声学驱鱼技术研究

殷勇勤，吕友林，赵传达，彭文林

（1.中国船舶重工集团公司 第七二六研究所，上海 201108；2.上海瑞洋船舶科技有限公司，上海 201108）

声学驱鱼技术研究

殷勇勤，吕友林，赵传达，彭文林

（1.中国船舶重工集团公司 第七二六研究所，上海 201108；2.上海瑞洋船舶科技有限公司，上海 201108）

为解决海洋中正面临着的人与海洋生物相互干扰的问题，开发一款高效且环保的驱鱼器，用以暂时驱离人类活动区域内的鱼类，在消除海上施工作业安全隐患的同时，保护鱼类免受伤害。鉴于鱼类可感知声音，且会对一定频率和声压范围内的声音感到厌恶而远离，故可采用声学原理来驱离鱼类。为达到驱离效果，使用液电效应产生宽频带复合声波，这是一种较为简单、有效的方式。

声学驱鱼；液电效应；频率；电压

0 引 言

世界各地每天都进行着各种生产和建设，其中岛礁、港口码头、钻井平台、河上大坝及修船造船等水上工程会对水中的生物造成伤害；而另一方面，人类的生产活动也时常受到水中生物的干扰。例如：水电站的进水口如果进入大量的鱼，会对发电设备造成重大损伤；钻井平台及海底管道在遇到大型鱼类或鱼群时也容易受损。此外，平台在正常生产过程中会产生大量有机物，这会吸引大量鱼类来到平台附近，进而招来垂钓爱好者和渔民到其周围捕鱼，给平台的正常作业带来安全隐患。

为保证水下设施和水上作业的安全，解决人类与水下物种间的相互干扰等问题，保护生态并可持续发展，需开发一套可靠的驱鱼设备。这种设备保护既可以是固定式的局部区域保护，也可以是随舰船的移动式保护。

1 驱鱼方式的选择

目前市场上还没有成熟的驱鱼产品，为数不多的研究仅限于理论验证和增加了鱼类的研究数据。根据以往的驱鱼试验和技术经验，驱鱼方式大致分为以下8种。

1.1 栅网拦鱼

利用拦鱼栅网驱鱼是一种传统的驱鱼方法，栅条和网格的材料、形状及布置间距等可根据目标鱼的种类进行调整。该方法属于被动驱鱼，需采用移动工具拉着栅网驱鱼，对体型较小的鱼拦截效果较差，存在撞击鱼类、干扰结构过水能力和运行维护不便等诸多问题[1-2]。

1.2 电驱鱼

电驱鱼的原理即：通过电击使鱼产生不适感，从而达到驱鱼的目的。该方法在水利工程中应用较多[3-4]，也会对鱼类造成一定的物理损伤，且其电极结构易损坏，威胁人员的生命安全。例如，神泉山水库应用HGL-1型电赶拦鱼机，主要用来防止鱼类在泄洪过程中流失[5]。

1.3 声学驱鱼

相关研究结果表明，水下声波可用来诱鱼或驱鱼，关键技术在于准确掌握能在水下发挥有效诱驱鱼作用的声波的波形、大小和频率等[1,6]。水下声学应用目前发展较为成熟，采用水下声学的方式驱鱼，在工程上比较容易实现。

1.4 光驱鱼

光与声音一样，也可用来诱鱼和驱鱼，其关键技术在于有效光强及光色等因素的选择。研究结果表明，闪光灯也可用来驱鱼。目前此方面的研究甚少，光强和光色选择很困难[7-8]。

1.5 气泡幕驱鱼

相关研究结果表明，气泡幕通常对鱼有视觉、听觉及机械压力振动等3种刺激，可将其作为一种驱鱼方式。然而，这种方式的作用距离有限，不太适合大范围驱鱼[9-10]。

1.6 热驱鱼

每种鱼类都有适宜其生存的水温范围，当局部水温上升至鱼类感觉不适的温度时，鱼类会出现逃离行为。目前国内外尚无热驱鱼方面的试验研究，若在危险水域形成一个使鱼类能自主逃逸的温度场，即可达到生态驱鱼的目的[1]。这种方式成本较高，且会对环境产生较大影响。

1.7 诱鱼剂驱鱼

诱鱼剂驱鱼主要是利用食物及气味达到驱鱼的目的，一般以诱为主，国内外相关研究较多。然而，鱼食会污染水体，对环境有一定影响。

1.8 水流驱鱼

鱼类有顶流而行的特性，水流诱鱼是目前国内外过鱼建筑物较多采用的诱鱼方式。但若大范围地采用该方式驱鱼，会对施工作业产生较大影响。

综合考虑上述驱鱼方式，由于声音在水下有衰减小、传播速度快和影响范围广的特点，采用声学驱鱼方式效率高，无需改造水域环境且能保护生态，这种驱鱼方式较为可行。

2 声学驱鱼器可行性分析

2.1 鱼类感声研究

鱼类的感声系统包含内耳、侧线、鳔和气囊等器官，由这些器官综合感知声波或水体中的振动。鱼类的内耳器官通常能感知16～1300Hz的振动；侧线能感知10～150Hz的振动，最适宜的频率为50～100Hz；有些鱼类的内耳下部有一块“韦伯尔”小骨，能增强对声音的灵敏度；鱼鳔作为声的共鸣腔，对声的反射强度大，在低频时会出现共振现象，此信号传至内耳，能极大地提高听觉的灵敏性。有试验结果表明，当对某些鱼类采取摘除鳔措施或鳔不充气时，其对声音的灵敏度则下降35～40dB。鱼鳔随鱼体的生长而生长，直到鱼体停止生长。总体上看，鱼鳔的体积约占鱼体的 5%，因此鱼鳔的大小与鱼的大小有关，鱼类的感声能力也因鱼的大小而有所不同。

相关试验结果表明，一般的鱼类可听到频率为 500～600Hz的声音，超出该频率范围，鱼类的听力相对较差。当然，不排除个别鱼种会因身体的特殊构造而对声音的感知频率超出该频段。鱼类能感知一定频率的声音，而当声音达到一定的声压级之后会产生恐慌，对突发性声音更为敏感。有试验结果表明，一般的鱼类对140～160dB的声压有受惊吓的反应。

对部分已有试验进行归纳，得到部分鱼类对声音的感知情况（见表1）[6]。

表1 部分鱼类对声音的感知情况

2.2 声学驱鱼器分析

根据对鱼类的声学研究及表1中的试验数据，不同种类的鱼对不同频率和不同声压级的声音的感知能力是不同的，一般的鱼类对1.3kHz以下频率的声音是有感知的，对600Hz以下频率的声音感知能力最强，对特定频率的140～160dB声压级突发性声音有受惊吓的反应，因此采用声学的原理设计驱鱼器是可行的。

此外，国际上现有的驱豚器就是采用声学的原理驱离海豚的。1996年和1997年在芬迪湾和丹麦进行过大量试验，结果显示适合渔网的声学驱离系统可在很大程度上减少副渔获。例如，在欧洲使用的驱豚器AQUAmark100和AQUAmark200发射的声波频率为10kHz±2kHz，已在商业方面应用数年，有效佐证了利用声学原理驱鱼的可行性。

由于海鱼种类繁多，相关研究资料有限，利用声学原理驱鱼不能适用所有鱼类。但是，依据上述原理和已有的研究成果，为了使该驱鱼方式对绝大多数的鱼类都有效果，可将驱鱼设备的发声频率和声压范围尽量扩大，做到有备无患。

3 声学驱鱼器的设计

3.1 驱鱼器水下声源选择

声学驱鱼器需在水下发出令鱼类感到厌恶或害怕的声音，如何选择水下声源是首要问题。根据发声原理的不同，水下声源可大致归纳为炸药爆炸发声、电声换能器声源、参量阵声源、流体动力式声源、电磁式声源、激光声源和等离子体声源等7种。从环保和高效来看，适合做驱鱼器声源的主要有电声换能器声源、参量阵声源、电磁式声源和等离子体声源，这些声源都采用电能转换为声能的形式。

3.1.1 电声换能器声源

电声换能器声源是利用电声换能器将电信号转换成声信号，不同材质的电声换能器在性能方面会有很大差异。压电陶瓷是应用最广泛的电声换能器材料，但因发射功率受到工作频率、功率容量和空化等因素的限制，使得信号的带宽和功率都有一定的物理限制[11]。

3.1.2 参量阵声源

参量阵声源的基本原理是使用发射器（通常由超声换能器组成）同时发出2个频率相近的大振幅高频波，这些大振幅高频波在水中传播时具有非线性特性，会形成差频波及和频波，由于2个高频波的频率非常相近，因此差频波的频率很低，具有很强的穿透力，故多利用差频波对水深进行精确测量[11]，其能量不足以驱离鱼群。

3.1.3 电磁式声源

电磁式声源的原理是利用瞬间的电磁感应产生的力量迫使金属板迅速“轰击”周围的水介质，从而形成声脉冲向外辐射出去。现代的医疗领域中通常会用到该技术，即采用装有声聚焦装置的电磁式声源进行体外冲击波碎石[11]。

3.1.4 等离子体声源

等离子体声源是采用液电效应的原理将高功率脉冲电容器存储的能量在液体中瞬间释放，形成巨大的脉冲电流，从而将电能直接变成爆炸式的机械能，形成超声速的激波向外传播，进而衰减成强声脉冲[11]。

为确保驱鱼器对绝大多数鱼类都有效果，其声波需覆盖绝大部分鱼类感知的频率和声压，比较简单、有效的方式是将声波设计成宽频带的复合声波，且其声压＞160dB的突发性声音。这里对声音有2方面要求，即：能发出复合的宽频带声波；能发出足够声压级别突发性声音。鉴于此，选择等离子体声源较为合适，因为其发声能量足够大，复合声波的频率分布十分均匀，频带也足够宽。

3.2 驱鱼器具体设计

若采用等离子体声源的发声方式，则根据其水中脉冲放电（液电效应）原理（见图1），能量需首先经过高功率脉冲电容器的积蓄，然后经开关传递到水下放电电极，待充电到高压状态后连通开关，电容的电量经水下电极迅速释放，产生极强的放电电流，形成球状等离子体区域，该区域中的水迅速汽化、膨胀并引起爆炸，形成强烈的冲击波向外传播，最后衰减成声脉冲。

此外，对驱鱼器的控制有能量释放的时间间隔和能量的大小2方面的要求。驱鱼器对能量释放的时间间隔应设计为可控形式，因为生物都具有适应性。当声响均以相同时间间隔发射生成时，经过一段时间的适应期，此声响对鱼的驱离效果会大大减弱。因此，可将发射的时间间隔设定为随机模式，即设定为充电时间的N倍，N可变。此外，每次声波发射的能量大小在达到驱鱼效果的范围内采用随机模式，也可增强驱鱼器的效果。

通过对比中国船舶重工集团公司第七二六研究所某项目的试验实施结果可知，经过电容充电使电压达到6000V左右时，通过水下电极阵放电产生强脉冲声波，频谱在DC～10kHz内基本上是均匀分布的，在10kHz以后衰减；其强脉冲声波时域波形见图2，强脉冲声波功率谱见图3。此种声波为复合宽频带声波，将其与鱼类的感声指标对比可知，其能覆盖大部分鱼类，因此该设备可用来驱鱼。

依照此种方式，一套完整的驱鱼器需有一个高功率的脉冲电源，用来控制能量的积蓄和释放；需有一个水下放电电极阵，作为发声单元；需有一个显示控制单元，置于控制室，以方便人员操控设备。此外，为便于电极阵的收放，还可根据具体的安装区域设计合适的电极阵收放方式，例如电缆盘及滑轨等。水下声学驱鱼器设备构成见图4，设备的工作原理见图5，其中虚线箭头为控制线路。

3.3 驱鱼效果检验

对于驱鱼器效果的检验，由于淡水和海洋中的环境及鱼的种类均不相同，因此需在淡水环境及海洋环境中分别挑选不同种类、不同大小的鱼来试验。

3.3.1 试验环境

声波在水中按照球面波衰减，由球面波衰减公式可得

式(1)中：Lp为声压级；Lw为声功率（为固定值）；r为与声源的距离。

由式(1)可知，与声源间的距离每增加1倍，实际声压只衰减6dB。以此类推，若将距离声源1m处的声压级定义为声源级，假设存在一个声源级为 220dB的声波，则根据式(1)可得出不同距离内的声压级见表2。

表2 不同距离的声压级（衰减）

综上所述，若试验区域比较小，则声波衰减有限，再加上鱼池各处对声波的反射使得水域内各处的声波强度相差不大，鱼没有躲避的空间，致使试验不能成功。因此，试验水域需足够大，使鱼有躲避声波的空间。

另外，通过公式的计算并对比某种鱼对声压的反应，便可大致知道该设备对此种鱼的有效驱离范围。例如：对于日本鳀，其在频率为300Hz，声压级在146.8dB以上的声音环境里受惊吓最强烈；若设备在300Hz频率的环境里声压级为180dB，则其对此种鱼的有效驱离范围为50m左右。

3.3.2 试验证明

由于鱼的种类繁多，试验不能包含全部情况。上文已确认中国船舶重工集团第七二六研究所某项目设备的技术指标覆盖国际公认的大部分鱼类的声学指标，现只需用若干种鱼类的驱鱼效果来验证该声学指标的正确性。通过在海洋石油平台和锦鲤鱼池内对该设备进行试验，检验设备对海洋鱼类和淡水鱼类的驱离效果，试验结果证明设备是具有驱鱼效果的。

1 ) 经海洋石油平台试验，受限于海水浑浊及海洋环境复杂多变，无法直接观察水中鱼群的反应，因此通过采用探鱼器探测鱼群的位置变化来间接检验驱鱼效果。将探鱼器的探头装于驱鱼器电极阵附近，由探鱼器的探测结果可知，探测到的鱼群在设备开机5min后消失了，且反复试验数次结果是一致的，证明该效果为驱鱼器所致，故该设备的驱鱼效果较好。

2 ) 对于锦鲤鱼池试验，由于锦鲤鱼在觅食时会浮于水面，便于用肉眼观察鱼群的反应，因此选择锦鲤鱼作为试验对象。在准备的鱼池内放入若干锦鲤，用鱼食将鱼群吸引至放电电极阵周围之后开启设备，发现鱼群远离电极阵游动，且逃离反应剧烈。此外，在试验过程中还发现，每次试验之后用鱼食能吸引到电极阵附近的鱼群数量在减少，说明鱼群对驱鱼器的惧怕超过了对鱼食的渴望，证明驱鱼器具有很好的驱鱼效果。

4 结 语

目前市场上还没有针对多种鱼类的较为成熟的驱鱼器产品，但在水电站、石油平台等多种场所都会用到驱鱼技术，因而开发一款可有效驱离大部分鱼类的驱鱼器是有市场需求和经济效益的。

保护鱼类是驱鱼器的一个重要作用，因此驱鱼器不应对水下鱼类产生伤害，特别是不能对水下哺乳类鱼类（鲸鱼、海豚等）的声呐系统产生伤害。

此外，高功率电源因在发射时需汇聚能量，其发射端有高压，应有高压的标志；由于强脉冲对水下作业人员的听力也有一定的冲击，故对水下发声区域应设有危险警示标志。

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A Research on the Acoustic Fish Herding Technology

YIN Yong-qin，LYV You-lin，ZHAO Chuan-da，PENG Wen-lin

（1.CSIC No.726 Research Institute, Shanghai 201108, China; 2.Shanghai Ruiyang Marine Technology Co., Ltd., Shanghai 201108, China）

In order to solve the problem of mutual interference between human and marine creatures, a highly efficient and environment-friendly fish herding device is developed, which can temporarily herd fishes away from human activity areas, eliminating the potential dangers to offshore operation and protecting fishes from injury.Fishes are sensitive to sound, they will react to displeasing sound and swim away, so the acoustic method is chosen for fish herding, of which the simplest way is to use electro-hydraulic effect to produce broadband composite sound waves to ensure the herding effect.

acoustic fish herding; electro-hydraulic effect; frequency; voltage

U666.7

A

2095-4069 (2017) 04-0026-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.006

2017-02-17

殷勇勤，男，工程师，1981年生。毕业于南京信息工程大学计算机科学与技术专业，现从事船舶自动化控制方面的研究。