砂土底質(zhì)淺水條件下實(shí)船地震波的檢測(cè)試驗(yàn)

盧再華，張志宏，顧建農(nóng)

（海軍工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430033）

砂土底質(zhì)淺水條件下實(shí)船地震波的檢測(cè)試驗(yàn)

盧再華，張志宏，顧建農(nóng)

（海軍工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430033）

艦船低頻輻射噪聲在淺海的海底巖土層中引起的彈性波被稱為艦船地震波，可用于識(shí)別艦船目標(biāo)。為了探討砂土底質(zhì)淺海環(huán)境下艦船地震波的檢測(cè)距離和信號(hào)特征，利用三分量微幅地震波檢測(cè)儀，在砂土底質(zhì)的內(nèi)陸河道開展了實(shí)船地震波檢測(cè)試驗(yàn)，獲取了多個(gè)批次隨機(jī)船只的地震波檢測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)船地震波檢測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)頻圖結(jié)果表明，在砂土底質(zhì)淺水條件下，地震波信號(hào)的豎直分量傳播距離相對(duì)水平分量較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)距離地震波信號(hào)的頻率成分主要為螺旋槳的軸頻和倍頻，多數(shù)船只基于地震波線譜的探測(cè)距離能達(dá)到1 000 m以上。

聲學(xué)；砂土底質(zhì)；淺水；實(shí)船；地震波；檢測(cè)試驗(yàn)

0 引言

地震波通常是指由地殼活動(dòng)釋放的能量引起，經(jīng)由地層傳播到地表的彈性波，主要有縱波、橫波和面波3種波動(dòng)形式，其頻率范圍一般在100 Hz以下。航行艦船是一個(gè)很大的能量載體，通過船體對(duì)水體的擾動(dòng)、船體的固有頻率振動(dòng)、船上的機(jī)械振動(dòng)輻射噪聲、螺旋槳噪聲以及水動(dòng)力噪聲等方式將能量釋放到水體中，經(jīng)由水體傳播至海底，引起海底巖土層振動(dòng)，產(chǎn)生彈性波并向外傳播，傳播到遠(yuǎn)處海底表面的彈性波被稱為艦船地震波［1-2］。與通常意義上的地震波相比，艦船地震波信號(hào)較微弱，但隨著現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)艦船地震波已成為可能。因此，艦船地震波可用來探測(cè)水中艦船目標(biāo)，是一種與艦船聲、磁、水壓場(chǎng)不同的新型艦船物理場(chǎng)，在沉底水雷引信和安靜型潛艇遠(yuǎn)程預(yù)警等軍事領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。開展航行船舶引起水底地震波的檢測(cè)試驗(yàn)研究，獲取實(shí)船地震波信號(hào)及其特征，對(duì)探討艦船地震波的形成機(jī)理和傳播規(guī)律具有重要意義。國(guó)內(nèi)近年來開展了大量的試驗(yàn)工作，按檢測(cè)環(huán)境可分為3類：江試、湖試和海試。江試的實(shí)船地震波檢測(cè)距離在50～1 000 m范圍［3］，由于早期的測(cè)量系統(tǒng)頻帶寬度較窄，不同船型的檢測(cè)距離差別較大。根據(jù)淤泥軟底的湖試結(jié)果［4］，船只正橫通過到400 m左右距離能檢測(cè)到較為明顯的地震波信號(hào)。孫長(zhǎng)國(guó)等［5］、李響等［6］進(jìn)行的海試測(cè)量主要分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的譜峰頻率，未討論實(shí)船的測(cè)量距離。張海剛利用近岸的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了目標(biāo)船只輻射噪聲激發(fā)地震波的海上測(cè)量實(shí)驗(yàn)，最遠(yuǎn)檢測(cè)距離約30 000 m，海底底質(zhì)條件沒有提及［7］。余東明等通過查看海圖和地質(zhì)調(diào)查情況，把儀器投放在砂質(zhì)或砂質(zhì)含礫海底，測(cè)量距離在1 000 m左右［8］。可見，不同水底底質(zhì)條件下，實(shí)船地震波檢測(cè)距離差別較大，從1 km以內(nèi)變化到數(shù)十千米外。海底巖土層是艦船地震波的傳播通道，艦船地震波信號(hào)的探測(cè)距離與海底巖土層的軟硬程度、吸收衰減等地質(zhì)特性密切相關(guān)。砂土沉積層水底是一種較為典型的軟質(zhì)淺海海底，地震波傳播時(shí)吸收衰減較大，檢測(cè)距離可能會(huì)受到較大影響。據(jù)此，本文利用拓寬頻帶范圍后的三分量微幅地震波檢測(cè)儀，在砂土底質(zhì)內(nèi)陸河道開展實(shí)船地震波檢測(cè)試驗(yàn)，從試驗(yàn)研究的角度對(duì)砂土底質(zhì)淺水環(huán)境下艦船地震波的檢測(cè)距離和信號(hào)特征進(jìn)行初步的探討。

1 檢測(cè)試驗(yàn)概況

實(shí)船地震波檢測(cè)試驗(yàn)地點(diǎn)選在長(zhǎng)江支流漢江的江邊，位于湖北省漢川市東偏南方向9 500 m處的肖家灣江段，該江段的航道呈倒“幾”字形。環(huán)境噪聲較大，試驗(yàn)江段（肖家灣）北偏西方向3 000 m處有火力發(fā)電廠，規(guī)模較大，有兩座冷卻塔。試驗(yàn)江段的位置和場(chǎng)地情況如圖1所示，圖1（b）為圖1（a）中檢測(cè)場(chǎng)地的局部放大圖，圖1（b）中的圓圈標(biāo)志為裝有地震波探頭的水密艙布放位置，矩形為檢測(cè)儀布置點(diǎn)。檢測(cè)儀距離探頭約50 m，避免檢測(cè)試驗(yàn)過程中的人為腳步干擾。測(cè)點(diǎn)位置下游船只直線可視距離約900 m，上游船只直線可視距離為650 m左右。

圖1　試驗(yàn)江段位置和場(chǎng)地情況Fig.1 The location and site condition of detecting test

檢測(cè)儀器為三分量微幅地震波檢測(cè)儀［3］，在原有儀器基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和完善，頻率范圍增大到100 Hz，測(cè)試軟件增加了實(shí)時(shí)顯示地震波信號(hào)頻域曲線的模塊。圖2為檢測(cè)儀在漢江江邊的現(xiàn)場(chǎng)布置圖，岸灘和水底為砂土底質(zhì)的厚沉積層。裝有地震波探頭的水密艙布置在離岸較近的水底，水深約1 m處。采用人工布置的方法，保證水密艙和水底砂土耦合良好，盡量減小水密艙與水底耦合條件不良造成的諧振。兩個(gè)水密艙平行布置在水底，檢測(cè)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，以排除所檢測(cè)地震波信號(hào)的偶然性。

檢測(cè)船只為漢江上的隨機(jī)船只，主要有運(yùn)砂船、貨船及空船，共進(jìn)行了9個(gè)批次的實(shí)船地震波檢測(cè)試驗(yàn)。所有目標(biāo)船只的船型特征見表1所示，圖3 為8號(hào)船和9號(hào)船正橫通過測(cè)點(diǎn)時(shí)的航行照片。船只速度經(jīng)測(cè)距儀結(jié)合時(shí)間初步估計(jì)，上行船只約2 m/s，下行船只約2.5 m/s，個(gè)別船只速度有所不同。噸位較大的運(yùn)砂船只船長(zhǎng)約70 m，噸位在100 t以上。

2 檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果及特征分析

2.1環(huán)境噪聲地震波

整個(gè)檢測(cè)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間5個(gè)多小時(shí)，在數(shù)千米范圍內(nèi)沒有船只通過的間隙時(shí)段，對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地的地震波環(huán)境噪聲進(jìn)行了檢測(cè)。圖4為該試驗(yàn)場(chǎng)地典型的地震波環(huán)境噪聲時(shí)頻圖。兩個(gè)水平方向基本為20 Hz以下的寬帶噪聲，以20 Hz左右的噪聲為主；豎直方向和水平方向相比，主要是寬帶噪聲的上限超過20 Hz，繼續(xù)向上延伸；290 s的采樣時(shí)間范圍內(nèi)，噪聲水平變化較大。

2.2目標(biāo)船只地震波

受環(huán)境噪聲地震波干擾和航道不均勻水底條件的影響，檢測(cè)的實(shí)船地震波一般是非平穩(wěn)信號(hào)，單獨(dú)從時(shí)域或頻域不能充分描述信號(hào)特征，只有同時(shí)從時(shí)域和頻域的角度進(jìn)行分析，才能更全面清楚地反映信號(hào)特征。據(jù)此，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了時(shí)頻分析處理，得到了實(shí)船地震波的時(shí)頻圖并分析了其相應(yīng)的檢測(cè)距離和時(shí)頻特征。節(jié)省篇幅起見，下面僅列出信號(hào)特征較為典型的幾批目標(biāo)船只檢測(cè)結(jié)果。

圖2　水底地震波檢測(cè)儀Fig.2 The three-component seismometer for weak seismic wave detection

表1　船只編號(hào)及船型特征Tab.1 The series number and appearances of random ships

圖3　8號(hào)船和9號(hào)船正橫通過測(cè)點(diǎn)時(shí)的航行照片F(xiàn)ig.3 Sailing photographs of No.8 and No.9 random ships passing through landmark

2.2.1上行砂船（3號(hào)船）

目標(biāo)船只為兩駁船編組的上行砂船，記錄起始時(shí)間為13：54，目標(biāo)船只出現(xiàn)在下游視野范圍內(nèi)開始檢測(cè)。經(jīng)測(cè)距儀測(cè)量，45 s時(shí)位于下游830 m，14：01對(duì)應(yīng)376 s時(shí)正橫通過測(cè)點(diǎn)。圖5為該目標(biāo)船只地震波的時(shí)頻圖。

在目標(biāo)船只正橫通過測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻（376 s左右），所有線譜均為最強(qiáng)，之前和之后均呈衰減趨勢(shì)，時(shí)頻圖中的線譜表現(xiàn)出明顯的船只通過特征；和兩個(gè)水平方向相比，豎直方向信號(hào)較強(qiáng)，線譜較為明顯。信號(hào)最強(qiáng)的36 Hz伴有倍頻72 Hz，應(yīng)為該目標(biāo)船只的螺旋槳軸頻和倍頻；目標(biāo)船只正橫通過測(cè)點(diǎn)時(shí)，時(shí)頻圖中線譜成分最為豐富，但多數(shù)線譜迅速衰減；螺旋槳軸頻和倍頻衰減相對(duì)較慢，36 Hz軸頻在豎直方向的地震波信號(hào)基本可以維持到950 s，對(duì)應(yīng)的目標(biāo)船只線譜探測(cè)距離為上游1 200 m.

圖4　環(huán)境噪聲地震波信號(hào)的時(shí)頻圖（檢測(cè)時(shí)間14：59）Fig.4 The time-frequency spectrum of environmental seismic wave（detecting time：14：59）

2.2.2上行砂船（9號(hào)船）

目標(biāo)船只為上行砂船，記錄起始時(shí)間為17：20，船只位于下游拐彎處約900 m處。17：28正橫通過測(cè)點(diǎn)，時(shí)頻圖中對(duì)應(yīng)時(shí)間為510 s.圖6為該目標(biāo)船只地震波的時(shí)頻圖。目標(biāo)船只正橫通過測(cè)點(diǎn)時(shí)段，時(shí)頻圖中較為明顯的線譜成分有31 Hz及其倍頻62 Hz，另外還有47 Hz成分；豎直方向信號(hào)較強(qiáng)，線譜清晰，31 Hz線譜可維持到1 200 s，對(duì)應(yīng)的目標(biāo)船只線譜探測(cè)距離為上游1 400 m.

根據(jù)上述兩船檢測(cè)結(jié)果，地震波信號(hào)水平分量的線譜衰減較快，豎直方向衰減較慢，地震波信號(hào)的豎直分量傳播距離相對(duì)較遠(yuǎn)。目前，艦船地震波主要應(yīng)用于沉底水雷的值更引信，沉底水雷一般采用投放后自行沉底方式。因此，本文人工布置裝有地震波探頭的水密艙時(shí)，也采取垂直投放沉入水底的方式，并未將水密艙埋入水底的砂土沉積層中。相應(yīng)地，水密艙和砂土沉積層在豎直方向的耦合程度比水平方向好，是造成豎直方向地震波信號(hào)傳播距離相對(duì)較遠(yuǎn)的主要原因。另外，在低頻聲源引起海底地震波的理論研究方面，盧再華等基于波數(shù)積分方法得到了海底表面聲壓、位移和加速度的頻率特性曲線，結(jié)果表明：軟質(zhì)海底豎直方向加速度具有明顯的低頻通過特征，點(diǎn)聲源海底地震波的頻域特征具有方向性［9-11］。本文檢測(cè)結(jié)果和上述理論分析結(jié)果也初步符合。

圖5　實(shí)船地震波信號(hào)的時(shí)頻圖（3號(hào)船）Fig.5 The time-frequency spectra of seismic wave caused by No.3 random ship

3 結(jié)論

為了探討砂土底質(zhì)淺海環(huán)境下艦船地震波的檢測(cè)距離和信號(hào)特征，利用三分量微幅地震波檢測(cè)儀，在砂土底質(zhì)的內(nèi)陸河道開展了實(shí)船地震波檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明：

圖6　實(shí)船地震波信號(hào)的時(shí)頻圖（9號(hào)船）Fig.6 The time-frequency spectra of seismic wave caused by No.9 random ship

1）目標(biāo)船只正橫通過測(cè)點(diǎn)時(shí)段，所有線譜均為最強(qiáng)，之前和之后呈衰減趨勢(shì)，船只通過特征較為明顯。

2）目標(biāo)船只近距離正橫通過測(cè)點(diǎn)時(shí)，地震波探頭檢測(cè)到的線譜成分基本為目標(biāo)船只的低頻輻射噪聲線譜，主要是船只螺旋槳的軸頻和倍頻，也包含其它線譜成分，有的船只線譜成分較豐富。隨船只遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)，多數(shù)線譜迅速衰減，檢測(cè)到地震波信號(hào)的頻率成分僅剩螺旋槳的軸頻和倍頻。

3）地震波信號(hào)水平分量的線譜衰減較快，豎直分量衰減較慢，地震波信號(hào)的豎直分量傳播距離相對(duì)較遠(yuǎn)。

4）多數(shù)船只基于地震波線譜的探測(cè)距離能達(dá)到1 000 m以上。

本文主要通過砂土底質(zhì)內(nèi)陸河道的實(shí)船地震波檢測(cè)試驗(yàn)，初步探討了砂土底質(zhì)淺海環(huán)境下艦船地震波的檢測(cè)距離和信號(hào)特征。由于試驗(yàn)條件有限，本次測(cè)量試驗(yàn)的目標(biāo)船只為漢江上不可控的隨機(jī)航行砂船，難以獲取其低頻輻射噪聲的源強(qiáng)參數(shù)，而且檢測(cè)水域的地層參數(shù)也未能進(jìn)行定量測(cè)量，因此本文僅對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的時(shí)頻分析處理，初步地探討了砂土底質(zhì)淺水條件下實(shí)船地震波的線譜頻率范圍和線譜探測(cè)距離。在今后的研究工作中，還需要進(jìn)一步針對(duì)可控目標(biāo)船只，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探，獲取較為準(zhǔn)確的目標(biāo)船只源強(qiáng)特性和地層參數(shù)后，再進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)處理與分析、環(huán)境噪聲與測(cè)試誤差影響等方面的分析，以獲取實(shí)船地震波規(guī)律性的結(jié)果。艦船地震波的波動(dòng)成分和傳播規(guī)律比較復(fù)雜，聲源頻率、聲源深度、海水層厚度等對(duì)海底地震波傳播規(guī)律的影響，也需進(jìn)一步進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究。

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A Detecting Test of Seismic Waves Caused by Random Ships in Shallow Water with Sandy Bottom

LU Zai-hua，ZHANG Zhi-hong，GU Jian-nong
（College of Science，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，Hubei，China）

Elastic wave in the seabed caused by low frequency noise radiated from ship is a so-called ship-induced seismic wave which can be used to identify the ship target in shallow sea.In order to investigate the detecting range and signal feature of ship-induced seismic wave in shallow sea with thick sandy bottom，a detecting test of seismic waves caused by random ships in inland river with thick sandy bottom is carried out with a three-component seismometer for weak seismic wave detection.The seismic waves caused by several random ships are obtained.According to the calculated time-frequency spectrum of the seismic waves，the propagation characteristics of seismic waves caused by ships in shallow water with thick sandy bottom are analyzed.The vertical component of seismic wave can propagate to a far distance compared with the horizontal component.The signal received by seismometer in far field is mainly caused by the noise radiated from the propeller because the line spectrum of the detected signal is almost the same as that of the propeller and always has a double frequency of the propeller’s rotation frequency.The detecting ranges of most random ships are above 1 km based on the line spectrum of propeller.

acoustics；sandy bottom；shallow water；random ship；seismic wave；detecting test

P733.23

A

1000-1093（2016）03-0482-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.03.013

2015-08-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51179195）；國(guó)防預(yù)先研究項(xiàng)目（513030203-02）

盧再華（1972—），男，副教授。E-mail：luzaihua01@163.com