冰中縱波聲速測量方法研究

白 金

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

0 引 言

20世紀末，國際海洋界逐漸開始重視極地水聲學研究，北極地區具有與其他海域顯著不同的聲傳播環境，由于冰層的存在，形成了一個有利于船舶低頻噪聲傳播的波導條件。美國從二戰后逐漸開始了極地聲學研究，1994年橫跨北極聲傳播實驗(Transarctic acoustic propagation experiment，TAP)項目首次開展了橫跨北極的聲傳播實驗，為北極的海冰散射、聲傳播以及混響模型的驗證提供了重要的數據[1]；1998年美國和俄羅斯聯合開展了北極冰下聲氣候觀測(Arctic climate observation using underwater sound，ACOUS)項目，進行了1 250 km低頻聲傳播和通信試驗[2]；2016年美國冰原演習(ice exercise 2016，ICEX16)在波弗特海進行了水下無人平臺的布放、導航及回收實驗，其中使用射線模型解釋了3 km距離處導航性能下降的原因[3]。我國近年來也在極地冰區開展了聲傳播特性實驗研究，2016年第7次北極科學考察中科院聲學所首次開展了北極聲傳播和擴頻通信實驗[4]；2017年海洋三所在第8次北極科學考察中開展了冰下聲傳播的多途效應及聲場變化規律研究[5]；針對冰層下水聲通信問題，哈爾濱工程大學利用松花江冬季冰層開展了冰下信道測試、冰層散射系數測量以及冰下水聲通信等系列試驗研究，掌握了冰層、冰下信道特性及其對水聲通信的影響[6]。從以上研究中發現，由于冰介質結構及形成過程的復雜性，使其聲學特性存在差異，忽略每種冰的固有特性，將使結果產生誤差，冰介質的聲學特性對冰區水聲學研究具有較大影響。

針對冰介質聲學特性的研究，20世紀90年代美國塞勒斯伍茲霍爾研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）利用層析測井理論和實驗方法，確定了加拿大海域的冰層聲速剖面[7]；2011年由美、德主導的研究機構利用南極聲學測試系統（South pole acoustic test setup，SPAT）測量了南極冰層在190～500 m深度冰介質的聲學參數[8]；2005年中國國家海洋檢測中心利用相對時差測量方法對渤海海冰聲速參數進行了測定[9]；2016年冬季哈爾濱工程大學在黑龍江省松花江流域進行了冰介質中縱波聲速的測量實驗，并利用經驗公式對冰層聲速垂直剖面進行推算[9]。

本文在上述研究的基礎上，針對不同物理性質的冰介質，研究直達法獲取冰中縱波聲速的測量方法，分別對渤海海冰、湖冰、人造淡水冰進行聲速測量，分析了該方法的測量精度及誤差產生的原因，利用公開文獻結果驗證了方法和測試數據的有效性，對進一步提高該方法的測量精度提出了改進意見。

1 海冰結構特征與冰中縱波聲速

海冰的形成和發展不僅由表面海水降溫所決定，而且與海水密度、鹽度、水深以及海水湍流和凝結核等密切相關。淡水冰在正常情況下是均勻的晶體結構，相比于淡水冰，海冰的凍結過程更加復雜，其中夾雜大量雜質，如氣泡、鹵水、固體顆粒等，與以往常見聲傳播介質存在很大區別。對不同狀態的冰，因其結構及成分區別較大，因此其聲學特性及聲學參數有較大區別。具體聲學特性由海冰本身狀態決定，其測試結果與樣品測試環境，測試過程密切相關，每次測量值與理論預測值相比均有小幅度波動，因此只能給出一個整體的聲速范圍。歷史資料中數據，海冰聲速大致為3 000～3 600 m/s[10-11]。以此為參考，在實驗室通過直達法對渤海海冰進行聲速測量，討論測量方法的有效性。

2 直達法聲速測定原理與方法

將發射換能器和接收換能器分別放置于冰樣品軸向的兩端，同時通過標尺讀取樣品長度。垂發射采集模塊產生的小振幅聲波信號經放大模塊后傳輸給發射模換能器，發射換能器在冰介質內激發縱波信號，傳播后被接收換能器接收。采集電路對接收到的聲波信號進行前置放大、初始濾波和A/D轉換等處理后進行數據存儲。由射線方程推算冰介質中的聲速，采用直達測試法測量冰介質中縱波聲速時，計算公式如下：

式中：V為冰樣品中縱波聲速，m/s；L為冰樣品長度，mm；L0為標尺零點，mm；t1為冰中聲信號到達時間， m s ；t0為換能器時延，m s。

聲學測量模塊由聲波發射單元、聲波接收單元、聲學換能器單元和控制單元組成。測量時將冰介質看做各項同性材料，聲信號發射頻率100 kHz，信號形式為單頻3周期脈沖信號，采樣率8 MHz。

3 測量誤差與結果分析

實驗海冰樣本采集于122.226°E，40.424°N處，湖冰樣本采集于126.911 5°E，43.649°N處，淡水冰介質采取實驗室恒溫凍結。海冰、湖冰各采集8塊作為試件，并將其加工為10×10×20 cm。所有冰均保存于-20℃恒溫環境1周以上，以保證測試時所有試件溫度一致，此次測試忽略溫度引起的誤差。

3.1 測量方法誤差分析

海冰長度測量采用測試系統自帶的電子游標卡尺，測量精度0.1 mm。當測試夾具夾緊冰試件時由于夾具受力不均勻造成夾具微變形，使冰樣本長度測量產生誤差，目測誤差小于2 mm。若樣品長度為200 mm，聲速為3 600 m/s，則由于夾具變形造成的聲速測量誤差為±36 m/s。

應用式（1）計算冰中縱波聲速時，t0及t1的選取采用手動拾取法。為了降低測試儀器的系統誤差提高信噪比，從而更準確的選取起跳點，采用多次測量取平均值的方式降低系統誤差。圖1為單次測試信號，圖2為100次測量平均值，可以看出取平均后的信號更加光順，起跳點更加明顯。

圖1 測試設備圖Fig. 1 Test equipment

通過多次平均后信號前端零值得到明顯平滑，但仍有微小起伏，為了量化這一微小起伏對測量精度的影響，通過界定波形閾值范圍，限定起跳點取值區間，如圖3所示。圖中線1為多次平均后信號，線2為信號前端零值上下限閾值，線3為信號起跳點，線

圖2 單次測量結果Fig. 2 Single measurement result

4為根據閾值確定的信號起跳點誤差區間范圍，通過多組信號估計該誤差約為±1 μs，則由于計時誤差引起的聲速測量誤差約為±65 m/s。根據上述起跳點選取方法分別對無冰和有冰時的信號進行處理，如圖4所示，進而得到冰介質樣品中聲傳播時間。

圖3 多次測量平均值Fig. 3 Multiple measurement results

圖4 信號起跳點選取及其誤差Fig. 4 Signal take-off point selection and error analysis

3.2 測量結果分析

采用上述測量方法對海冰、湖冰、淡水冰分別選取8個樣品進行縱波聲速測量，每一樣品測量10次，每次測量為降低測量誤差均按上述誤差處理方法取100個信號的平均值進行分析，結果如圖5所示。

聲速測量結果按下式表達：

圖5 接收時域信號Fig. 5 Receiving time domain signal

式中：E為測量均值， σ 為標準差。

圖5中●為海冰，■為湖冰，▲為人造冰，其聲速值為10次測量結果的均值，為了觀察方便圖中誤差條顯示為 3 σ。

根據圖5測試結果，將每種冰8個樣品的測試結果進行統計，得到海冰縱波聲速為3 360±162 m/s，湖冰縱波聲速為3 772±57 m/s，人造冰縱波聲速為3 729±23 m/s，測試結果與文獻[10 - 11]結果相近。根據測試結果可知，海冰樣品中聲速測量結果的標準差最大，湖冰次之，人造冰最小，這是由于不同海冰所含雜質、鹽度、孔隙率等固有性質差異造成的，而湖冰每一樣品間固有差異較小，因此其聲速差異較小，人造冰在實驗室可控條件下制成，性質一致，因此聲速差異最小；海冰較淡水冰（湖冰、人造冰）聲速低，這是由于海冰物理性質與淡水冰差異較大，由于雜質的存在及形成過程的不同，與淡水冰相比海冰結構更加復雜且“疏松”，因此聲速較低，湖冰雜質少鹽度低，與人造冰性質基本一致，因此其聲速與人造冰相近；湖冰聲速樣本均值比人造冰略大，可能是由于湖冰冰齡較長（約3個月），且形成過程緩慢，而人造冰冰齡較短（7天），且通過淡水速凍而成，從而產生差異，但也不排除樣本數量較少的可能，需通過后續研究進一步確認。

上述直達法測量冰中縱波聲速工作中，若增加冰介質樣品長度，會使尺寸測量誤差減小，同時增加了聲傳播距離延長傳播時間，進而使時間測量精度得到提高。但隨著傳播距離的增加，聲能將逐漸衰減，可能導致信號起跳點選取不準確產生時間測量誤差；另一方面，提高聲波頻率能夠減小信號脈沖寬度，從而提高起跳點選取精度，但同樣存在高頻聲信號衰減問題。綜上所述，后續研究中可通過增加樣品長度、提高信號頻率或采用大尺度原位測量法進一步提高聲速測量精度，但需綜合考慮聲傳播衰減問題。

4 結 語

本文研究直達法測量冰中縱波聲速的方法，對海冰、湖冰、人造冰中縱波聲速進行了測量與統計分析，結論如下：

1）冰中縱波聲速與冰介質固有屬性密切相關，測試樣品中海冰縱波聲速約為3 360±162 m/s，湖冰3 772±57 m/s，人造冰3 729±23 m/s，海冰縱波聲速總體上低于淡水冰，樣品間差異較淡水冰大；

2）采用直達法測量樣品長度在200 mm左右的冰中縱波聲速時，樣品長度測量產生的縱波聲速誤差約為±36 m/s，傳播時間產生的誤差約為±65 m/s，該方法對冰中縱波聲速的測試結果與公開文獻相近，可用于冰中聲速研究；

3）增加樣品長度、提高發射頻率或采用大尺度原位測量技術可進一步降低聲速測量誤差，但需考慮隨之產生的聲信號衰減問題。

對冰介質的溫度、鹽度、密度等物理參數及彈性模量、泊松比等力學參數本次試驗沒有進行相關測量，對于這些冰介質固有屬性對聲速的影響需開展進一步研究，同時本次測量所采用的設備無法獲取冰中橫波聲速，在后續研究中也需做進一步改進。