作者:陆琦 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/10/28 22:21:15
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中国水声界成功完成首次北极及毗邻海域水声学科考

 

图说:卫翀华在北极海冰上进行水声实验

历时78天,累计航行13000多海里,最北到达北纬82度52分,中国第七次北极考察队圆满完成各项预定考察任务凯旋。在128名考察队员中,中科院声学所水声工程中心副研究员卫翀华是一名“新兵”,也是我国水声学领域赴北冰洋进行实地专业科学考察的第一人。

“在北冰洋地区开展冰区水声实验,为北极地区水声环境建模提供了实测数据,为未来的水下导航、通信提供了技术支持和技术储备。”卫翀华说。

北极独特的水声环境

北极地区地理位置独特、气候寒冷,北冰洋的大部分区域终年被海冰覆盖,因此也形成了独特的水声环境。

卫翀华告诉《中国科学报》记者,水声研究并不神秘,“就像人站在空旷的山谷里大声呼喊后,会听到阵阵回声,水声实验就是研究声音信号在水下远距离传输的过程。”

在北极及其毗邻海域,由于冰盖与水下冰脊的存在,给水下航行直接利用卫星系统进行通信和导航带来了极大的困难,使得水声方式成为水下航行唯一可靠的信息传输手段。

不过,中科院院士李启虎坦言,中国对北极地区的声学特性研究几乎是空白。能够了解北极及其毗邻海域的水声环境,是他多年的心愿。

李启虎表示,收集水声数据资料,掌握北极地区海域水声环境规律及机理,建立北极背景场、声信道模型,利用北极海洋环境水声效应,开展北极水声环境适配处理理论与方法研究,是保障我国北极地区航行安全,以及提高装备环境适应性,提升通信、导航等技术水平的重大前沿基础研究需求,符合中科院着力于战略性、前瞻性、基础性研究的宗旨。

2014年,在李启虎的倡导下,中国第六次北极考察就设置了水声学方面的内容,开启了北极及其毗邻海域水声学研究的序幕。

“今年我们有人去了,虽然只是初步的成功,但填补了我国中高纬度海域及极地声学研究的空白,将为水声科学的全面发展以及北极海区水下声学通信、水下声感知等实用技术奠定坚实的基础。”李启虎说。

探听冰下的声音

在李启虎的引领下,中科院声学所水声工程中心主任黄海宁、研究员尹力等投入大量精力,带领团队对极地声学进行了潜心研究,并积极筹划部署,协调参加第七次北极考察。中科院重大科技任务局局长王越超、处长李才兴高度关切极地声学研究,多次听取项目组的研究进展及考察安排汇报。

国家海洋局极地办和极地中心也对北极声学考察给予了充分重视,特地安排水声学科研人员参加第七次北极考察,经过协调,决定以卫翀华为主执行本次北极声学考察。

8月4日,“雪龙”船进入北极冰区,卫翀华在短期冰站和长期冰站各开展了一次实验,主要包括中频水声通信、低频水声传播以及海洋环境噪声采集等。

8月20日,第七次北极考察进行最后一个冰站作业。受风浪影响,“雪龙”船无法在浮冰边缘停船,20余名科考人员乘坐“黄河”艇到达短期冰站作业区,卫翀华就是其中之一。

“为方便大功率发射需求,实验系统发射端布设于‘雪龙’船后甲板,便于运载的实验系统接收端则要通过‘黄河’艇布设在冰面上。”卫翀华回忆说。

抵达短期冰站,卫翀华先把实验系统发射端设备搬到冰面上,用电钻在冰面上钻取一个冰孔。按照实验规程连接好仪器后,他把接收水听器基阵由冰洞放入水中,开始测量。

随后,“雪龙”船缓缓驶离短期冰站,停泊在远处海域。船上的队员把发射端设备连接好,再从后甲板将发射换能器和监测水听器布放到海中。信号发射完成,“雪龙”船又驶回原地,在距离“黄河”艇近处再次发射信号。

在此期间,卫翀华一直在浮冰上接收信号。为了避免信号干扰,“黄河”艇关闭了发动机和电暖气。在寒风中连续工作了7个小时的卫翀华,双手发抖,嘴唇发紫。“冷”也因此成为他对北极最深刻的印象。

在北冰洋冰区开展水声实验既艰难又难得。“经过这一次科考,中国水声界终于有了对北极海区的感性认识和第一手材料。”卫翀华希望,争取参加第八次北极考察,做更多的工作。

站在新北极声学的起跑线上

声学实验受环境影响非常大。“整体而言,我们的设备经受住了北极特殊环境的考验。”中科院声学所水声工程中心研究员田杰告诉记者,这次拿到北极做实验的鱼唇式换能器,是由声学所自主研制的低频换能器,差不多只有A4纸那么大,它的体积、重量较同类设备具有很大优势,更便于在浮冰上进行人工布放。

不过,这次北极之行,卫翀华也发现一个问题。“我们的设备应对近海、大洋是可以的,但是在北极地区还是有些不适应,主要是防冰的能力相对很弱。布放过程中一发现有冰,就很紧张,需要非常小心地避让。”

对此,李启虎表示,由于北极地区常年低温的特点,水声测试设备、系统的硬件都要进行特殊的设计,特别是准备在冰上工作的电子设备必须有特殊的防护措施。担任与卫星或水下平台通信任务的浮标系统,更要有经得起低温考验的机械、电子部件。

此外,卫翀华认为,设备的可操作性还要进一步改进。“北极地区的条件恶劣,风浪、气温等都会对设备和人的操作产生不利影响,未来的设备要向无人方向发展。”

随着近年来世界海洋大国对北极地区的空前关注,北极声学也有了新的发展。2014年,美国海军研究实验室(ONR)在公布水声研究计划时,明确三大学科,即浅海声学、深海声学和北极声学。

“由于北极环境的持续变化,新的课题不断涌现。”中科院声学所研究团队表示,“国外纷纷开始重新审视、加强研究北极声场,我们将密切关注,争取迎头赶上。”

 

 
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