圖說：衛(wèi)翀華在北極海冰上進(jìn)行水聲實(shí)驗(yàn)

歷時(shí)78天，累計(jì)航行13000多海里，最北到達(dá)北緯82度52分，中國第七次北極考察隊(duì)圓滿完成各項(xiàng)預(yù)定考察任務(wù)凱旋。在128名考察隊(duì)員中，中科院聲學(xué)所水聲工程中心副研究員衛(wèi)翀華是一名“新兵”，也是我國水聲學(xué)領(lǐng)域赴北冰洋進(jìn)行實(shí)地專業(yè)科學(xué)考察的第一人。

“在北冰洋地區(qū)開展冰區(qū)水聲實(shí)驗(yàn)，為北極地區(qū)水聲環(huán)境建模提供了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為未來的水下導(dǎo)航、通信提供了技術(shù)支持和技術(shù)儲(chǔ)備。”衛(wèi)翀華說。

北極獨(dú)特的水聲環(huán)境

北極地區(qū)地理位置獨(dú)特、氣候寒冷，北冰洋的大部分區(qū)域終年被海冰覆蓋，因此也形成了獨(dú)特的水聲環(huán)境。

衛(wèi)翀華告訴《中國科學(xué)報(bào)》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(huì)聽到陣陣回聲，水聲實(shí)驗(yàn)就是研究聲音信號(hào)在水下遠(yuǎn)距離傳輸?shù)倪^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(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行通信和導(dǎo)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(duì)北極地區(qū)的聲學(xué)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(huán)境，是他多年的心愿。

李啟虎表示，收集水聲數(shù)據(jù)資料，掌握北極地區(qū)海域水聲環(huán)境規(guī)律及機(jī)理，建立北極背景場(chǎng)、聲信道模型，利用北極海洋環(huán)境水聲效應(yīng)，開展北極水聲環(huán)境適配處理理論與方法研究，是保障我國北極地區(qū)航行安全，以及提高裝備環(huán)境適應(yīng)性，提升通信、導(dǎo)航等技術(shù)水平的重大前沿基礎(chǔ)研究需求，符合中科院著力于戰(zhàn)略性、前瞻性、基礎(chǔ)性研究的宗旨。

2014年，在李啟虎的倡導(dǎo)下，中國第六次北極考察設(shè)置了水聲學(xué)方面的內(nèi)容，開啟了北極及其毗鄰海域水聲學(xué)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(bǔ)了我國中高緯度海域及極地聲學(xué)研究的空白，將為水聲科學(xué)的全面發(fā)展以及北極海區(qū)水下聲學(xué)通信、水下聲感知等實(shí)用技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”李啟虎說。

探聽冰下的聲音

在李啟虎的引領(lǐng)下，中科院聲學(xué)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(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)極地聲學(xué)進(jìn)行了潛心研究，并積極籌劃部署，協(xié)調(diào)參加第七次北極考察。中科院重大科技任務(wù)局局長(zhǎng)王越超、處長(zhǎng)李才興高度關(guān)切極地聲學(xué)研究，多次聽取項(xiàng)目組的研究進(jìn)展及考察安排匯報(bào)。

國家海洋局極地辦和極地中心也對(duì)北極聲學(xué)考察給予了充分重視，特地安排水聲學(xué)科研人員參加第七次北極考察，經(jīng)過協(xié)調(diào)，決定以衛(wèi)翀華為主執(zhí)行本次北極聲學(xué)考察。

8月4日，“雪龍”船進(jìn)入北極冰區(qū)，衛(wèi)翀華在短期冰站和長(zhǎng)期冰站各開展了一次實(shí)驗(yàn)，主要包括中頻水聲通信、低頻水聲傳播以及海洋環(huán)境噪聲采集等。

8月20日，第七次北極考察進(jìn)行最后一個(gè)冰站作業(yè)。受風(fēng)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(dá)短期冰站作業(yè)區(qū)，衛(wèi)翀華就是其中之一。

“為方便大功率發(fā)射需求，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射端布設(shè)于‘雪龍’船后甲板，便于運(yùn)載的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接收端則要通過‘黃河’艇布設(shè)在冰面上。”衛(wèi)翀華回憶說。

抵達(dá)短期冰站，衛(wèi)翀華先把實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射端設(shè)備搬到冰面上，用電鉆在冰面上鉆取一個(gè)冰孔。在連接好6個(gè)水聽器和2個(gè)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(cè)量環(huán)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(duì)員把發(fā)射端設(shè)備連接好，再從后甲板將發(fā)射換能器和監(jiān)測(cè)水聽器布放到海中。信號(hào)發(fā)射完成，“雪龍”船又駛回原地，在距離“黃河”艇2公里處再次發(fā)射信號(hào)。

在此期間，衛(wèi)翀華一直在浮冰上接收信號(hào)。為了避免信號(hào)干擾，“黃河”艇關(guān)閉了發(fā)動(dòng)機(jī)和電暖氣。在寒風(fēng)中連續(xù)工作了7個(gè)小時(shí)的衛(wèi)翀華，雙手發(fā)抖，嘴唇發(fā)紫。“冷”也因此成為他對(duì)北極最深刻的印象。

在北冰洋冰區(qū)開展水聲實(shí)驗(yàn)既艱難又難得。“經(jīng)過這一次科考，中國水聲界終于有了對(duì)北極海區(qū)的感性認(rèn)識(shí)和第一手材料。”衛(wèi)翀華希望，爭(zhēng)取參加第八次北極考察，做更多的工作。

站在新北極聲學(xué)的起跑線上

聲學(xué)實(shí)驗(yàn)受環(huán)境影響非常大。“整體而言，我們的設(shè)備經(jīng)受住了北極特殊環(huán)境的考驗(yàn)。”中科院聲學(xué)所水聲工程中心研究員田杰告訴記者，這次拿到北極做實(shí)驗(yàn)的魚唇式換能器，是由聲學(xué)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(shè)備具有很大優(yōu)勢(shì)，更便于在浮冰上進(jìn)行人工布放。

不過，這次北極之行，衛(wèi)翀華也發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題。“我們的設(shè)備應(yīng)對(duì)近海、大洋是可以的，但是在北極地區(qū)還是有些不適應(yīng)，主要是防冰的能力相對(duì)很弱。布放過程中一發(fā)現(xiàn)有冰，就很緊張，需要非常小心地避讓。”

對(duì)此，李啟虎表示，由于北極地區(qū)常年低溫的特點(diǎn)，水聲測(cè)試設(shè)備、系統(tǒng)的硬件都要進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)，特別是準(zhǔn)備在冰上工作的電子設(shè)備必須有特殊的防護(hù)措施。擔(dān)任與衛(wèi)星或水下平臺(tái)通信任務(wù)的浮標(biāo)系統(tǒng)，更要有經(jīng)得起低溫考驗(yàn)的機(jī)械、電子部件。

此外，衛(wèi)翀華認(rèn)為，設(shè)備的可操作性還要進(jìn)一步改進(jìn)。“北極地區(qū)的條件惡劣，風(fēng)浪、氣溫等都會(huì)對(duì)設(shè)備和人的操作產(chǎn)生不利影響，未來的設(shè)備要向無人方向發(fā)展。”

隨著近年來世界海洋大國對(duì)北極地區(qū)的空前關(guān)注，北極聲學(xué)也有了新的發(fā)展。2014年，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（ONR）在公布水聲研究計(jì)劃時(shí)，明確三大學(xué)科，即淺海聲學(xué)、深海聲學(xué)和北極聲學(xué)。

“由于北極環(huán)境的持續(xù)變化，新的課題不斷涌現(xiàn)。”中科院聲學(xué)所研究團(tuán)隊(duì)表示，“國外紛紛開始重新審視、加強(qiáng)研究北極聲場(chǎng)，我們將密切關(guān)注，爭(zhēng)取迎頭趕上。”