某科考船声学设备装船技术研究

2024-01-22余勇林蔡皓鹏肖智烜刘苏粤

广东造船 2023年6期

关键词：科考船声纳换能器

余勇林，蔡皓鹏，张云，肖智烜，刘苏粤

（中船黄埔文冲船舶有限公司，广州 510715）

1 前言

某科考船的声学设备，主要作用是通过声纳探测海底的地形地貌、海底深度、位置信息、地质构造、海流、海底资源、海洋生物种类、种群数量、海洋地球物理场等，是研究全球海洋生态系统变化及生物资源可持续利用的专业装备[1]。

科考船上声学设备的布置位置及安装工艺，会直接影响声学设备的测量精度，在设备安装过程中，需根据现场实际情况，优化安装方案、工艺，提高声学设备安装质量。

2 声学设备配置、接口及布置安装

不同任务的科考船设备配置，会根据任务特点进行调整。某科考船为无限航区，具有全球航行能力的集多学科、多功能、多技术手段为一体，可实现深海资源探查及多学科研究功能的科考船。该船总长98 m、型宽17 m、设计吃水约5.5 m；配有2 台电力推进器、1 台艏部伸缩推；入DP-1 船级符号；主要声学设备，包括深水多波束测深系统、单波束万米测深仪、走航式ADCP 系统、多频声纳探测系统、浅地层剖面仪等。各设备配备以下相应接口：

1）GPS 导航信号：采用NMEA 0183ZDA/GGA/GLL数据串，RS232 接口，连接至本船科考差分GPS 接口，最低更新频率为1 Hz；

2）GPS 时钟信号：1PPS 脉冲，50-5 规格同轴电缆BNC 接头，连接至设备处理单元；

3）姿态信号：由姿态传感器提供，EM3000 格式，RS232 接口至PU，更新率大于50 Hz；

4）罗经信号：由本船科考光纤罗经提供，NMEA 0183 HDT 格式，更新率大于1 Hz，RS232 接口，连接至设备处理单元；

5）速度信号：由姿态传感器提供，通过以太网线传输，连接至处理单元，SeaPath/PosMV/Coda 格式，更新率大于50 Hz；

6）声速：由声速计Micro SV 提供，通过RS232 接口，连接至设备工作站，更新率大于0.2 Hz；

7）外部同步信号：兼容K-Sync（RJ45 连接到PU），或者TTL 信号（RJ45 接口连接到收发机）；

8）网络数据传输：本系统HWS 工作站，可将原始数据通过以太网口传输到船载网络中心。

参考科考船接口繁多，各声学设备图像输出接口不统一，显示器尺寸各异，而且安装位置也不同。为了达到实用美观的安装要求，首先要统一显示器尺寸；其次在接口方面，要求设备厂家额外再输出一路视频DVI 接口。

本船大部分科考声学设备都布置在声学实验室，为方便科考工作人员及时查看实验数据结果，将声学实验室作为视频接口输出舱室，最终将全船所有科考设备共计14 台显示器，上下布置在声学实验室右舷舱壁上，不仅美观实用，也便于科考工作人员查看实验数据,如图1 所示。

图1 声学试验室布置图

3 声学系统及其换能器安装工艺

下面介绍本船若干声学系统,包括深水多波束测深系统、单波束万米测深仪、走航式ADCP 系统、多频声纳探测系统、浅地层剖面仪的安装工艺。换能器是声学设备的信号接收和发射前端，它所处的位置环境和安装方式将直接影响声学设备的工作性能，各种不同的换能器安装位置、精度要求不同。

3.1 EA640 单波束万米测深仪及其换能器

图2 EA640 换能器安装示意图

科考船定点作业时会受到海洋天气、洋流方向、浪高等外界环境因素影响，导致工作效率降低，测量精度下降，甚至影响作业安全。动力定位系统具有自动定位功能，能够抵抗外界环境的影响，可实现科考船高精度定点控位。

单波束测深仪不仅可以测量水深，也可以反映水下设备深度信息，起到辅助监控水下设备功能[2]。单波束测深仪主要用于水下测距，一般采用收发合置换能器，波束为窄波束，可探测换能器阵面到海底的距离；不同频率的单波束测深仪组合，可以适应不同工作水域的需要，通常由水上控制系统和水下发射接收系统组成，其测深精度能够达到0.2m±0.1%；本船选用低频、高频多个波段工作频率的换能器（200 kHz/38 kHz/12 kHz）。

EA640 单波束万米测深仪换能器安装图，见图2所示。

换能器 mounting ring 由设备厂家提供，与船底板焊接并与船底平齐，水平度误差要求不大于±1°，在焊接安装法兰之前应把焊接处磨平；为免受热变形，在焊接安装环时，其它部件设备不能安装在上面，不能在换能器的表面打磨和油漆；为了防止换能器安装后其周边船体结构出现裂纹或者凹凸并因此产生紊流，用合适的填充物填充换能器中的两个螺栓孔，并平滑换能器表面，最后将换能器盖板和换能器表面涂上厂家认可的防污油漆。

3.2 多频声纳探测系统及其换能器

多频声纳探测系统，具有渔业生物量和分布评估、渔业生物种类识别和分类、浮游生物研究、渔业栖息地研究、海生物行为研究、海洋环境研究、石油和天然气探测等功能。

该系统是一种固定式测量系统，其接受系统和中央处理分析系统固定在实验室内；声纳发射器分为船内固定和船壳外固定两种方式，本船多频声纳采用升降鳍安装形式。

声纳探测设备容易受到船体的噪声干扰，船上的噪声源主要来自船上的机械设备如主机、发电机、推进器等，多频声纳换能器必须避开这些噪音源；另外，船底的水流气泡对探测精度有很大的破坏性，对外界水体发射、散射噪声需要引起特别的注意；本船多频声纳探测系统的换能器，采用升降鳍式安装方式，见图3 所示。

图3 多频声纳安装布置图

3.3 深水多波束测深系统及其换能器

深水多波束测深系统，主要由水下声换能器基阵、安装在声学仪器舱主机、控制单元（安装在主操控区）和配套辅助设备等部件及其软件，以及相关的数据后处理软件组成，其主要功能为测量海底水体数据及海底的特征。

深水多波束EM124 发射换能器阵列，由48 个换能器模块组成，每一个模块内含18 个基元，6 个为一排；每一个基元通过接线盒独立地连接到收发机内部对应的发射器，每个基元有独立不同的振幅水平和相位信号，形成所需的发射波形和方向。因此，EM124 多波束测深仪换能器采用船底固定安装方式，换能器固定于安装支架内，安装支架再被螺栓固定在船底导流罩内一个特制机匣中，换能器阵发射面朝向海底；换能器安装位置应远离螺旋桨和其它声学噪声源，安装于整船龙骨前三分之一位置，安装换能器的下表面与船底导流罩下表面齐平，换能器下表面应喷涂防污油漆。

深水多波束安装框架，长8 m、宽1.07 m，安装位置平面度误差要求2 mm 以内，透声板安装位置平面度误差要求4 mm 以内，现场施工精度要求高，施工难度大；在设计安装框架底座结构时，采用框架安装结构现场拼装。安装前，现场根据安装框架平面度要求，用车床切好安装件，并做工装固定好，以降低焊接过程中整个面变形。整个框架一次性安装完成，通过设备厂家、船东报验，为后续换能器顺利安装提供了保障。

3.4 浅地层剖面仪及其换能器

浅地层剖面仪利用参量效应，通过发射两个高频率的初始信号产生一个低频率的二次信号。作为初始信号，浅地层剖面仪使用一个可调节的信号，频率在18 kHz～33 kHz 之间；第二个初始信号，可调节频率在 18.5 kHz～39 kHz 之间；第一主信号同时用来触发参量效应，提高地层剖面的分辨率，实现 11 000 m 的最大深度范围；高频信息也作为一个全海洋深度的常规测深仪提供水深信息。

浅地层剖面系统，由换能器阵、T/R 开关、主前置放大器、从前置放大器、接口单元、操作员工作站、输出设备等部分组成。

浅地层剖面仪系统的换能器数量多，并且体积大，精度要求高，安装完成后表面平整度要求最大误差±1°。

为最大程度减少外界噪音，换能器外壳的内侧必须安装吸声梯板以减少噪音，如图4 所示的吸声梯板粘到外壳上部内则，在吸声梯板完全粘合前需用木块支撑，以免松落；然后使用吸声梯板将其固定在换能器底板和船体结构间；紧接着依次安装每个换能器，拧入传感器所有固定螺栓，并用螺钉替换螺纹杆；当所有换能器都安装完毕后，检查整个换能器阵列的平整度，使其平行于船舯线；再后，安装换能器盖板，将盖板安装在换能器周围；最后，使用厂家提供的专用填充物填充盖板、换能器和螺丝孔之间的间歇。

图4 吸声梯板安装示意图

3.5 走航式ADCP 系统及其换能器

深海走航式相控阵声学多普勒流速剖面仪系统，固定安装在科考船底部，在船舶航行状态下测量不同深度层的海流，最大测流深度可达730 m（宽带）或1 000 m（窄带）。

走航式ADCP 系统，由换能器、甲板单元、数据采集单元、处理计算机、处理软件等组成，换能器采用平面相控阵。

走航式ADCP 系统换能器，固定安装在升降式鳍板或导流罩上，舱内设备布置在声学仪器舱、调查装备主操控区。走航式ADCP 系统的安装要求，主要有以下几个点：

1）方便接触到内部（传感器电子部件）及外部（去除海洋生物附着）；

2）I/O 电缆长度≤100 m；

3）远离船上突起物，在每个波束周围有15°的开阔角度；

4）远离其它声学设备，尤其是那些与ADCP 工作频率相同（或在谐波范围内）的设备；

5）尽量靠近船中轴线，提高测量准确度。

考虑到换能器本身非常脆弱，不能经受住海水中散落物的破坏，换能器必须加装保护罩，但不能影响换能器的正常工作。鉴于上述因素，本系统采用了加装单独水箱的方法，将换能器和外部海洋环境隔离，中间采用透声板将海水和水箱内部隔离，透声板采用特殊材料以便允许换能器声束自由通过。

4 声学设备电缆路径布置

参考船船底导流罩上声学设备的换能器布置，如图5 所示，这些换能器自带随机电缆如下：

图5 参考船导流罩声学设备布置图

1）单波速有3 只换能器，每只换能器有1 根随机电缆，每根随机电缆需单独敷设；

2）EM712 中浅水多波束发射换能器阵列有20 根随机电缆，需敷设在同一电缆管中；接收换能器阵列有8 根随机电缆，需敷设在同一电缆管中；

3）EM122 深水多波束发射器换能器阵列有48 根随机电缆，需敷设在2 根电缆管中；接收换能器阵列有16 根随机电缆，需敷设在同一电缆管中；

4）P70 浅剖换能器有4 根随机电缆，每根随机电缆需要单独电缆管；

5）每个走航式换能器需设置3 根管子，电缆、加水、透气各一根管子；

6）自噪音监控水听器有1 根随机电缆，需单独1根电缆管。

由于换能器自带随机电缆穿管都是直接或间接通海的，常规做法是在主船体设置一通海电缆围井。此方案主要问题是对电缆围井大小的把控：设置太小，里面电缆管不好施工；但受船体结构空间影响，又不能设置太大；如果把随机电缆全部敷设到电缆围井，换能器随机电缆弯曲半径比较大，电缆路径很难走通，现场施工会非常麻烦。综合考虑各种因素，并结合本船实际舱室结构，最终选择电缆从换能器上方直接分开竖直敷设的方案，在电缆、换能器安装完成后，这些电缆管中会有海水或淡水，要根据规范要求来选择材料、厚度及防腐工艺，如图6 所示。

图6 换能器电缆管效果图

换能器随机电缆出电缆管顶部后，出口用MCT 框或填料函封堵，主要是固定电缆及防止异物掉进电缆管；部分电缆根据设备资料要求，出电缆管后套金属软管敷设至设备，金属软管主要是防止物理损坏电缆及减少电磁干扰对设备信号影响，见图7 所示。

图7 换能器电缆管出口图

换能器随机电缆在电缆托架上敷设时，尽量做到同一换能器的电缆走同一电缆托架；如果因空间等因素导致多个换能器的电缆需敷设在同一电缆托架时，同一换能器电缆需一起分束打包，不同换能器电缆尽量在托架上远离；换能器随机电缆多余长度不能剪裁，不能直接绕圈固定在电缆托架上，必须要按S 型路径敷设在电缆托架上，同时路径不能形成环路，因此在设计换能器随机电缆路径时，需设置余量约5 m 长的紧固件用于敷设多余长度随机电缆，见图8所示；另外，因换能器随机电缆上带有插头，所以电缆穿电缆管或敷设过程中对这些插头要采取保护措施。