基于灯泡内爆的海洋哺乳动物声学驱赶保护方法

1.本发明涉及海洋哺乳动物声学保护，具体是涉及海洋工程施工中利用声学驱赶方式阻止海洋哺乳动物进入海洋工程施工中心危险海域，使其免受海洋工程施工噪声伤害的一种基于灯泡内爆的海洋哺乳动物声学驱赶保护方法。


背景技术：

2.随着全球海洋经济的蓬勃发展，海洋工程建设事业方兴未艾，诸如钻孔、清淤、海上打桩及水下爆破等海洋工程在海上风电场和港口航道建设、海底隧道和海上桥梁铺建，以及海洋矿产和石油资源开发中发挥重要的作用。然而，这些工程在施工期间产生的噪声往往将对周边海域声环境施加显著的负面影响。海洋环境中，光和电磁波的衰减十分之快。与之相比，水下声波的衰减则较为缓慢，传播能力显著优于光信号及电磁信号。而历尽长期演变，绝大多数海洋哺乳动物已高度依赖声信号进行信息的交流与获取，例如，齿鲸类海洋哺乳动物会通过发达的声纳系统进行水下目标的探测与识别。因此，通过声音进行信息传输与交流的海洋哺乳动物对水下声环境变化十分敏感。然而，众多海洋哺乳动物，例如中国一级保护物种——中华白海豚，其栖息、活动及捕食等活动通常于沿岸水域进行，与海洋工程海域往往存在较大的重叠。显然，海洋工程施工噪声引起的水下声环境变化将对海洋哺乳动物产生重大影响，如掩蔽动物个体交流、干扰动物捕食等现象时有发生，而以水下爆破和海上打桩等为代表的施工噪声更是存在对动物极大的致伤、致亡风险。因此，开展海洋工程施工噪声威胁下的海洋哺乳动物保护技术研究具有重要的科学意义，在实践中也具备突出的实用价值。
3.声学驱赶方法是海洋工程噪声减缓技术研究的热点，该方法利用令动物感到厌恶或警觉的声刺激信号将其驱离施工危险海域而达到保护目的。目前，海洋工程中已有的声学驱赶保护手段主要有声墙驱赶、噪音驱赶及声学驱赶设备驱赶。声墙驱赶指通过敲击布置于船只上的竹竿或钢管制造水下声信号驱赶动物，在港珠澳大桥及厦门航道建设等海洋工程施工中得到应用。但是受人为因素影响，该方法的驱赶作用范围并不可控且极为有限。另外，驱赶时需要多艘船只共同操作进行，较为耗费时间与人力；噪音驱赶指通过驾驶船只或使用空压机、警示铃设备等制造令动物厌烦的噪音而促使动物离开施工海域。此方法在实际应用中同样面临驱赶作用范围有限，难以对动物形成有效保护的问题。另外，面对此类重复、单调的声信号刺激，动物极易熟知而不再产生回避驱赶声源的行为(习惯化)；声学驱赶设备通过换能器向周围水体辐射电子合成的声信号驱赶动物，最初源于海洋渔业中的海豹及小型鲸类驱赶，而后开始应用于海洋工程中。相较前两种方法，该手段较为方便且经济。不过，由于驱赶信号通过程序生成，难以做到真正的随机化，这导致目标动物的习惯化问题较为突出，一些声驱设备的驱赶信号甚至会成为“开饭铃声”，吸引动物前往危险海域觅食。此外，声学驱赶设备多针对海洋渔业需求设计，在海洋工程应用中或驱赶作用范围有限，难以满足海上打桩和水下爆破等高强度施工噪声的保护需求。或驱赶作用范围过大，反而造成对动物的额外伤害。
4.与此同时，现有声学驱赶手段往往未根据驱赶保护动物的活跃深度及海域声速剖面科学设计驱赶声源布放深度，或直接布放于水深一半位置，如声学驱赶设备驱赶；或受限于布放条件，直接布放于水面以下较浅位置，如声墙驱赶。未经规划的声传播路径导致驱赶信号的作用范围有限，往往很难被动物有效接收，致使驱赶效果存在很大未知性。
5.总结而言，现阶段尚无一种声学驱赶技术手段可以集驱赶便捷性、驱赶信号强随机性及驱赶作用范围可控性于一体，对不同海洋工程施工类型下的海洋哺乳动物进行安全有效的驱赶保护。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于为海洋工程施工噪声威胁下的海洋哺乳动物提供保护，提出一种基于灯泡内爆的海洋哺乳动物声学驱赶保护方法。
7.本发明包括以下步骤：
8.1)以普通白炽灯泡作为驱赶声源，根据海洋工程施工类型确定白炽灯泡的数量；
9.2)根据被保护动物活跃深度和施工海域声速剖面确定驱赶声源布放深度；
10.3)将白炽灯泡安装于内爆声源击发装置并布放至水下；
11.4)提升牵引小绳击发灯泡，通过灯泡水下内爆产生的脉冲信号警示海洋哺乳动物远离海洋工程施工危险区域，驱赶被保护动物。
12.在步骤1)中，所述白炽灯泡优选日常使用的北美标准a19型灯泡；所述根据海洋工程施工类型确定驱赶声源所用白炽灯泡的数量的具体方法可为：对于水下爆破及海上打桩可产生高强度噪声危害的施工类型，选择4枚a19灯泡组成驱赶声源，此时脉冲信号驱赶作用范围可达驱赶声源半径1000m；对于钻孔、抛砂和抛石噪声强度较低的施工类型，选择1枚a19灯泡组成驱赶声源，此时脉冲信号驱赶作用范围达驱赶声源半径300m。
13.在步骤2)中，所述根据被保护动物活跃深度和施工海域声速剖面确定驱赶声源布放深度的具体方法可为：若驱赶保护动物常活跃于水体中上层，则当声速剖面为正梯度及匀速梯度时，驱赶声源布放于施工海域全水深一半位置，当声速剖面为负梯度时，驱赶声源布放于施工海域水面以下全水深20％位置；若驱赶保护动物常活跃于水体下层，则当声速剖面为正梯度及匀速梯度时，驱赶声源布放于施工海域水面以下全水深80％位置；当声速剖面为负梯度时，驱赶声源布放于施工海域全水深一半位置。
14.在步骤3)中，所述内爆声源击发装置包括支架、上固定板和下活动板，布放粗绳固定在上固定板中心，牵引小绳固定于下活动板上，并穿过上固定板；支架套设弹簧，弹簧上端由空心铆钉固定住，弹簧下端延伸至下活动板面板上端；白炽灯泡通过连接架固定于支架上部未套设弹簧处；下活动板上对应白炽灯泡的位置设置尖锥。
15.在步骤4)中，所述提升牵引小绳击发灯泡的具体方法可为：提升牵引小绳，使下活动板向上固定板靠近，设置在灯泡下方的尖锥随着下活动板上移击碎灯泡并引起灯泡内爆，灯泡内爆产生的驱赶声信号。
16.与现有声驱技术相比，本发明具有如下优点：
17.1.安全性高。本发明驱赶声源由白炽灯泡组成，通过灯泡水下内爆生成驱赶声信号，能量远低于水下爆破、海上打桩等各类海洋工程施工噪声。即使由4枚灯泡组成驱赶声源，其声源处峰值声压级仍不超过196db,对动物伤害风险极低，本发明具备极高的安全性。
18.2.适用范围广。本发明对被保护动物的驱赶作用范围可根据海洋工程施工类型进行有效调控，对于水下爆破、海上打桩可产生高强度噪声的施工类型，使用4枚灯泡组成驱赶声源以满足大范围驱赶要求；对于钻孔、抛沙和抛石产生较小噪声的施工类型，则使用1枚灯泡组成驱赶声源。本发明的驱赶作用范围可控，可针对不同海洋工程施工类型实现不同的驱赶保护距离，适用范围广。
19.3.驱赶有效性强。本发明驱赶信号由白炽灯泡的水下内爆过程产生，复杂的内爆反应及能量转化过程使得产生的信号结构高度随机，形式多变，具备极强的随机性。这导致动物难以熟知驱赶信号声刺激，从而有效减缓乃至避免动物的习惯化问题；同时，本发明驱赶信号时域急促、频带宽，具备典型脉冲型信号特征，是海洋哺乳动物最为敏感的声刺激类型，易诱导动物产生声源逃离行为。综合分析，本发明的驱赶效果强，可有效驱赶海洋哺乳动物。
20.4.操作便捷，经济性高。本发明驱赶声源由生活中常用的白炽灯泡组成，材料易得且成本低。驱赶时仅需将灯泡安装于灯泡内爆声源击发装置并于设定水深处击发引发内爆，操作便捷且学习成本低。总结而言，本发明在海洋工程实际应用中便捷易操作，同时经济性高。
附图说明
21.图1为本发明操作流程图。
22.图2为灯泡内爆声源击发装置图。
23.图3为本发明驱赶声源布放与驱赶作用示意。
24.图4为单枚a19型灯泡水下18.3m内爆后产生的信号频域分布。数据来自heard等(heard,g.j.,mcdonald,m.,chapman,n.r.,&jashke,l.(1997).underwater light bulb implosions:a useful acoustic source.oceans'97.mts/ieee conference proceedings.ieee.)。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明做详细描述，以便海洋工程施工人员理解并实施本发明。
26.本发明的操作流程如图1所示。第一步，确定驱赶声源所用灯泡数量。玻璃灯泡在一些水声通信实验中作为声源发生器。例如，中国科学院声学研究所特别制作直径20cm及10cm的玻璃球(仍称为灯泡)在水下击碎生成信号来校准水声阵列形状(邵枝晖，肖灵，李整林，张仁和.真空内爆灯泡声源的性能分析)。基于一系列的海上实验，灯泡水下内爆声源特征已得到一定的研究。其中，heard等基于大量的实验与理论分析，对北美标准a19型白炽灯泡水下内爆声信号特性进行了总结(heard,g.j.,mcdonald,m.,chapman,n.r.,&jashke,l.(1997).underwater light bulb implosions:a useful acoustic source.oceans'97.mts/ieeeconference proceedings.ieee.)。其中，a代表为球型玻璃泡，19代表泡壳最大直径为60mm。本发明选取a19型灯泡为驱赶声源，基于相关理论，该型灯泡在浅海(水深《200m)海域水下内爆后生成的声信号声源级sl(以峰值声压级计，单位db re1μpa@1m)可表示为：
27.sl＝160+26log
10
(h)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
28.其中，h为灯泡布放水深，单位m。
29.通过控制组成驱赶声源的灯泡数量，可达到控制驱赶声源强度的目的。其中，n枚灯泡同时内爆产生的驱赶信号总源强sl
sum
(以峰值声压级计，单位db re1μpa@1m)表示为：
30.sl
sum
＝10log
10
(n)+sl
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
31.灯泡内爆后，生成的驱赶声信号由声源向周围水体辐射，根据水声传播规律，在距离声源半径rm处的驱赶信号强度rl(以峰值声压级计，单位db re1μpa)可表示为：
32.rl＝sl
sum-10log
10
(r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
33.根据美国国家海洋与大气管理局制定的2018版水下噪声对海洋哺乳动物影响阈值标准，当峰值声压级rl大于200db时，驱赶信号存在对保护动物的潜在危害。假设海洋工程施工海域水深为我国近海常见的20m水深，驱赶声源布放于水深一半，经式(1)～(3)计算，即使由10枚a19灯泡组成的驱赶声源，声源处峰值声压级也仅为196db，低于200db伤害阈值。综上，本发明驱赶信号对驱赶保护动物的伤害风险极低。
34.驱赶信号在安全的前提下刺激被保护动物产生远离驱赶声源行为的区域定义为驱赶作用范围，该区域内驱赶信号强度rl需小于200db，以避免过强的信号对动物产生伤害。同时大于施工海域背景噪声峰值声压级40db，以保证对动物有效驱赶的强度。本发明驱赶作用范围依据海洋工程施工类型确定，针对如海上打桩、水下爆破施工类型，由于施工噪声强度高，对驱赶保护动物的潜在伤害范围较大，此时应增加驱赶声源所用灯泡数量以增大声源强度，最终达到扩大驱赶作用范围的目的。基于海洋工程施工噪声监测数据统计，设海上打桩或水下爆破施工噪声伤害范围为声源半径1000m。海洋中的背景噪声峰值声压级一般为120db，结合式(1)～(3)计算求得满足有效驱赶的条件为灯泡数量n≥4(n＝4时，1000m处rl＝162db)。即组成驱赶声源的a19型灯泡枚数不低于4枚时，可满足海上打桩及水下爆破高强度施工噪声下的海洋哺乳动物驱赶保护需求；钻孔、抛沙和抛石产生的施工噪声强度通常较低，对海洋哺乳动物的潜在伤害范围通常不超过施工点半径300m范围。基于式(1)～(3)计算求得此时灯泡数量n最小整数值为1(n＝1时，300m处rl＝161.2db)，即1枚a19灯泡即可满足钻孔、抛沙和抛石施工类型下的海洋哺乳动物保护需求。综上，针对水下爆破或海上打桩等高强度施工，本发明驱赶声源设计由4枚a19灯泡组成，针对钻孔、抛石和抛沙低噪声施工，驱赶声源由1枚a19灯泡组成。
35.第二步，确定驱赶声源布放深度。本发明提出根据被保护物种的活跃深度及施工海域声速剖面分布情况调整布放深度。一方面，不同哺乳动物物种有着不同的活跃深度。例如我国近海的中华白海豚，其活跃深度通常处于水体中上层。而主要以底栖鱼类及头足类为食的海狮，其活跃深度通常处于水体底层。另一方面，根据水声传播规律，声速剖面分布对水声信号的传播路径有着很大的影响。若声速剖面为正梯度，水下声源发出的声线将向海面弯曲；若声速剖面为负梯度，声线将向海底方向弯曲；若声速剖面为匀速，则声线无明显的偏折方向。为保证驱赶信号被驱赶保护动物有效接收，声线应尽可能往动物所处位置偏折。因此本发明首次提出以下驱赶声源布放规则：若驱赶保护动物常活跃于水体中上层，则当声速剖面为正梯度及匀速梯度时，驱赶声源布放于施工海域全水深一半位置，当声速剖面为负梯度时，驱赶声源布放于施工海域水面以下全水深20％位置；若驱赶保护动物常活跃于水体下层，则当声速剖面为正梯度及匀速梯度时，驱赶声源布放于施工海域水面以下全水深80％位置，当声速剖面为负梯度时，驱赶声源布放于施工海域全水深一半位置。
36.第三步，将对应数量的灯泡安装在如图2所示的灯泡内爆声源击发装置上，而后利用钻孔船或交通船等海洋工程施工船只，将击发装置布放于设定深度处；所述灯泡内爆声源击发装置由布放粗绳、牵引小绳、支架、弹簧、下活动金属板、击碎尖锥、白炽灯泡、连接架、螺母以及上固定金属板组成；所述上固定金属板、下活动金属板的中心均设中心圆孔，中心圆孔用于布放粗绳，粗绳固定在上固定金属板上，同时穿过下活动金属板的中心圆孔；所述上固定金属板距圆心一定距离处开设一小孔，牵引小绳穿过该小孔后分为两股，分别固定于下活动金属板两侧边缘；所述上固定金属板、下活动金属板的边缘分别对称设4个孔，用于安放支架；所述支架的上下两端均设有螺纹，通过螺母将上固定金属板固定于支架上端，通过弹簧与螺母将下活动金属板初始时限位于支架下端；所述弹簧安装于支架上，弹簧上端由空心铆钉固定住，弹簧下端延伸至下活动金属板面板上端；所述连接架与支架相连，白炽灯泡通过连接架固定于支架上，所述击碎尖锥焊接固定在下活动金属板上，击碎尖锥用于冲击并引起灯泡的内爆，击碎尖锥的数量和位置与白炽灯泡的数量和位置相对应。装置通过布放粗绳由布放船下放至水面以下某一深度处，并通过装置底部的重块加以稳定。图3给出本发明驱赶声源布放与驱赶作用示意。布放好后，由施工人员提升牵引小绳，击碎白炽灯泡引发水下内爆生成宽带脉冲信号，图4给出单枚a19型灯泡在水下18.3m处内爆后产生的信号频域分布。利用内爆信号对施工海域内的海洋哺乳动物进行驱赶后，等待一定的时间以给予动物逃离，而后进行正式的海洋工程施工操作。
37.本发明基于海洋哺乳动物对水下声信号十分敏感的特性，利用白炽灯泡为驱赶声源，布放于海洋工程施工点附近区域。在正式施工前击碎灯泡，通过灯泡水下内爆生成脉冲信号警示被保护动物远离施工危险海域。相较于传统的声墙驱赶、噪音驱赶及声学驱赶设备驱赶，本发明巧妙地利用普通白炽灯泡为驱赶声源，材料易得且成本低；内爆生成的驱赶信号结构多变，信号随机性强，避免动物熟知驱赶信号；可根据不同海洋工程施工类型调整灯泡数量进行对应驱赶，适用范围广；基于动物活跃深度及施工海域声速剖面情况设定驱赶声源布放深度，操作科学且合理。此外，本发明驱赶声信号强度可控，不会引发对动物的额外伤害，安全性高。综上，基于灯泡内爆的海洋哺乳动物声学驱赶保护方法在海洋工程施工噪声威胁下的海洋哺乳动物保护中具备广泛应用的潜力与优势。
38.上述实施例仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。