船多頻聲納探測(cè)系統(tǒng)的換能器，采用升降鰭式安裝方式，見(jiàn)圖3 所示。

圖3 多頻聲納安裝布置圖

3.3 深水多波束測(cè)深系統(tǒng)及其換能器

深水多波束測(cè)深系統(tǒng)，主要由水下聲換能器基陣、安裝在聲學(xué)儀器艙主機(jī)、控制單元（安裝在主操控區(qū)）和配套輔助設(shè)備等部件及其軟件，以及相關(guān)的數(shù)據(jù)后處理軟件組成，其主要功能為測(cè)量海底水體數(shù)據(jù)及海底的特征。

深水多波束EM124 發(fā)射換能器陣列，由48 個(gè)換能器模塊組成，每一個(gè)模塊內(nèi)含18 個(gè)基元，6 個(gè)為一排；每一個(gè)基元通過(guò)接線盒獨(dú)立地連接到收發(fā)機(jī)內(nèi)部對(duì)應(yīng)的發(fā)射器，每個(gè)基元有獨(dú)立不同的振幅水平和相位信號(hào)，形成所需的發(fā)射波形和方向。因此，EM124 多波束測(cè)深儀換能器采用船底固定安裝方式，換能器固定于安裝支架內(nèi)，安裝支架再被螺栓固定在船底導(dǎo)流罩內(nèi)一個(gè)特制機(jī)匣中，換能器陣發(fā)射面朝向海底；換能器安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離螺旋槳和其它聲學(xué)噪聲源，安裝于整船龍骨前三分之一位置，安裝換能器的下表面與船底導(dǎo)流罩下表面齊平，換能器下表面應(yīng)噴涂防污油漆。

深水多波束安裝框架，長(zhǎng)8 m、寬1.07 m，安裝位置平面度誤差要求2 mm 以內(nèi)，透聲板安裝位置平面度誤差要求4 mm 以內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)施工精度要求高，施工難度大；在設(shè)計(jì)安裝框架底座結(jié)構(gòu)時(shí)，采用框架安裝結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)拼裝。安裝前，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)安裝框架平面度要求，用車床切好安裝件，并做工裝固定好，以降低焊接過(guò)程中整個(gè)面變形。整個(gè)框架一次性安裝完成，通過(guò)設(shè)備廠家、船東報(bào)驗(yàn)，為后續(xù)換能器順利安裝提供了保障。

3.4 淺地層剖面儀及其換能器

淺地層剖面儀利用參量效應(yīng)，通過(guò)發(fā)射兩個(gè)高頻率的初始信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)低頻率的二次信號(hào)。作為初始信號(hào)，淺地層剖面儀使用一個(gè)可調(diào)節(jié)的信號(hào)，頻率在18 kHz～33 kHz 之間；第二個(gè)初始信號(hào)，可調(diào)節(jié)頻率在 18.5 kHz～39 kHz 之間；第一主信號(hào)同時(shí)用來(lái)觸發(fā)參量效應(yīng)，提高地層剖面的分辨率，實(shí)現(xiàn) 11 000 m 的最大深度范圍；高頻信息也作為一個(gè)全海洋深度的常規(guī)測(cè)深儀提供水深信息。

淺地層剖面系統(tǒng)，由換能器陣、T/R 開(kāi)關(guān)、主前置放大器、從前置放大器、接口單元、操作員工作站、輸出設(shè)備等部分組成。

淺地層剖面儀系統(tǒng)的換能器數(shù)量多，并且體積大，精度要求高，安裝完成后表面平整度要求最大誤差±1°。

為最大程度減少外界噪音，換能器外殼的內(nèi)側(cè)必須安裝吸聲梯板以減少噪音，如圖4 所示的吸聲梯板粘到外殼上部?jī)?nèi)則，在吸聲梯板完全粘合前需用木塊支撐，以免松落；然后使用吸聲梯板將其固定在換能器底板和船體結(jié)構(gòu)間；緊接著依次安裝每個(gè)換能器，擰入傳感器所有固定螺栓，并用螺釘替換螺紋桿；當(dāng)所有換能器都安裝完畢后，檢查整個(gè)換能器陣列的平整度，使其平行于船舯線；再后，安裝換能器蓋板，將蓋板安裝在換能器周圍；最后，使用廠家提供的專用填充物填充蓋板、換能器和螺絲孔之間的間歇。

圖4 吸聲梯板安裝示意圖

3.5 走航式ADCP 系統(tǒng)及其換能器

深海走航式相控陣聲學(xué)多普勒流速剖面儀系統(tǒng)，固定安裝在科考船底部，在船舶航行狀態(tài)下測(cè)量不同深度層的海流，最大測(cè)流深度可達(dá)730 m（寬帶）或1 000 m（窄帶）。

走航式ADCP 系統(tǒng)，由換能器、甲板單元、數(shù)據(jù)采集單元、處理計(jì)算機(jī)、處理軟件等組成，換能器采用平面相控陣。

走航式ADCP 系統(tǒng)換能器，固定安裝在升降式鰭板或?qū)Я髡稚?，艙?nèi)設(shè)備布置在聲學(xué)儀器艙、調(diào)查裝備主操控區(qū)。走航式ADCP 系統(tǒng)的安裝要求，主要有以下幾個(gè)點(diǎn)：

1）方便接觸到內(nèi)部（傳感器電子部件）及外部（去除海洋生物附著）；

2）I/O 電纜長(zhǎng)度≤100 m；

3）遠(yuǎn)離船上突起物，在每個(gè)波束周圍有15°的開(kāi)闊角度；

4）遠(yuǎn)離其它聲學(xué)設(shè)備，尤其是那些與ADCP 工作頻率相同（或在諧波范圍內(nèi)）的設(shè)備；

5）盡量靠近船中軸線，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

考慮到換能器本身非常脆弱，不能經(jīng)受住海水中散落物的破壞，換能器必須加裝保護(hù)罩，但不能影響換能器的正常工作。鑒于上述因素，本系統(tǒng)采用了加裝單獨(dú)水箱的方法，將換能器和外部海洋環(huán)境隔離，中間采用透聲板將海水和水箱內(nèi)部隔離，透聲板采用特殊材料以便允許換能器聲束自由通過(guò)。

4 聲學(xué)設(shè)備電纜路徑布置

參考船船底導(dǎo)流罩上聲學(xué)設(shè)備的換能器布置，如圖5 所示，這些換能器自帶隨機(jī)電纜如下：

圖5 參考船導(dǎo)流罩聲學(xué)設(shè)備布置圖

1）單波速有3 只換能器，每只換能器有1 根隨機(jī)電纜，每根隨機(jī)電纜需單獨(dú)敷設(shè)；

2）EM712 中淺水多波束發(fā)射換能器陣列有20 根隨機(jī)電纜，需敷設(shè)在同一電纜管中；接收換能器陣列有8 根隨機(jī)電纜，需敷設(shè)在同一電纜管中；

3）EM122 深水多波束發(fā)射器換能器陣列有48 根隨機(jī)電纜，需敷設(shè)在2 根電纜管中；接收換能器陣列有16 根隨機(jī)電纜，需敷設(shè)在同一電纜管中；

4）P70 淺剖換能器有4 根隨機(jī)電纜，每根隨機(jī)電纜需要單獨(dú)電纜管；

5）每個(gè)走航式換能器需設(shè)置3 根管子，電纜、加水、透氣各一根管子；

6）自噪音監(jiān)控水聽(tīng)器有1 根隨機(jī)電纜，需單獨(dú)1根電纜管。

由于換能器自帶隨機(jī)電纜穿管都是直接或間接通海的，常規(guī)做法是在主船體設(shè)置一通海電纜圍井。此方案主要問(wèn)題是對(duì)電纜圍井大小的把控：設(shè)置太小，里面電纜管不好施工；但受船體結(jié)構(gòu)空間影響，又不能設(shè)置太大；如果把隨機(jī)電纜全部敷設(shè)到電纜圍井，換能器隨機(jī)電纜彎曲半徑比較大，電纜路徑很難走通，現(xiàn)場(chǎng)施工會(huì)非常麻煩。綜合考慮各種因素，并結(jié)合本船實(shí)際艙室結(jié)構(gòu)，最終選擇電纜從換能器上方直接分開(kāi)豎直敷設(shè)的方案，在電纜、換能器安裝完成后，這些電纜管中會(huì)有海水或淡水，要根據(jù)規(guī)范要求來(lái)選擇材料、厚度及防腐工藝，如圖6 所示。

圖6 換能器電纜管效果圖

換能器隨機(jī)電纜出電纜管頂部后，出口用MCT 框或填料函封堵，主要是固定電纜及防止異物掉進(jìn)電纜管；部分電纜根據(jù)設(shè)備資料要求，出電纜管后套金屬軟管敷設(shè)至設(shè)備，金屬軟管主要是防止物理?yè)p壞電纜及減少電磁干擾對(duì)設(shè)備信號(hào)影響，見(jiàn)圖7 所示。

圖7 換能器電纜管出口圖

換能器隨機(jī)電纜在電纜托架上敷設(shè)時(shí)，盡量做到同一換能器的電纜走同一電纜托架；如果因空間等因素導(dǎo)致多個(gè)換能器的電纜需敷設(shè)在同一電纜托架時(shí)，同一換能器電纜需一起分束打包，不同換能器電纜盡量在托架上遠(yuǎn)離；換能器隨機(jī)電纜多余長(zhǎng)度不能剪裁，不能直接繞圈固定在電纜托架上，必須要按S 型路徑敷設(shè)在電纜托架上，同時(shí)路徑不能形成環(huán)路，因此在設(shè)計(jì)換能器隨機(jī)電纜路徑時(shí)，需設(shè)置余量約5 m 長(zhǎng)的緊固件用于敷設(shè)多余長(zhǎng)度隨機(jī)電纜，見(jiàn)圖8所示；另外，因換能器隨機(jī)電纜上帶有插頭，所以電纜穿電纜管或敷設(shè)過(guò)程中對(duì)這些插頭要采取保護(hù)措施。

圖8 收發(fā)機(jī)旁電纜敷設(shè)圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)科考船聲學(xué)設(shè)備（包括：深水多波束測(cè)深系統(tǒng)、單波束萬(wàn)米測(cè)深儀、走航式ADCP 系統(tǒng)、多頻聲納探測(cè)系統(tǒng)、淺地層剖面儀的配置、接口及換能器）的安裝工藝進(jìn)行了詳細(xì)介紹，同時(shí)對(duì)聲學(xué)設(shè)備換能器隨機(jī)電纜路徑、敷設(shè)布置進(jìn)行了研究分析，對(duì)以后同類船舶建造中聲學(xué)設(shè)備的安裝及電纜敷設(shè)提供了技術(shù)參考。