冰中纵波声速测量方法研究

2021-07-03白金

舰船科学技术 2021年5期

白金

(大连测控技术研究所，辽宁大连 116013)

0 引言

20世纪末，国际海洋界逐渐开始重视极地水声学研究，北极地区具有与其他海域显著不同的声传播环境，由于冰层的存在，形成了一个有利于船舶低频噪声传播的波导条件。美国从二战后逐渐开始了极地声学研究，1994年横跨北极声传播实验(Transarctic acoustic propagation experiment，TAP)项目首次开展了横跨北极的声传播实验，为北极的海冰散射、声传播以及混响模型的验证提供了重要的数据[1]；1998年美国和俄罗斯联合开展了北极冰下声气候观测(Arctic climate observation using underwater sound，ACOUS)项目，进行了1 250 km低频声传播和通信试验[2]；2016年美国冰原演习(ice exercise 2016，ICEX16)在波弗特海进行了水下无人平台的布放、导航及回收实验，其中使用射线模型解释了3 km距离处导航性能下降的原因[3]。我国近年来也在极地冰区开展了声传播特性实验研究，2016年第7次北极科学考察中科院声学所首次开展了北极声传播和扩频通信实验[4]；2017年海洋三所在第8次北极科学考察中开展了冰下声传播的多途效应及声场变化规律研究[5]；针对冰层下水声通信问题，哈尔滨工程大学利用松花江冬季冰层开展了冰下信道测试、冰层散射系数测量以及冰下水声通信等系列试验研究，掌握了冰层、冰下信道特性及其对水声通信的影响[6]。从以上研究中发现，由于冰介质结构及形成过程的复杂性，使其声学特性存在差异，忽略每种冰的固有特性，将使结果产生误差，冰介质的声学特性对冰区水声学研究具有较大影响。

针对冰介质声学特性的研究，20世纪90年代美国塞勒斯伍兹霍尔研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）利用层析测井理论和实验方法，确定了加拿大海域的冰层声速剖面[7]；2011年由美、德主导的研究机构利用南极声学测试系统（South pole acoustic test setup，SPAT）测量了南极冰层在190～500 m深度冰介质的声学参数[8]；2005年中国国家海洋检测中心利用相对时差测量方法对渤海海冰声速参数进行了测定[9]；2016年冬季哈尔滨工程大学在黑龙江省松花江流域进行了冰介质中纵波声速的测量实验，并利用经验公式对冰层声速垂直剖面进行推算[9]。

本文在上述研究的基础上，针对不同物理性质的冰介质，研究直达法获取冰中纵波声速的测量方法，分别对渤海海冰、湖冰、人造淡水冰进行声速测量，分析了该方法的测量精度及误差产生的原因，利用公开文献结果验证了方法和测试数据的有效性，对进一步提高该方法的测量精度提出了改进意见。

1 海冰结构特征与冰中纵波声速

海冰的形成和发展不仅由表面海水降温所决定，而且与海水密度、盐度、水深以及海水湍流和凝结核等密切相关。淡水冰在正常情况下是均匀的晶体结构，相比于淡水冰，海冰的冻结过程更加复杂，其中夹杂大量杂质，如气泡、卤水、固体颗粒等，与以往常见声传播介质存在很大区别。对不同状态的冰，因其结构及成分区别较大，因此其声学特性及声学参数有较大区别。具体声学特性由海冰本身状态决定，其测试结果与样品测试环境，测试过程密切相关，每次测量值与理论预测值相比均有小幅度波动，因此只能给出一个整体的声速范围。历史资料中数据，海冰声速大致为3 000～3 600 m/s[10-11]。以此为参考，在实验室通过直达法对渤海海冰进行声速测量，讨论测量方法的有效性。

2 直达法声速测定原理与方法

将发射换能器和接收换能器分别放置于冰样品轴向的两端，同时通过标尺读取样品长度。垂发射采集模块产生的小振幅声波信号经放大模块后传输给发射模换能器，发射换能器在冰介质内激发纵波信号，传播后被接收换能器接收。采集电路对接收到的声波信号进行前置放大、初始滤波和A/D转换等处理后进行数据存储。由射线方程推算冰介质中的声速，采用直达测试法测量冰介质中纵波声速时，计算公式如下：

式中：V为冰样品中纵波声速，m/s；L为冰样品长度，mm；L0为标尺零点，mm；t1为冰中声信号到达时间， m s ；t0为换能器时延，m s。

声学测量模块由声波发射单元、声波接收单元、声学换能器单元和控制单元组成。测量时将冰介质看做各项同性材料，声信号发射频率100 kHz，信号形式为单频3周期脉冲信号，采样率8 MHz。

3 测量误差与结果分析

实验海冰样本采集于122.226°E，40.424°N处，湖冰样本采集于126.911 5°E，43.649°N处，淡水冰介质采取实验室恒温冻结。海冰、湖冰各采集8块作为试件，并将其加工为10×10×20 cm。所有冰均保存于-20℃恒温环境1周以上，以保证测试时所有试件温度一致，此次测试忽略温度引起的误差。

3.1 测量方法误差分析

海冰长度测量采用测试系统自带的电子游标卡尺，测量精度0.1 mm。当测试夹具夹紧冰试件时由于夹具受力不均匀造成夹具微变形，使冰样本长度测量产生误差，目测误差小于2 mm。若样品长度为200 mm，声速为3 600 m/s，则由于夹具变形造成的声速测量误差为±36 m/s。

应用式（1）计算冰中纵波声速时，t0及t1的选取采用手动拾取法。为了降低测试仪器的系统误差提高信噪比，从而更准确的选取起跳点，采用多次测量取平均值的方式降低系统误差。图1为单次测试信号，图2为100次测量平均值，可以看出取平均后的信号更加光顺，起跳点更加明显。

图1 测试设备图Fig. 1 Test equipment

通过多次平均后信号前端零值得到明显平滑，但仍有微小起伏，为了量化这一微小起伏对测量精度的影响，通过界定波形阈值范围，限定起跳点取值区间，如图3所示。图中线1为多次平均后信号，线2为信号前端零值上下限阈值，线3为信号起跳点，线

图2 单次测量结果Fig. 2 Single measurement result

4为根据阈值确定的信号起跳点误差区间范围，通过多组信号估计该误差约为±1 μs，则由于计时误差引起的声速测量误差约为±65 m/s。根据上述起跳点选取方法分别对无冰和有冰时的信号进行处理，如图4所示，进而得到冰介质样品中声传播时间。

图3 多次测量平均值Fig. 3 Multiple measurement results

图4 信号起跳点选取及其误差Fig. 4 Signal take-off point selection and error analysis

3.2 测量结果分析

采用上述测量方法对海冰、湖冰、淡水冰分别选取8个样品进行纵波声速测量，每一样品测量10次，每次测量为降低测量误差均按上述误差处理方法取100个信号的平均值进行分析，结果如图5所示。

声速测量结果按下式表达：

图5 接收时域信号Fig. 5 Receiving time domain signal

式中：E为测量均值， σ 为标准差。

图5中●为海冰，■为湖冰，▲为人造冰，其声速值为10次测量结果的均值，为了观察方便图中误差条显示为 3 σ。

根据图5测试结果，将每种冰8个样品的测试结果进行统计，得到海冰纵波声速为3 360±162 m/s，湖冰纵波声速为3 772±57 m/s，人造冰纵波声速为3 729±23 m/s，测试结果与文献[10 - 11]结果相近。根据测试结果可知，海冰样品中声速测量结果的标准差最大，湖冰次之，人造冰最小，这是由于不同海冰所含杂质、盐度、孔隙率等固有性质差异造成的，而湖冰每一样品间固有差异较小，因此其声速差异较小，人造冰在实验室可控条件下制成，性质一致，因此声速差异最小；海冰较淡水冰（湖冰、人造冰）声速低，这是由于海冰物理性质与淡水冰差异较大，由于杂质的存在及形成过程的不同，与淡水冰相比海冰结构更加复杂且“疏松”，因此声速较低，湖冰杂质少盐度低，与人造冰性质基本一致，因此其声速与人造冰相近；湖冰声速样本均值比人造冰略大，可能是由于湖冰冰龄较长（约3个月），且形成过程缓慢，而人造冰冰龄较短（7天），且通过淡水速冻而成，从而产生差异，但也不排除样本数量较少的可能，需通过后续研究进一步确认。

上述直达法测量冰中纵波声速工作中，若增加冰介质样品长度，会使尺寸测量误差减小，同时增加了声传播距离延长传播时间，进而使时间测量精度得到提高。但随着传播距离的增加，声能将逐渐衰减，可能导致信号起跳点选取不准确产生时间测量误差；另一方面，提高声波频率能够减小信号脉冲宽度，从而提高起跳点选取精度，但同样存在高频声信号衰减问题。综上所述，后续研究中可通过增加样品长度、提高信号频率或采用大尺度原位测量法进一步提高声速测量精度，但需综合考虑声传播衰减问题。