牛富強(qiáng),李智,薛睿超,馬麗,楊燕明

(1.自然資源部第三海洋研究所 廈門(mén) 361005;2.長(zhǎng)江三峽集團(tuán)福建能源投資有限責(zé)任公司 福州 350001)

0 引言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)利用的升溫,我國(guó)海洋工程數(shù)量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)圍填海、海上堤壩、跨海橋梁、海底管道、海洋礦產(chǎn)資源勘探開(kāi)發(fā)等海洋工程數(shù)量以每年400多個(gè)快速遞增,這些涉海工程建設(shè)及民用船運(yùn)增加等帶來(lái)的水下噪聲污染,給賴以回聲定位系統(tǒng)生存的海洋哺乳動(dòng)物和部分魚(yú)類帶來(lái)影響甚至傷亡[1-2],影響了海洋生物多樣性。人為水下噪聲對(duì)海洋生物影響研究,已成為國(guó)際社會(huì)的關(guān)注熱點(diǎn)[3-5]。《國(guó)際保護(hù)野生動(dòng)物遷移公約》敦促各成員國(guó)應(yīng)進(jìn)行水下噪聲的環(huán)境評(píng)價(jià)并采取緩解措施,形成水下噪聲影響海洋生物的評(píng)估指南。2018年6月18—22日,聯(lián)合國(guó)UN(United Nations)召開(kāi)的第十九屆海洋與海洋法非正式磋商會(huì)議(ICP-19)主題即為“人為水下噪聲”,會(huì)前號(hào)召各國(guó)提交有關(guān)水下噪聲對(duì)海洋生物影響的科研素材,然而我國(guó)因相關(guān)研究匱乏而沒(méi)有提交資料,限制了話語(yǔ)權(quán)。認(rèn)識(shí)和了解水下噪聲對(duì)海洋哺乳動(dòng)物、魚(yú)類以及其他生物的影響,對(duì)海洋生物多樣性和海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。目前,水下噪聲對(duì)海洋生物的影響程度、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、管控機(jī)制仍不健全,亟須不斷完善。為評(píng)價(jià)水下噪聲對(duì)海洋生物影響,水下噪聲的規(guī)范測(cè)量是關(guān)鍵技術(shù)。

水下沖擊打樁是一種典型的人為水下噪聲源,廣泛存在涉海工程建設(shè)中,如近海海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè),近海油氣工業(yè)平臺(tái)施工和錨系,跨海、河口、港口、碼頭等基礎(chǔ)和橋梁支撐建設(shè),水上可再生能源設(shè)備的錨系和安裝等。打樁作業(yè)過(guò)程,聲源從水表面延伸至海底或河底,將產(chǎn)生水中聲波、空氣中聲波、海底聲波和海底表面振動(dòng)等;而淺水環(huán)境引起大量的混響、水體和海底或河底的相互作用,強(qiáng)烈地影響聲音傳播。水下沖擊打樁產(chǎn)生聲音的機(jī)理復(fù)雜,雖然理論建模已經(jīng)成為評(píng)估打樁水下噪聲的有效手段之一,但這種手段預(yù)測(cè)水下噪聲需要大量的參數(shù),如樁基、水文、底質(zhì)等,并且準(zhǔn)確度難以驗(yàn)證,不適合實(shí)際涉海工程應(yīng)用。因此,打樁作業(yè)期間的水下噪聲測(cè)量非常必要。

國(guó)外開(kāi)展了較多水下打樁噪聲的測(cè)量,但由于采用不同的聲學(xué)指標(biāo),造成方法之間對(duì)比困難,并且往往只能為個(gè)別國(guó)家的需求提供指導(dǎo)[6-10]。德國(guó)規(guī)定水下沖擊打樁噪聲測(cè)量通常在750 m的距離點(diǎn)進(jìn)行;美國(guó)的測(cè)量距打樁點(diǎn)通常為10 m;而英國(guó)和荷蘭通常在多個(gè)距離點(diǎn)測(cè)量[10-11]。為規(guī)范水下沖擊打樁噪聲測(cè)量,2017年,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(International Organization for Standardization,ISO)頒布了通用的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)[12]。國(guó)內(nèi)開(kāi)展相關(guān)研究較晚,蘇冠龍等[13]測(cè)量了廈門(mén)五緣灣碼頭擴(kuò)建工程水下打樁噪聲,監(jiān)測(cè)點(diǎn)距打樁點(diǎn)約50 m;吉新磊等[14]對(duì)海上風(fēng)機(jī)打樁水下噪聲進(jìn)行了監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)同樣為50 m;時(shí)文靜等[15]洪湖新港施工中的打樁作業(yè)進(jìn)行了水下噪聲監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)距打樁點(diǎn)分別為59 m、102 m、186 m和362 m;汪啟銘[16]采用走航式測(cè)量法在距打樁點(diǎn)200 m、500 m和1 000 m處對(duì)水下打樁噪聲進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。總體看,目前國(guó)內(nèi)開(kāi)展水下沖擊打樁噪聲測(cè)量較少,監(jiān)測(cè)距離、監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)測(cè)方式以及分析指標(biāo)存在差異,缺乏統(tǒng)一的水下沖擊打樁噪聲測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),實(shí)際涉海工程中,測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性難以保證,給后續(xù)影響評(píng)價(jià)造成困難。因此,本研究從聲學(xué)指標(biāo)、測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)量布放、聲學(xué)測(cè)量配置、測(cè)量不確定性等方面,詳細(xì)闡述了水下沖擊打樁噪聲的測(cè)量系統(tǒng)、方法和步驟,能夠應(yīng)用于不同法規(guī)需求,形成水下沖擊打樁噪聲測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),為監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的環(huán)境影響評(píng)、海洋生物生態(tài)保護(hù)等提供技術(shù)支撐。

1 測(cè)量系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

水下沖擊打樁噪聲測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)包括測(cè)量水聽(tīng)器(陣)、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等(圖1)。測(cè)量系統(tǒng)可由上述單個(gè)部件由電纜連接而成,也可作為一個(gè)集成系統(tǒng),提供自容式記錄系統(tǒng)。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量水聽(tīng)器應(yīng)具有全方向性響應(yīng),其靈敏度應(yīng)根據(jù)待測(cè)量聲壓幅度來(lái)選擇一個(gè)恰當(dāng)值。對(duì)于低幅度值的信號(hào),為避免低信噪比,應(yīng)選擇高靈敏度水聽(tīng)器;對(duì)于高幅度值的信號(hào),為避免非線性、剪切和系統(tǒng)飽和,應(yīng)選擇低靈敏度水聽(tīng)器。由于水下沖擊打樁屬于高幅度聲壓,并且測(cè)量信號(hào)的畸變會(huì)使得失去測(cè)量值,因此靈敏度的選擇對(duì)于水下沖擊打樁的測(cè)量是非常重要的。為了增加適應(yīng)性,在信號(hào)放大階段或模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,最好具有一些可選擇的增益。一旦一些初始測(cè)量值確定聲級(jí)之后,就可以將這些值設(shè)置為合適的值。注意對(duì)于自主式和水聽(tīng)器含有集成前放增益的測(cè)量系統(tǒng),布放之后增益通常是不能修改的。如果實(shí)際工程中,需要測(cè)量海洋背景噪聲,應(yīng)選擇低噪聲、高靈敏度的水聽(tīng)器。信號(hào)調(diào)理部件可以作為系統(tǒng)獨(dú)立單元用于調(diào)整增益,或者作為固定增益集成在水聽(tīng)器中。為滿足實(shí)現(xiàn)測(cè)量位置的最高預(yù)期聲壓,能夠如實(shí)記錄外界信號(hào)而不會(huì)引起由水聽(tīng)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器帶來(lái)的失真或過(guò)載,需要選擇合適的調(diào)整增益。

數(shù)據(jù)采集的頻率響應(yīng)具有足夠高的頻率,至少應(yīng)為最高分析頻率的2.56倍～4倍,使得待測(cè)量信號(hào)的所有感興趣頻段的記錄都是可信的。對(duì)于水下沖擊打樁測(cè)量,理想的最小采集頻率范圍要求小于或等于20 Hz,且大于或等于20 k Hz。但在非常淺的水域,由于低頻聲波不能傳播,不足20 Hz的聲音頻率測(cè)量是非常困難的[17]。此外,低頻率的聲信號(hào),普遍會(huì)受到諸如流噪聲和電纜抖動(dòng)的影響。因此實(shí)際工程測(cè)量中,一般不對(duì)20 Hz以下頻段進(jìn)行分析。如實(shí)記錄水下沖擊打樁聲壓信號(hào)的幅度,需要足夠的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍,一般要求超過(guò)60 dB。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量應(yīng)滿足一個(gè)測(cè)試周期、采樣率和通道數(shù)同時(shí)連續(xù)工作的需要。如果為了增加存儲(chǔ)容量,通常使用數(shù)據(jù)壓縮格式,但使用的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)應(yīng)是無(wú)損的,或者對(duì)數(shù)據(jù)的影響應(yīng)加以闡明。為便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析,應(yīng)該存儲(chǔ)任何關(guān)鍵輔助數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù),例如時(shí)間、增益、采樣率等。

1.2 系統(tǒng)校準(zhǔn)

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)該在感興趣的頻帶內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn),包括水聽(tīng)器、放大器、采集系統(tǒng)等。水聽(tīng)器校準(zhǔn)應(yīng)采用國(guó)內(nèi)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),在專門(mén)的計(jì)量部門(mén)進(jìn)行。水聽(tīng)器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)通常以一系列離散頻率表示,或以校準(zhǔn)曲線的形式表示。如果在對(duì)水聽(tīng)器靈敏度進(jìn)行校正之前,記錄的數(shù)據(jù)已被處理為1/3倍頻程,所需的校準(zhǔn)值是每個(gè)頻帶的平均靈敏度。如果水聽(tīng)器靈敏度曲線不是平的,就不能假定頻帶內(nèi)是一個(gè)常數(shù)值。放大器和采集系統(tǒng),目前國(guó)內(nèi)還未有專門(mén)的計(jì)量部門(mén),一般采用自?；虮葘?duì)的方式。校準(zhǔn)后,水聽(tīng)器和采集系統(tǒng)的不確定度能夠優(yōu)于1 dB(以95%置信區(qū)間表示)。校準(zhǔn)的時(shí)間周期一般不超過(guò)兩年,并且長(zhǎng)期布放和海上試驗(yàn)前后,還應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)檢查?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)檢查,通常使用一個(gè)商用的水聽(tīng)器校準(zhǔn)器(如B&K4229),它能為水聽(tīng)器提供在某個(gè)頻率(通常250 Hz)已知幅度的信號(hào)。校準(zhǔn)器通常由一個(gè)空氣活塞話筒組成,當(dāng)水聽(tīng)器插入一個(gè)小型耦合器時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)已知聲壓級(jí)的信號(hào)。當(dāng)插入水聽(tīng)器時(shí),聲壓取決于耦合器內(nèi)的自由體積,可為每種類型的水聽(tīng)器校準(zhǔn)。雖然該校準(zhǔn)器只提供一個(gè)頻率的檢查,但它能夠滿足實(shí)際工程測(cè)量需求。

2 測(cè)量布放

2.1 測(cè)量方式

水下沖擊打樁噪聲測(cè)量方式一般包括船基測(cè)量、錨系測(cè)量和漂流測(cè)量3種。船基測(cè)量系統(tǒng)放置在船上,可實(shí)時(shí)記錄顯示;錨系測(cè)量和漂流測(cè)量一般采用自容式測(cè)量。

船基測(cè)量時(shí),從一艘拋錨或漂泊的船上布放水聽(tīng)器(單獨(dú)地或組陣),分析和記錄設(shè)備仍舊留船上。這種方法優(yōu)點(diǎn)是布放快速、可移動(dòng),并且可以相當(dāng)經(jīng)濟(jì)有效地覆蓋一個(gè)相對(duì)較大的區(qū)域;設(shè)備丟失的風(fēng)險(xiǎn)低,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù),及時(shí)調(diào)整設(shè)備參數(shù)設(shè)置以獲取最佳質(zhì)量數(shù)據(jù)(如避免失真和飽和)。這種方法適合測(cè)量水下沖擊打樁噪聲,特別是需要去測(cè)量作為聲源距離函數(shù)的聲場(chǎng),但易受到某些類型的平臺(tái)相關(guān)噪聲的影響。

錨系測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)船基測(cè)量更好地替代系統(tǒng),能夠提供打樁過(guò)程中多個(gè)固定距離的測(cè)量。當(dāng)聲源輸出隨距離變化時(shí)(通常出現(xiàn)在沖擊打樁),這種方式是非常重要的。相對(duì)于船基測(cè)量,底部錨系測(cè)量能夠更好地減少表面波影響產(chǎn)生的寄生信號(hào)、水聽(tīng)器遠(yuǎn)離壓力釋放的水空氣界面以及減少布放船的干擾。對(duì)于錨系測(cè)量系統(tǒng),經(jīng)濟(jì)可行的是采用自容式記錄儀。該系統(tǒng)布放回收需要一個(gè)聲學(xué)釋放器或一個(gè)與海底錨系相連的表面浮標(biāo),能夠保證記錄儀被拖出水面。目前,實(shí)際工程應(yīng)用中多采用這種測(cè)量系統(tǒng)。

漂流測(cè)量系統(tǒng)通常由一個(gè)水聽(tīng)器和記錄儀組成,與浮標(biāo)或垂錨連接,隨海流自由漂流。該系統(tǒng)流噪聲影響較小,適用于高潮流區(qū),但對(duì)漂流方向的控制存在局限性,測(cè)點(diǎn)距打樁點(diǎn)的距離變化較大。如果漂流系統(tǒng)帶有一個(gè)GPS接收機(jī)用于提供位置數(shù)據(jù),就能計(jì)算與打樁點(diǎn)的距離,從而減輕這種局限性。

水下聲壓的空間分布是與深度相關(guān)的,尤其是在水體中聲波波長(zhǎng)的1/4處,存在強(qiáng)烈的深度相關(guān)。因此無(wú)論何種布放方式,水聽(tīng)器均不能靠近水面位置布放。水聽(tīng)器的布放深度應(yīng)放置在1/2水深的下方,在距海底2 m和整體水深的1/2之間[18]。如果上述深度不切實(shí)際或者有需求去研究噪聲對(duì)海底生物的影響,可以把水聽(tīng)器放置在海底測(cè)量。實(shí)際工程測(cè)量中,通常采用多個(gè)水聽(tīng)器,一是當(dāng)一個(gè)水聽(tīng)器或測(cè)量通道發(fā)生故障時(shí),可以實(shí)現(xiàn)備份;二是相比單個(gè)水聽(tīng)器或單通道,選擇兩個(gè)具有不同靈敏度的水聽(tīng)器,能夠獲得更大的動(dòng)態(tài)范圍;三是使用多個(gè)水聽(tīng)器能夠?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。如果使用兩個(gè)水聽(tīng)器,建議布放深度為1/2水深以下的兩個(gè)深度,理想的是在1/2水深和3/4水深之間,并且盡可能使兩個(gè)水聽(tīng)器相距最大化。

2.2 布放噪聲減緩建議

除了測(cè)量系統(tǒng)本身的自噪聲,測(cè)量數(shù)據(jù)也會(huì)被來(lái)自平臺(tái)或布放方式的噪聲污染,稱為“平臺(tái)噪聲”或“布放噪聲”。這些噪聲信號(hào)是由于水聽(tīng)器和測(cè)量系統(tǒng)的布放方式及其與周圍環(huán)境的相互作用引起的,如海流、波浪等,通常是很難預(yù)測(cè)或檢測(cè)。布放平臺(tái)相關(guān)噪聲一般會(huì)增加系統(tǒng)自噪聲和背景噪聲,因此設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)及布放方式時(shí),應(yīng)盡量避免來(lái)自這些信號(hào)的污染。下面闡述一些常見(jiàn)的產(chǎn)生布放系統(tǒng)自噪聲的信號(hào)源,并給出減緩的建議。

(1)流噪聲:介質(zhì)相對(duì)于水聽(tīng)器或電纜的任何流動(dòng),都會(huì)在低頻段引起湍流壓力波動(dòng),這些波動(dòng)將引起一個(gè)壓敏水聽(tīng)器的感應(yīng),稱為流噪聲。這種噪聲在水聽(tīng)器周圍的湍流層中產(chǎn)生,并產(chǎn)生與水聽(tīng)器直徑和流速相關(guān)的低頻信號(hào)(小于100 Hz)。在高流速環(huán)境下,這是主要噪聲源。對(duì)于自容式記錄儀,水聽(tīng)器從記錄儀主體突出來(lái),加大了記錄儀外殼末端的湍流,會(huì)激發(fā)強(qiáng)烈的流噪聲。強(qiáng)烈的流體流動(dòng)也可能引起錨系的振動(dòng),并在記錄儀體內(nèi)激發(fā)共振。布放時(shí),宜采用導(dǎo)流罩或透聲防護(hù)物,使湍流層遠(yuǎn)離水聽(tīng)器。然而,這類噪聲很難消除,減緩效果微小。因此,實(shí)際工程中,水聽(tīng)器應(yīng)盡量靠近海底布放,或在潮流最小的平潮時(shí)測(cè)量。也可以采用隨海流自由漂移的漂流系統(tǒng),使水聽(tīng)器和介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)大大減小來(lái)減緩流噪聲。

(2)電纜振動(dòng):當(dāng)電纜被海流拉緊時(shí),就會(huì)產(chǎn)生電纜振動(dòng)噪聲。由于電纜周圍的海流作用引起電纜振動(dòng),從而產(chǎn)生低頻干擾信號(hào)。這種信號(hào)可通過(guò)底部錨系布放和使用圍繞電纜、記錄儀主體的螺旋形機(jī)械整流罩減緩[19]。如果使用表面布放,可以用彈性繩或易彎曲的圓圈實(shí)現(xiàn)水聽(tīng)器與電纜之間的去耦合。

(3)表面起伏:任何表面布放的系統(tǒng),如附屬在表面浮標(biāo)或船上,都會(huì)存在被波浪影響的危險(xiǎn)。雖然浮標(biāo)或船只隨水表面移動(dòng),但懸浮在水中的水聽(tīng)器不太可能精確地跟隨移動(dòng),這會(huì)帶來(lái)水聽(tīng)器深度的改變,生成非常低頻的流體靜壓力起伏。這些流體靜壓力起伏會(huì)被水聽(tīng)器感應(yīng),雖然它們是低頻的,但具有一個(gè)相對(duì)高的幅度,因此要求一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍的系統(tǒng)以避免記錄儀模數(shù)轉(zhuǎn)換器的失真和飽和。使用一個(gè)底部錨系框架或水下浮標(biāo)固定水聽(tīng)器/記錄儀在海底而非海表面,將會(huì)減少表面起伏帶來(lái)的影響。如果使用表面布放,可以用彈性繩或運(yùn)動(dòng)阻尼器實(shí)現(xiàn)水聽(tīng)器與電纜之間的去耦合。由于這類信號(hào)頻率是非常低的(<10 Hz),因此可使用一個(gè)高通電子濾波器來(lái)消除信號(hào)。為了避免飽和,這應(yīng)該在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行。許多商業(yè)水聽(tīng)器含有前置放大器,內(nèi)置的高通濾波器的截止頻率在5 Hz～10 Hz,以減輕該類信號(hào)。

(4)船噪聲:船基測(cè)量時(shí),在船操作限制和安全工作范圍內(nèi),應(yīng)盡量在安靜的條件下進(jìn)行。理想條件下,應(yīng)該關(guān)閉船的發(fā)動(dòng)機(jī),測(cè)量?jī)x器從干電池供電,并且機(jī)器和船員在船上發(fā)出的噪聲越少越好(測(cè)量期間發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)應(yīng)在結(jié)果中闡述)。如果船載測(cè)深儀產(chǎn)生的頻率在待測(cè)量信號(hào)的頻率內(nèi),測(cè)量期間應(yīng)關(guān)閉測(cè)深儀。船基測(cè)量時(shí),波浪作用到船體的聲音(有時(shí)稱“波浪拍擊”),也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。一般通過(guò)調(diào)整船只順著波浪的方向,使用浮球和浮標(biāo)連接水聽(tīng)器長(zhǎng)電纜以增加水聽(tīng)器距船體的距離來(lái)減少影響。

(5)機(jī)械噪聲:機(jī)械噪聲主要包括懸浮物撞擊水聽(tīng)器的噪聲、水聽(tīng)器與電纜相互摩擦聲、錨系系統(tǒng)的摩擦、生物摩擦噪聲等。錨系系統(tǒng)有可能相互碰撞的任何部分,都會(huì)產(chǎn)生機(jī)械噪聲,尤其是錨系中包含金屬零件時(shí)(如鏈條)。減緩這類機(jī)械噪聲,應(yīng)采取如下措施:①盡可能避免在支架和錨系中使用金屬錨鏈;②避免金屬與金屬連接;③通過(guò)電纜與隔振器(兼容的耦合器)連接,避免水聽(tīng)器接觸支撐電纜。

2.3 測(cè)量站位和頻次

2.3.1 測(cè)量站位

測(cè)量站位的選擇應(yīng)至少滿足下面的要求之一:①固定某一個(gè)站位測(cè)量,以監(jiān)視聲源輸出,與其他水下沖擊打樁事件比對(duì);②測(cè)量站位設(shè)置以評(píng)估環(huán)境影響評(píng)價(jià)、環(huán)境影響報(bào)告或環(huán)境報(bào)告中預(yù)測(cè)的精度;③在允許與標(biāo)準(zhǔn)閾值比較的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,例如,預(yù)期在哪些會(huì)超過(guò)特定的影響標(biāo)準(zhǔn);④在特定站位測(cè)量,如存在特定種類的海洋生物的區(qū)域。

(1)離岸測(cè)量:主要指海區(qū),包括沿海地區(qū)、區(qū)域海洋和大陸架,但不包括港口、沿海入口、內(nèi)河航道、河口及河流。對(duì)于離岸水下打樁輻射噪聲測(cè)量,應(yīng)至少設(shè)置一個(gè)測(cè)量站位。僅設(shè)置一個(gè)測(cè)量站位時(shí),應(yīng)盡可能地設(shè)置在距打樁源750 m處,并且測(cè)量覆蓋整個(gè)打樁周期。根據(jù)測(cè)量需求,需要多個(gè)站位測(cè)量時(shí),這些站位應(yīng)盡可能分布在距打樁點(diǎn)不同的方位角。為了監(jiān)測(cè)海洋動(dòng)物影響區(qū)域的臨界值,距聲源較遠(yuǎn)距離的測(cè)量是需要的,在這些距離由于傳播損失,聲信號(hào)已經(jīng)有明顯的衰減。為獲得聲學(xué)指標(biāo)隨距離衰減的經(jīng)驗(yàn)估計(jì),測(cè)量也可以作為距離的函數(shù),沿著某一個(gè)固定的方位角遠(yuǎn)離聲源的橫斷面設(shè)置至少3個(gè)站位。為了避免水深折射效應(yīng),這個(gè)方位角不能平行于傾斜的海岸線[20],水深不存在顯著變化。

(2)近岸測(cè)量:主要指海區(qū)或水區(qū),包括港口、沿海入口、內(nèi)河航道、河口及河流,但不包括沿海地區(qū)、區(qū)域海洋和大陸架。對(duì)于近岸水域,例如,河口、港口等,測(cè)量要求與離岸海域是不同的,尤其750 m測(cè)量站位是不恰當(dāng)甚至不可能的。在這些環(huán)境下,靠近樁基測(cè)量是必要的,并且應(yīng)遵循上述的測(cè)量站位標(biāo)準(zhǔn)和水聽(tīng)器深度布放標(biāo)準(zhǔn)。僅設(shè)置一個(gè)測(cè)量站位時(shí),應(yīng)是距打樁點(diǎn)3倍于打樁點(diǎn)水深的距離。多個(gè)站位測(cè)量時(shí),站位應(yīng)盡可能分布在距打樁點(diǎn)不同的方位角。一般不需要進(jìn)行橫斷面測(cè)量。

無(wú)論何種測(cè)量,均需要進(jìn)行工程海域的背景噪聲測(cè)量。背景噪聲測(cè)量可以在打樁前后進(jìn)行,也可以在打樁期間任何重大間隔時(shí)間內(nèi)進(jìn)行,測(cè)量站位一般選擇任何一個(gè)打樁點(diǎn)或者具有代表性的站位。測(cè)量頻段應(yīng)覆蓋20～20 000 Hz,通常用1/3倍頻程表示。

2.3.2 測(cè)量頻次

水下打樁噪聲與樁基的類型、尺寸、打樁機(jī)的功率等有關(guān)。對(duì)于同種類型和尺寸的樁基,應(yīng)至少進(jìn)行一次測(cè)量。實(shí)際工程中,需要進(jìn)行多個(gè)樁基打樁作業(yè),一般應(yīng)在打樁初期和高峰期各進(jìn)行一次測(cè)量。為了將水下噪聲值表征為時(shí)間的函數(shù),需要在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,并且應(yīng)覆蓋打樁機(jī)的任何輸出功率變化。

3 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

3.1 術(shù)語(yǔ)與定義

水下沖擊打樁噪聲一般采用如下參數(shù)描述:脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖間隔時(shí)間、峰值聲壓級(jí)、聲暴露級(jí)、信噪比、聲壓譜級(jí)、頻帶總聲級(jí)等。

(1)脈沖持續(xù)時(shí)間:一次擊打過(guò)程,百分比能量的持續(xù)時(shí)間,一般指信號(hào)能量從5%增加到95%所經(jīng)歷的時(shí)間,單位s。

(2)脈沖間隔時(shí)間:兩次相鄰單脈沖的時(shí)間間隔,單位s。

(3)峰值聲壓級(jí):單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)聲壓絕對(duì)值的最大值與基準(zhǔn)聲壓相比取對(duì)數(shù),單位d B,基準(zhǔn)值1μPa,計(jì)算公式如下:

式中:p(t)為單次脈沖時(shí)間序列,單位為Pa;pref為參考值,單位為μPa。

(4)聲暴露級(jí):單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)聲壓平方的積分與基準(zhǔn)聲壓的平方相比取對(duì)數(shù),單位為dB,基準(zhǔn)值為1μPa2·s;單根樁作業(yè)需要多次擊打,從而產(chǎn)生累積效應(yīng),也即累積聲暴露級(jí),計(jì)算公式如下:

式中:p(t)為單次脈沖時(shí)間序列,單位為Pa;T為信號(hào)持續(xù)時(shí)間,單位為s;pref為參考值,單位為μPa。N為脈沖個(gè)數(shù);SELss為聲暴露級(jí);SELcum為累積聲暴露級(jí)。

(5)信噪比:處理后的均方根帶寬打樁信號(hào)電壓與均方根帶寬背景噪聲電壓之比,單位dB。作為一個(gè)帶寬量值,信噪比通過(guò)一個(gè)指定的頻帶來(lái)評(píng)估,一般是整個(gè)感興趣的頻帶,對(duì)于本研究規(guī)定20～20 000 Hz,或者指定的1/3倍頻程頻帶。

(6)聲壓譜級(jí):在某一頻率的聲壓譜密度與基準(zhǔn)聲壓譜密度,用于描述信號(hào)功率隨頻率的分布?？梢杂?Hz帶寬表示,也可以用1/3倍頻程帶寬表示,單位dB,計(jì)算公式如下:

式中:Lps(fi)為1/3倍頻程聲壓級(jí);fi為1/3倍頻程中心頻率,單位Hz;Δf為頻率分辨率,單位Hz;pf為實(shí)測(cè)聲壓數(shù)據(jù)的傅立葉變換;pref為參考值,單位為μPa。

(7)頻帶總聲級(jí):從低頻截止頻率到高頻截止頻率的寬頻帶內(nèi)的聲壓級(jí)求和,單位dB,計(jì)算公式如下:

3.2 處理步驟

對(duì)于測(cè)量記錄得到的數(shù)據(jù),首先需要手動(dòng)或自動(dòng)提取打樁期間單次擊打所產(chǎn)生的各個(gè)脈沖信號(hào),然后選擇一部分或者全部信號(hào)進(jìn)行后續(xù)分析。水下打樁脈沖信號(hào)信噪比較高,一般采取信號(hào)能量與背景噪聲能量之比進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè),設(shè)定一個(gè)檢測(cè)門(mén)限,取能量比最高值作為信號(hào)出現(xiàn)的位置,如果該值大于檢測(cè)門(mén)限值,即可判斷為真實(shí)信號(hào),再通過(guò)加窗根據(jù)能量累積時(shí)間自動(dòng)提取信號(hào)的起始和結(jié)束時(shí)間。完成信號(hào)提取之后,應(yīng)用時(shí)域分析、頻域分析以及時(shí)頻分析等技術(shù)進(jìn)行計(jì)算,得到上節(jié)所敘述的特征參數(shù)。

3.3 測(cè)量不確定性

有兩類不確定性,分別為隨機(jī)不確定性和系統(tǒng)不確定性。隨機(jī)不確定性,可以通過(guò)一定數(shù)量的重復(fù)測(cè)量和檢查結(jié)果中的統(tǒng)計(jì)分布來(lái)評(píng)估。但對(duì)于水下打樁,如果測(cè)量的事件是唯一的,因此可能無(wú)法進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。該類別不確定性是測(cè)量精度的度量,如果測(cè)量結(jié)果可重復(fù)且結(jié)果偏差較小,則可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。系統(tǒng)不確定性,代表測(cè)量中可能出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差的可能性,如由不恰當(dāng)?shù)膬x器校準(zhǔn)引起的。該類別不確定性無(wú)法通過(guò)重復(fù)測(cè)量進(jìn)行評(píng)估,而應(yīng)考慮影響測(cè)量精度的潛在因素。對(duì)于水下打樁噪聲,測(cè)量不確定性主要來(lái)自測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)、布放以及聲源和接收位置測(cè)量等。在實(shí)驗(yàn)室條件下一般以0.5 dB的不確定度校準(zhǔn)水聽(tīng)器,整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的不確定度可以在1 dB以上。海洋中實(shí)現(xiàn)高精度位置測(cè)量是困難的,水下打樁噪聲源和接收站位的位置,通常采用GPS或激光測(cè)距設(shè)備,雖然設(shè)備精度能滿足測(cè)量需求,但仍不可避免地存在不確定性。如果聲源和接收距離短,則相對(duì)不確定性更大。近距離測(cè)量,適合采用激光測(cè)距設(shè)備;而遠(yuǎn)距離(幾百米),適合采用GPS。盡管2.2節(jié)已闡述了布放噪聲的減緩措施,但完全消除是不太現(xiàn)實(shí)的,不確定性分析中應(yīng)該考慮布放噪聲的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

為研究影響評(píng)價(jià),估算噪聲源的源級(jí)以及聲源和接收點(diǎn)之間傳播路徑的聲能量損失是非常必要的。由于水下沖擊打樁噪聲產(chǎn)生機(jī)制復(fù)雜,近距離不能當(dāng)作點(diǎn)源分析,源級(jí)也存在一定的起伏,因此使用聲場(chǎng)模型描述傳播衰減過(guò)程存在的一定局限性,并且聲場(chǎng)模型計(jì)算時(shí)需要同步的水文、底質(zhì)等環(huán)境參數(shù),增加了測(cè)量成本,實(shí)際工程應(yīng)用中可行性較小。基于本文方法,可獲取不同接收點(diǎn)的聲場(chǎng)值,進(jìn)而擬合估算出聲傳播衰減規(guī)律和聲源級(jí),也可用于聲場(chǎng)模型輸出值的檢驗(yàn)。水下輻射噪聲對(duì)海洋生物的影響評(píng)價(jià)不屬于本文研究范圍,因此不進(jìn)一步展開(kāi)論述。

本方法可用于近海(水深大于4 m小于100 m)水下沖擊打樁作業(yè)期間輻射水下噪聲聲壓測(cè)量,其適用范圍不包括由聲波傳播引起的水體中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度測(cè)量或聲波在海底傳播引起的海底振動(dòng)測(cè)量,當(dāng)然振動(dòng)測(cè)量對(duì)于評(píng)估海洋生物的影響也是非常重要,只是目前水下振動(dòng)測(cè)量方法還不成熟,無(wú)法形成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法。這會(huì)在一定程度上影響涉水下沖擊打樁對(duì)海洋生物影響評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性,因此今后的研究中需增加或完善水下振動(dòng)測(cè)量。