一种应用于北极冰区的水下宽频环保声源的产生方法与流程

本发明涉及水声工程，尤其是涉及一种应用于北极冰区的水下宽频环保声源的产生方法。

背景技术：

1、北极地区海洋面积辽阔，随着气候变暖，海冰季节性消退，北极地区在航道利用、资源开发、军事活动以及科学研究等方面变得越来越重要。由于北极及其毗邻海域处于高纬度地区，常年低温，造成北极海区独特的声速剖面，这使得北极水声环境与其它非极区的浅海、深海不同，具有自己的独特性。

2、水下声源是海洋水声学研究的重要设备之一。目前水声实验常用发射换能器(阵)、爆炸声源、气枪或气动声源、等离子体、灯泡等作为声源，其中发射换能器通常为单频或窄频，其它几类属于宽带声源。灯泡声源，产生的声信号为宽频短脉冲，较其他大功率声源对海洋环境的危害小，属宽频环保声源，安全性好。过去对环境保护的意识相对弱，由于爆炸声源源级大，变化小，应用中更偏向于爆炸声源。

3、1963年，urick(urick r j.implosions as sources of underwater sound[j].the journal of the acoustical society of america,1963,35(11):2026-2027)曾使用玻璃瓶做内爆声源，并认为其虽然转换效率低，但仍存在有用性。伍兹霍尔海洋研究所marshall等(marshall orr,michael schoenberg.acoustic signatures from deepwater implosions of spherical cavities[j].the journal of the acousticalsociety of america,1976,59(5):1155-1159)对中空玻璃球内爆产生的声信号进行分析，给出布放深度为3km时，96～5000hz频带内的压力特征、能量密度谱和总声能，并指出玻璃球声源可能在研究海底沉积结构方面进行应用。加拿大大西洋防务研究所heard等人(heard g j,mcdonald m,chapman n r,et al.underwater light bulb implosions:auseful acoustic source[c]//oceans'97.mts/ieee conference proceedings.ieee,1997)对普通灯泡作为声源进行水下声源实验，给出关于声源级、声谱以及普通尺寸灯泡和荧光灯管的使用方面的指导：认为浅水作业时，内爆灯泡可能是300米以下深度最具成本效益的声源，可将环境影响降至最低。澳大利亚科廷大学的ghiotto等(ghiotto a,penrose jd.investigating the acoustic properties of the underwater implosions of lightglobes and evacuated spheres.2009)应用家用轻型球体和特制真空球体在1～40m深度内爆，给出内爆的压力时间序列和频谱。t.c.yang(yang,t.c.under ice reflectivitiesat frequencies below 1khz[j].the journal of the acoustical society ofamerica,1981,70(3):841-851)在北极冰层下界面的声反射系数研究和s.e.dosso在北极跨冰层定位研究和浅海地声反演实验中，灯泡声源均作为重要的声源进行使用。

4、国内中国科学院声学研究所邵枝晖等(邵枝晖,肖灵,李整林等.真空内爆灯泡声源的性能分析[c]//中国声学学会青年学术会议.2003)通过采用修正方程讨论灯泡的真空度和声源级之间的关联，估计灯泡声源不同真空度条件下的脉动时间，探讨灯泡声源的性能，研究真空内爆灯泡声源的性能和真空度的关系。中国科学院声学研究所张仁和院士领导的研究小组(邵枝晖,肖灵,李整林等.真空内爆灯泡声源的性能分析[c]//中国声学学会青年学术会议.2003)曾设计和使用了灯泡声源装置，获得高声源级信号，并在亚洲海国际海洋声学联合实验中，将灯泡声源用来校准接收阵的形状。杜志鹏等(杜志鹏,杜俭业,李营等.不可压缩流体中球型容器内爆理论模型研究[c]//2015:5)认为容器水下压溃可引起内爆,产生内爆冲击波,对周围结构产生破坏作用，基于能量守恒原理，推导一种不可压缩流体中球型容器内爆理论模型。可以根据球型容器半径,容器所受静水压力等参数预测内爆冲击波压力,气泡半径,气泡溃灭时间周期。

5、随着国内北极声学科研和实验的逐年增多，如何在冰区水中产生宽频环保声源的需求越来越强烈。如前所述，灯泡声源就是一款非常实用的宽频环保声源。过去对灯泡声源的应用时，主要是从船体进行布放，无电源支持时，布放深度较浅(不超过10m)；大深度布放时(超过50m)，需要电源供电灯泡声源的释放装置，有工作船电源支持。在北极实验冰区，环境温度低，对电源设备要求高，且远离工作船，有效电源不易获取。一般的灯泡声源释放装置在无电源情况下，对水深50米以上内爆灯泡无法击破，且存在冰区不好操作等问题，因此，要在北极冰区实现大深度布放，获得宽频环保声源，急需开发一款无需电源支持且操作简便的水下灯泡声源及其释放装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种应用于北极冰区的水下宽频环保声源的产生方法。针对北极冰区缺乏水下宽频环保声源等问题，利用水下内爆真空灯泡及其释放器，从而无需电源在北极冰区产生宽频环保声源。

2、所述一种应用于北极冰区的水下宽频环保声源的产生方法，包括以下步骤：

3、1)真空灯泡选取：由于灯泡声源的性能与灯泡玻璃的厚度、体积大小、真空度有关，因此，为保证灯泡声源声学性能的稳定性，首先需要统一灯泡的品牌，若是定制灯泡，需用相同的玻璃材质，并保证灯泡大小、真空度一致；

4、2)设计灯泡声源的布放深度：灯泡声源的布放深度与灯泡声源的声源级、共振频率密切相关；在北极冰区声学研究与实验中，对灯泡声源有不同的具体需求，根据实际需求，依据布放深度和声源级、共振频率关系的经验公式，对灯泡声源的布放深度进行计算和合理设计；

5、3)设计灯泡声源释放装置：灯泡声源释放装置包括三大部分，一是绞车，二是灯泡架和灯泡，三是落锤；所述绞车由工字形不锈钢滚筒、钢丝、脚踏板、手动拉紧装置组成；其中钢丝长度大于50m；不锈钢滚筒上安装手动拉紧装置以便于手动操作；脚踏板采用不锈钢配重脚踏板，防止绞车在冰区打滑；灯泡架含上下两块不锈钢固定板、三根不锈钢支撑柱、两块活动板、击柱套管、真空灯泡；所述不锈钢固定板设有若干个打孔结构,以便于连通和水流流动；击柱套管固定在上不锈钢固定板上，由外管和内管组成。击柱套管外管固定于上不锈钢固定板，击柱套管内管与上不锈钢固定板之间用弹簧弹性连接，下端为尖状结构；活动板用螺栓固定于两侧不锈钢支撑柱，可上下活动，中间有圆孔；两块活动板中间放置一个真空灯泡；所述落锤为不锈钢中空圆柱结构，中间内置2个螺栓，螺栓可控制其开合；落锤上方有栓绳部件便于栓上辅助绳，控制落锤投放；灯泡架与绞车滚筒、钢丝为一体化结构，落锤和真空灯泡可自由拆卸；

6、4)释放灯泡声源：确定布放深度后，将灯泡架布放到所需深度，运用辅助绳牵引落锤到所需深度上方10m处，松开辅助绳，使落锤沿着钢丝砸落到灯泡架上方击柱套管的内管上，内管受力后往下运动，下方尖端部分将击中真空灯泡，产生内爆，释放出声能，从而产生宽频声信号。

7、在步骤1)中，所述真空灯泡的真空度为30kpa。

8、在步骤2)中，所述根据实际需求，依据布放深度和声源级、共振频率关系的经验公式具体如下：

9、依据布放深度和声源级之间的经验关系式：

10、sl＝160+26*log(h)+ξ                    (1)

11、其中，sl为声源级，h为灯泡在水下的深度，ξ为随灯泡半径、真空度、玻璃材质的不同而产生的变化量；

12、若声源级要达到180db，初步计算深度h要大于6m；另外，依据布放深度和共振频率之间的经验关系式：

13、f＝k*(g*(h+10))5/6                     (2)

14、其中，f为共振频率，g为重力加速度，k为随灯泡半径、真空度、玻璃材质的不同产生的系数；若共振频率为200hz，则可以初步计算深度h约为50m。

15、在步骤3)中，所述钢丝长度设计在200～250m；所述脚踏板不锈钢配重在4～10斤；所述不锈钢固定板设有2～4个打孔结构。

16、本发明通过设计一套一体化结构的绞车、落锤和灯泡架，可以对水下超过50m以上深度的真空灯泡进行击碎，在北极冰区释放并产生宽频环保声源。该方法所设计的装置无需电源供电，具有结构简单、布放简易、作用深度大、产生的声源效果好的特点，适用于北极冰区的声学科研与实验。

17、与现有技术爆炸声源、船载灯泡声源等相比，本发明具有如下优点：

18、1、灯泡声源为内爆声源，声源频段宽但总声源级小，对海洋生物影响可以忽略；

19、2、对灯泡依据其大小、玻璃材质、真空度进行定制，统一标准，保证声源级的稳定；

20、3、灯泡释放装置无需电源供电，且工作深度能达到50m以上；

21、4、灯泡声源及其释放装置操作、维护简单，且适用于北极冰区。