殷勇勤，呂友林，趙傳達(dá)，彭文林

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)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）

聲學(xué)驅(qū)魚技術(shù)研究

殷勇勤，呂友林，趙傳達(dá)，彭文林

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)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）

為解決海洋中正面臨著的人與海洋生物相互干擾的問(wèn)題，開發(fā)一款高效且環(huán)保的驅(qū)魚器，用以暫時(shí)驅(qū)離人類活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的魚類，在消除海上施工作業(yè)安全隱患的同時(shí)，保護(hù)魚類免受傷害。鑒于魚類可感知聲音，且會(huì)對(duì)一定頻率和聲壓范圍內(nèi)的聲音感到厭惡而遠(yuǎn)離，故可采用聲學(xué)原理來(lái)驅(qū)離魚類。為達(dá)到驅(qū)離效果，使用液電效應(yīng)產(chǎn)生寬頻帶復(fù)合聲波，這是一種較為簡(jiǎn)單、有效的方式。

聲學(xué)驅(qū)魚；液電效應(yīng)；頻率；電壓

0 引 言

世界各地每天都進(jìn)行著各種生產(chǎn)和建設(shè)，其中島礁、港口碼頭、鉆井平臺(tái)、河上大壩及修船造船等水上工程會(huì)對(duì)水中的生物造成傷害；而另一方面，人類的生產(chǎn)活動(dòng)也時(shí)常受到水中生物的干擾。例如：水電站的進(jìn)水口如果進(jìn)入大量的魚，會(huì)對(duì)發(fā)電設(shè)備造成重大損傷；鉆井平臺(tái)及海底管道在遇到大型魚類或魚群時(shí)也容易受損。此外，平臺(tái)在正常生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)物，這會(huì)吸引大量魚類來(lái)到平臺(tái)附近，進(jìn)而招來(lái)垂釣愛好者和漁民到其周圍捕魚，給平臺(tái)的正常作業(yè)帶來(lái)安全隱患。

為保證水下設(shè)施和水上作業(yè)的安全，解決人類與水下物種間的相互干擾等問(wèn)題，保護(hù)生態(tài)并可持續(xù)發(fā)展，需開發(fā)一套可靠的驅(qū)魚設(shè)備。這種設(shè)備保護(hù)既可以是固定式的局部區(qū)域保護(hù)，也可以是隨艦船的移動(dòng)式保護(hù)。

1 驅(qū)魚方式的選擇

目前市場(chǎng)上還沒有成熟的驅(qū)魚產(chǎn)品，為數(shù)不多的研究?jī)H限于理論驗(yàn)證和增加了魚類的研究數(shù)據(jù)。根據(jù)以往的驅(qū)魚試驗(yàn)和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，驅(qū)魚方式大致分為以下8種。

1.1 柵網(wǎng)攔魚

利用攔魚柵網(wǎng)驅(qū)魚是一種傳統(tǒng)的驅(qū)魚方法，柵條和網(wǎng)格的材料、形狀及布置間距等可根據(jù)目標(biāo)魚的種類進(jìn)行調(diào)整。該方法屬于被動(dòng)驅(qū)魚，需采用移動(dòng)工具拉著柵網(wǎng)驅(qū)魚，對(duì)體型較小的魚攔截效果較差，存在撞擊魚類、干擾結(jié)構(gòu)過(guò)水能力和運(yùn)行維護(hù)不便等諸多問(wèn)題[1-2]。

1.2 電驅(qū)魚

電驅(qū)魚的原理即：通過(guò)電擊使魚產(chǎn)生不適感，從而達(dá)到驅(qū)魚的目的。該方法在水利工程中應(yīng)用較多[3-4]，也會(huì)對(duì)魚類造成一定的物理?yè)p傷，且其電極結(jié)構(gòu)易損壞，威脅人員的生命安全。例如，神泉山水庫(kù)應(yīng)用HGL-1型電趕攔魚機(jī)，主要用來(lái)防止魚類在泄洪過(guò)程中流失[5]。

1.3 聲學(xué)驅(qū)魚

相關(guān)研究結(jié)果表明，水下聲波可用來(lái)誘魚或驅(qū)魚，關(guān)鍵技術(shù)在于準(zhǔn)確掌握能在水下發(fā)揮有效誘驅(qū)魚作用的聲波的波形、大小和頻率等[1,6]。水下聲學(xué)應(yīng)用目前發(fā)展較為成熟，采用水下聲學(xué)的方式驅(qū)魚，在工程上比較容易實(shí)現(xiàn)。

1.4 光驅(qū)魚

光與聲音一樣，也可用來(lái)誘魚和驅(qū)魚，其關(guān)鍵技術(shù)在于有效光強(qiáng)及光色等因素的選擇。研究結(jié)果表明，閃光燈也可用來(lái)驅(qū)魚。目前此方面的研究甚少，光強(qiáng)和光色選擇很困難[7-8]。

1.5 氣泡幕驅(qū)魚

相關(guān)研究結(jié)果表明，氣泡幕通常對(duì)魚有視覺、聽覺及機(jī)械壓力振動(dòng)等3種刺激，可將其作為一種驅(qū)魚方式。然而，這種方式的作用距離有限，不太適合大范圍驅(qū)魚[9-10]。

1.6 熱驅(qū)魚

每種魚類都有適宜其生存的水溫范圍，當(dāng)局部水溫上升至魚類感覺不適的溫度時(shí)，魚類會(huì)出現(xiàn)逃離行為。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)熱驅(qū)魚方面的試驗(yàn)研究，若在危險(xiǎn)水域形成一個(gè)使魚類能自主逃逸的溫度場(chǎng)，即可達(dá)到生態(tài)驅(qū)魚的目的[1]。這種方式成本較高，且會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大影響。

1.7 誘魚劑驅(qū)魚

誘魚劑驅(qū)魚主要是利用食物及氣味達(dá)到驅(qū)魚的目的，一般以誘為主，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究較多。然而，魚食會(huì)污染水體，對(duì)環(huán)境有一定影響。

1.8 水流驅(qū)魚

魚類有頂流而行的特性，水流誘魚是目前國(guó)內(nèi)外過(guò)魚建筑物較多采用的誘魚方式。但若大范圍地采用該方式驅(qū)魚，會(huì)對(duì)施工作業(yè)產(chǎn)生較大影響。

綜合考慮上述驅(qū)魚方式，由于聲音在水下有衰減小、傳播速度快和影響范圍廣的特點(diǎn)，采用聲學(xué)驅(qū)魚方式效率高，無(wú)需改造水域環(huán)境且能保護(hù)生態(tài)，這種驅(qū)魚方式較為可行。

2 聲學(xué)驅(qū)魚器可行性分析

2.1 魚類感聲研究

魚類的感聲系統(tǒng)包含內(nèi)耳、側(cè)線、鰾和氣囊等器官，由這些器官綜合感知聲波或水體中的振動(dòng)。魚類的內(nèi)耳器官通常能感知16～1300Hz的振動(dòng)；側(cè)線能感知10～150Hz的振動(dòng)，最適宜的頻率為50～100Hz；有些魚類的內(nèi)耳下部有一塊“韋伯爾”小骨，能增強(qiáng)對(duì)聲音的靈敏度；魚鰾作為聲的共鳴腔，對(duì)聲的反射強(qiáng)度大，在低頻時(shí)會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，此信號(hào)傳至內(nèi)耳，能極大地提高聽覺的靈敏性。有試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)對(duì)某些魚類采取摘除鰾措施或鰾不充氣時(shí)，其對(duì)聲音的靈敏度則下降35～40dB。魚鰾隨魚體的生長(zhǎng)而生長(zhǎng)，直到魚體停止生長(zhǎng)?？傮w上看，魚鰾的體積約占魚體的 5%，因此魚鰾的大小與魚的大小有關(guān)，魚類的感聲能力也因魚的大小而有所不同。

相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，一般的魚類可聽到頻率為 500～600Hz的聲音，超出該頻率范圍，魚類的聽力相對(duì)較差。當(dāng)然，不排除個(gè)別魚種會(huì)因身體的特殊構(gòu)造而對(duì)聲音的感知頻率超出該頻段。魚類能感知一定頻率的聲音，而當(dāng)聲音達(dá)到一定的聲壓級(jí)之后會(huì)產(chǎn)生恐慌，對(duì)突發(fā)性聲音更為敏感。有試驗(yàn)結(jié)果表明，一般的魚類對(duì)140～160dB的聲壓有受驚嚇的反應(yīng)。

對(duì)部分已有試驗(yàn)進(jìn)行歸納，得到部分魚類對(duì)聲音的感知情況（見表1）[6]。

表1 部分魚類對(duì)聲音的感知情況

2.2 聲學(xué)驅(qū)魚器分析

根據(jù)對(duì)魚類的聲學(xué)研究及表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不同種類的魚對(duì)不同頻率和不同聲壓級(jí)的聲音的感知能力是不同的，一般的魚類對(duì)1.3kHz以下頻率的聲音是有感知的，對(duì)600Hz以下頻率的聲音感知能力最強(qiáng)，對(duì)特定頻率的140～160dB聲壓級(jí)突發(fā)性聲音有受驚嚇的反應(yīng)，因此采用聲學(xué)的原理設(shè)計(jì)驅(qū)魚器是可行的。

此外，國(guó)際上現(xiàn)有的驅(qū)豚器就是采用聲學(xué)的原理驅(qū)離海豚的。1996年和1997年在芬迪灣和丹麥進(jìn)行過(guò)大量試驗(yàn)，結(jié)果顯示適合漁網(wǎng)的聲學(xué)驅(qū)離系統(tǒng)可在很大程度上減少副漁獲。例如，在歐洲使用的驅(qū)豚器AQUAmark100和AQUAmark200發(fā)射的聲波頻率為10kHz±2kHz，已在商業(yè)方面應(yīng)用數(shù)年，有效佐證了利用聲學(xué)原理驅(qū)魚的可行性。

由于海魚種類繁多，相關(guān)研究資料有限，利用聲學(xué)原理驅(qū)魚不能適用所有魚類。但是，依據(jù)上述原理和已有的研究成果，為了使該驅(qū)魚方式對(duì)絕大多數(shù)的魚類都有效果，可將驅(qū)魚設(shè)備的發(fā)聲頻率和聲壓范圍盡量擴(kuò)大，做到有備無(wú)患。

3 聲學(xué)驅(qū)魚器的設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)魚器水下聲源選擇

聲學(xué)驅(qū)魚器需在水下發(fā)出令魚類感到厭惡或害怕的聲音，如何選擇水下聲源是首要問(wèn)題。根據(jù)發(fā)聲原理的不同，水下聲源可大致歸納為炸藥爆炸發(fā)聲、電聲換能器聲源、參量陣聲源、流體動(dòng)力式聲源、電磁式聲源、激光聲源和等離子體聲源等7種。從環(huán)保和高效來(lái)看，適合做驅(qū)魚器聲源的主要有電聲換能器聲源、參量陣聲源、電磁式聲源和等離子體聲源，這些聲源都采用電能轉(zhuǎn)換為聲能的形式。

3.1.1 電聲換能器聲源

電聲換能器聲源是利用電聲換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，不同材質(zhì)的電聲換能器在性能方面會(huì)有很大差異。壓電陶瓷是應(yīng)用最廣泛的電聲換能器材料，但因發(fā)射功率受到工作頻率、功率容量和空化等因素的限制，使得信號(hào)的帶寬和功率都有一定的物理限制[11]。

3.1.2 參量陣聲源

參量陣聲源的基本原理是使用發(fā)射器（通常由超聲換能器組成）同時(shí)發(fā)出2個(gè)頻率相近的大振幅高頻波，這些大振幅高頻波在水中傳播時(shí)具有非線性特性，會(huì)形成差頻波及和頻波，由于2個(gè)高頻波的頻率非常相近，因此差頻波的頻率很低，具有很強(qiáng)的穿透力，故多利用差頻波對(duì)水深進(jìn)行精確測(cè)量[11]，其能量不足以驅(qū)離魚群。

3.1.3 電磁式聲源

電磁式聲源的原理是利用瞬間的電磁感應(yīng)產(chǎn)生的力量迫使金屬板迅速“轟擊”周圍的水介質(zhì)，從而形成聲脈沖向外輻射出去?，F(xiàn)代的醫(yī)療領(lǐng)域中通常會(huì)用到該技術(shù)，即采用裝有聲聚焦裝置的電磁式聲源進(jìn)行體外沖擊波碎石[11]。

3.1.4 等離子體聲源

等離子體聲源是采用液電效應(yīng)的原理將高功率脈沖電容器存儲(chǔ)的能量在液體中瞬間釋放，形成巨大的脈沖電流，從而將電能直接變成爆炸式的機(jī)械能，形成超聲速的激波向外傳播，進(jìn)而衰減成強(qiáng)聲脈沖[11]。

為確保驅(qū)魚器對(duì)絕大多數(shù)魚類都有效果，其聲波需覆蓋絕大部分魚類感知的頻率和聲壓，比較簡(jiǎn)單、有效的方式是將聲波設(shè)計(jì)成寬頻帶的復(fù)合聲波，且其聲壓＞160dB的突發(fā)性聲音。這里對(duì)聲音有2方面要求，即：能發(fā)出復(fù)合的寬頻帶聲波；能發(fā)出足夠聲壓級(jí)別突發(fā)性聲音。鑒于此，選擇等離子體聲源較為合適，因?yàn)槠浒l(fā)聲能量足夠大，復(fù)合聲波的頻率分布十分均勻，頻帶也足夠?qū)挕?/p>

3.2 驅(qū)魚器具體設(shè)計(jì)

若采用等離子體聲源的發(fā)聲方式，則根據(jù)其水中脈沖放電（液電效應(yīng)）原理（見圖1），能量需首先經(jīng)過(guò)高功率脈沖電容器的積蓄，然后經(jīng)開關(guān)傳遞到水下放電電極，待充電到高壓狀態(tài)后連通開關(guān)，電容的電量經(jīng)水下電極迅速釋放，產(chǎn)生極強(qiáng)的放電電流，形成球狀等離子體區(qū)域，該區(qū)域中的水迅速汽化、膨脹并引起爆炸，形成強(qiáng)烈的沖擊波向外傳播，最后衰減成聲脈沖。

此外，對(duì)驅(qū)魚器的控制有能量釋放的時(shí)間間隔和能量的大小2方面的要求。驅(qū)魚器對(duì)能量釋放的時(shí)間間隔應(yīng)設(shè)計(jì)為可控形式，因?yàn)樯锒季哂羞m應(yīng)性。當(dāng)聲響均以相同時(shí)間間隔發(fā)射生成時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的適應(yīng)期，此聲響對(duì)魚的驅(qū)離效果會(huì)大大減弱。因此，可將發(fā)射的時(shí)間間隔設(shè)定為隨機(jī)模式，即設(shè)定為充電時(shí)間的N倍，N可變。此外，每次聲波發(fā)射的能量大小在達(dá)到驅(qū)魚效果的范圍內(nèi)采用隨機(jī)模式，也可增強(qiáng)驅(qū)魚器的效果。

通過(guò)對(duì)比中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二六研究所某項(xiàng)目的試驗(yàn)實(shí)施結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)電容充電使電壓達(dá)到6000V左右時(shí)，通過(guò)水下電極陣放電產(chǎn)生強(qiáng)脈沖聲波，頻譜在DC～10kHz內(nèi)基本上是均勻分布的，在10kHz以后衰減；其強(qiáng)脈沖聲波時(shí)域波形見圖2，強(qiáng)脈沖聲波功率譜見圖3。此種聲波為復(fù)合寬頻帶聲波，將其與魚類的感聲指標(biāo)對(duì)比可知，其能覆蓋大部分魚類，因此該設(shè)備可用來(lái)驅(qū)魚。

依照此種方式，一套完整的驅(qū)魚器需有一個(gè)高功率的脈沖電源，用來(lái)控制能量的積蓄和釋放；需有一個(gè)水下放電電極陣，作為發(fā)聲單元；需有一個(gè)顯示控制單元，置于控制室，以方便人員操控設(shè)備。此外，為便于電極陣的收放，還可根據(jù)具體的安裝區(qū)域設(shè)計(jì)合適的電極陣收放方式，例如電纜盤及滑軌等。水下聲學(xué)驅(qū)魚器設(shè)備構(gòu)成見圖4，設(shè)備的工作原理見圖5，其中虛線箭頭為控制線路。

3.3 驅(qū)魚效果檢驗(yàn)

對(duì)于驅(qū)魚器效果的檢驗(yàn)，由于淡水和海洋中的環(huán)境及魚的種類均不相同，因此需在淡水環(huán)境及海洋環(huán)境中分別挑選不同種類、不同大小的魚來(lái)試驗(yàn)。

3.3.1 試驗(yàn)環(huán)境

聲波在水中按照球面波衰減，由球面波衰減公式可得

式(1)中：Lp為聲壓級(jí)；Lw為聲功率（為固定值）；r為與聲源的距離。

由式(1)可知，與聲源間的距離每增加1倍，實(shí)際聲壓只衰減6dB。以此類推，若將距離聲源1m處的聲壓級(jí)定義為聲源級(jí)，假設(shè)存在一個(gè)聲源級(jí)為 220dB的聲波，則根據(jù)式(1)可得出不同距離內(nèi)的聲壓級(jí)見表2。

表2 不同距離的聲壓級(jí)（衰減）

綜上所述，若試驗(yàn)區(qū)域比較小，則聲波衰減有限，再加上魚池各處對(duì)聲波的反射使得水域內(nèi)各處的聲波強(qiáng)度相差不大，魚沒有躲避的空間，致使試驗(yàn)不能成功。因此，試驗(yàn)水域需足夠大，使魚有躲避聲波的空間。

另外，通過(guò)公式的計(jì)算并對(duì)比某種魚對(duì)聲壓的反應(yīng)，便可大致知道該設(shè)備對(duì)此種魚的有效驅(qū)離范圍。例如：對(duì)于日本鳀，其在頻率為300Hz，聲壓級(jí)在146.8dB以上的聲音環(huán)境里受驚嚇最強(qiáng)烈；若設(shè)備在300Hz頻率的環(huán)境里聲壓級(jí)為180dB，則其對(duì)此種魚的有效驅(qū)離范圍為50m左右。

3.3.2 試驗(yàn)證明

由于魚的種類繁多，試驗(yàn)不能包含全部情況。上文已確認(rèn)中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七二六研究所某項(xiàng)目設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)覆蓋國(guó)際公認(rèn)的大部分魚類的聲學(xué)指標(biāo)，現(xiàn)只需用若干種魚類的驅(qū)魚效果來(lái)驗(yàn)證該聲學(xué)指標(biāo)的正確性。通過(guò)在海洋石油平臺(tái)和錦鯉魚池內(nèi)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn)設(shè)備對(duì)海洋魚類和淡水魚類的驅(qū)離效果，試驗(yàn)結(jié)果證明設(shè)備是具有驅(qū)魚效果的。

1 ) 經(jīng)海洋石油平臺(tái)試驗(yàn)，受限于海水渾濁及海洋環(huán)境復(fù)雜多變，無(wú)法直接觀察水中魚群的反應(yīng)，因此通過(guò)采用探魚器探測(cè)魚群的位置變化來(lái)間接檢驗(yàn)驅(qū)魚效果。將探魚器的探頭裝于驅(qū)魚器電極陣附近，由探魚器的探測(cè)結(jié)果可知，探測(cè)到的魚群在設(shè)備開機(jī)5min后消失了，且反復(fù)試驗(yàn)數(shù)次結(jié)果是一致的，證明該效果為驅(qū)魚器所致，故該設(shè)備的驅(qū)魚效果較好。

2 ) 對(duì)于錦鯉魚池試驗(yàn)，由于錦鯉魚在覓食時(shí)會(huì)浮于水面，便于用肉眼觀察魚群的反應(yīng)，因此選擇錦鯉魚作為試驗(yàn)對(duì)象。在準(zhǔn)備的魚池內(nèi)放入若干錦鯉，用魚食將魚群吸引至放電電極陣周圍之后開啟設(shè)備，發(fā)現(xiàn)魚群遠(yuǎn)離電極陣游動(dòng)，且逃離反應(yīng)劇烈。此外，在試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，每次試驗(yàn)之后用魚食能吸引到電極陣附近的魚群數(shù)量在減少，說(shuō)明魚群對(duì)驅(qū)魚器的懼怕超過(guò)了對(duì)魚食的渴望，證明驅(qū)魚器具有很好的驅(qū)魚效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前市場(chǎng)上還沒有針對(duì)多種魚類的較為成熟的驅(qū)魚器產(chǎn)品，但在水電站、石油平臺(tái)等多種場(chǎng)所都會(huì)用到驅(qū)魚技術(shù)，因而開發(fā)一款可有效驅(qū)離大部分魚類的驅(qū)魚器是有市場(chǎng)需求和經(jīng)濟(jì)效益的。

保護(hù)魚類是驅(qū)魚器的一個(gè)重要作用，因此驅(qū)魚器不應(yīng)對(duì)水下魚類產(chǎn)生傷害，特別是不能對(duì)水下哺乳類魚類（鯨魚、海豚等）的聲吶系統(tǒng)產(chǎn)生傷害。

此外，高功率電源因在發(fā)射時(shí)需匯聚能量，其發(fā)射端有高壓，應(yīng)有高壓的標(biāo)志；由于強(qiáng)脈沖對(duì)水下作業(yè)人員的聽力也有一定的沖擊，故對(duì)水下發(fā)聲區(qū)域應(yīng)設(shè)有危險(xiǎn)警示標(biāo)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，工程師，1981年生。畢業(yè)于南京信息工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)從事船舶自動(dòng)化控制方面的研究。