中國水聲界完成首次北極及其毗鄰海域水聲學科考

　　 圖說：衛翀華在北極海冰上進行水聲實驗

　　歷時78天，累計航行13000多海里，最北到達北緯82度52分，中國第七次北極考察隊圓滿完成各項預定考察任務凱旋。在128名考察隊員中，中科院聲學所水聲工程中心副研究員衛翀華是一名“新兵”，也是我國水聲學領域赴北冰洋進行實地專業科學考察的第一人。

　　“在北冰洋地區開展冰區水聲實驗，為北極地區水聲環境建模提供了實測數據，為未來的水下導航、通信提供了技術支持和技術儲備。”衛翀華說。

　　北極獨特的水聲環境

　　北極地區地理位置獨特、氣候寒冷，北冰洋的大部分區域終年被海冰覆蓋，因此也形成了獨特的水聲環境。

　　衛翀華告訴《中國科學報》記者，水聲研究并不神秘，“就像人站在空曠的山谷里大聲呼喊后，會聽到陣陣回聲，水聲實驗就是研究聲音信號在水下遠距離傳輸的過程。”

　　在北極及其毗鄰海域，由于冰蓋與水下冰脊的存在，給水下航行直接利用衛星系統進行通信和導航帶來了極大的困難，使得水聲方式成為水下航行唯一可靠的信息傳輸手段。

　　不過，中科院院士李啟虎坦言，中國對北極地區的聲學特性研究幾乎是空白。能夠了解北極及其毗鄰海域的水聲環境，是他多年的心愿。

　　李啟虎表示，收集水聲數據資料，掌握北極地區海域水聲環境規律及機理，建立北極背景場、聲信道模型，利用北極海洋環境水聲效應，開展北極水聲環境適配處理理論與方法研究，是保障我國北極地區航行安全，以及提高裝備環境適應性，提升通信、導航等技術水平的重大前沿基礎研究需求，符合中科院著力于戰略性、前瞻性、基礎性研究的宗旨。

　　2014年，在李啟虎的倡導下，中國第六次北極考察設置了水聲學方面的內容，開啟了北極及其毗鄰海域水聲學研究的序幕。

　　“今年我們有人去了，雖然只是初步的成功，但填補了我國中高緯度海域及極地聲學研究的空白，將為水聲科學的全面發展以及北極海區水下聲學通信、水下聲感知等實用技術奠定堅實的基礎。”李啟虎說。

　　探聽冰下的聲音

　　在李啟虎的引領下，中科院聲學所水聲工程中心主任黃海寧、研究員尹力等投入大量精力，帶領團隊對極地聲學進行了潛心研究，并積極籌劃部署，協調參加第七次北極考察。中科院重大科技任務局局長王越超、處長李才興高度關切極地聲學研究，多次聽取項目組的研究進展及考察安排匯報。

　　國家海洋局極地辦和極地中心也對北極聲學考察給予了充分重視，特地安排水聲學科研人員參加第七次北極考察，經過協調，決定以衛翀華為主執行本次北極聲學考察。

　　8月4日，“雪龍”船進入北極冰區，衛翀華在短期冰站和長期冰站各開展了一次實驗，主要包括中頻水聲通信、低頻水聲傳播以及海洋環境噪聲采集等。

　　8月20日，第七次北極考察進行最后一個冰站作業。受風浪影響，“雪龍”船無法在浮冰邊緣停船，20余名科考人員乘坐“黃河”艇到達短期冰站作業區，衛翀華就是其中之一。

　　“為方便大功率發射需求，實驗系統發射端布設于‘雪龍’船后甲板，便于運載的實驗系統接收端則要通過‘黃河’艇布設在冰面上。”衛翀華回憶說。

　　抵達短期冰站，衛翀華先把實驗系統發射端設備搬到冰面上，用電鉆在冰面上鉆取一個冰孔。在連接好6個水聽器和2個深度傳感器組成的接收水聽器基陣后，他把接收水聽器基陣由冰洞放入水中，測量環境噪聲及“雪龍”船航行噪聲。

　　隨后，“雪龍”船緩緩駛離短期冰站，停泊在10公里外海域。船上的隊員把發射端設備連接好，再從后甲板將發射換能器和監測水聽器布放到海中。信號發射完成，“雪龍”船又駛回原地，在距離“黃河”艇2公里處再次發射信號。

　　在此期間，衛翀華一直在浮冰上接收信號。為了避免信號干擾，“黃河”艇關閉了發動機和電暖氣。在寒風中連續工作了7個小時的衛翀華，雙手發抖，嘴唇發紫。“冷”也因此成為他對北極最深刻的印象。

　　在北冰洋冰區開展水聲實驗既艱難又難得。“經過這一次科考，中國水聲界終于有了對北極海區的感性認識和第一手材料。”衛翀華希望，爭取參加第八次北極考察，做更多的工作。

　　站在新北極聲學的起跑線上

　　聲學實驗受環境影響非常大。“整體而言，我們的設備經受住了北極特殊環境的考驗。”中科院聲學所水聲工程中心研究員田杰告訴記者，這次拿到北極做實驗的魚唇式換能器，是由聲學所自主研制的低頻換能器，差不多只有A4紙那么大，它的體積、重量較同類設備具有很大優勢，更便于在浮冰上進行人工布放。

　　不過，這次北極之行，衛翀華也發現一個問題。“我們的設備應對近海、大洋是可以的，但是在北極地區還是有些不適應，主要是防冰的能力相對很弱。布放過程中一發現有冰，就很緊張，需要非常小心地避讓。”

　　對此，李啟虎表示，由于北極地區常年低溫的特點，水聲測試設備、系統的硬件都要進行特殊的設計，特別是準備在冰上工作的電子設備必須有特殊的防護措施。擔任與衛星或水下平臺通信任務的浮標系統，更要有經得起低溫考驗的機械、電子部件。

　　此外，衛翀華認為，設備的可操作性還要進一步改進。“北極地區的條件惡劣，風浪、氣溫等都會對設備和人的操作產生不利影響，未來的設備要向無人方向發展。”

　　隨著近年來世界海洋大國對北極地區的空前關注，北極聲學也有了新的發展。2014年，美國海軍研究實驗室（ONR）在公布水聲研究計劃時，明確三大學科，即淺海聲學、深海聲學和北極聲學。

　　“由于北極環境的持續變化，新的課題不斷涌現。”中科院聲學所研究團隊表示，“國外紛紛開始重新審視、加強研究北極聲場，我們將密切關注，爭取迎頭趕上。”