聲學驅魚技術研究

殷勇勤，呂友林，趙傳達，彭文林

（1.中國船舶重工集團公司 第七二六研究所，上海 201108；2.上海瑞洋船舶科技有限公司，上海 201108）

聲學驅魚技術研究

殷勇勤，呂友林，趙傳達，彭文林

（1.中國船舶重工集團公司 第七二六研究所，上海 201108；2.上海瑞洋船舶科技有限公司，上海 201108）

為解決海洋中正面臨著的人與海洋生物相互干擾的問題，開發一款高效且環保的驅魚器，用以暫時驅離人類活動區域內的魚類，在消除海上施工作業安全隱患的同時，保護魚類免受傷害。鑒于魚類可感知聲音，且會對一定頻率和聲壓范圍內的聲音感到厭惡而遠離，故可采用聲學原理來驅離魚類。為達到驅離效果，使用液電效應產生寬頻帶復合聲波，這是一種較為簡單、有效的方式。

聲學驅魚；液電效應；頻率；電壓

0 引 言

世界各地每天都進行著各種生產和建設，其中島礁、港口碼頭、鉆井平臺、河上大壩及修船造船等水上工程會對水中的生物造成傷害；而另一方面，人類的生產活動也時常受到水中生物的干擾。例如：水電站的進水口如果進入大量的魚，會對發電設備造成重大損傷；鉆井平臺及海底管道在遇到大型魚類或魚群時也容易受損。此外，平臺在正常生產過程中會產生大量有機物，這會吸引大量魚類來到平臺附近，進而招來垂釣愛好者和漁民到其周圍捕魚，給平臺的正常作業帶來安全隱患。

為保證水下設施和水上作業的安全，解決人類與水下物種間的相互干擾等問題，保護生態并可持續發展，需開發一套可靠的驅魚設備。這種設備保護既可以是固定式的局部區域保護，也可以是隨艦船的移動式保護。

1 驅魚方式的選擇

目前市場上還沒有成熟的驅魚產品，為數不多的研究僅限于理論驗證和增加了魚類的研究數據。根據以往的驅魚試驗和技術經驗，驅魚方式大致分為以下8種。

1.1 柵網攔魚

利用攔魚柵網驅魚是一種傳統的驅魚方法，柵條和網格的材料、形狀及布置間距等可根據目標魚的種類進行調整。該方法屬于被動驅魚，需采用移動工具拉著柵網驅魚，對體型較小的魚攔截效果較差，存在撞擊魚類、干擾結構過水能力和運行維護不便等諸多問題[1-2]。

1.2 電驅魚

電驅魚的原理即：通過電擊使魚產生不適感，從而達到驅魚的目的。該方法在水利工程中應用較多[3-4]，也會對魚類造成一定的物理損傷，且其電極結構易損壞，威脅人員的生命安全。例如，神泉山水庫應用HGL-1型電趕攔魚機，主要用來防止魚類在泄洪過程中流失[5]。

1.3 聲學驅魚

相關研究結果表明，水下聲波可用來誘魚或驅魚，關鍵技術在于準確掌握能在水下發揮有效誘驅魚作用的聲波的波形、大小和頻率等[1,6]。水下聲學應用目前發展較為成熟，采用水下聲學的方式驅魚，在工程上比較容易實現。

1.4 光驅魚

光與聲音一樣，也可用來誘魚和驅魚，其關鍵技術在于有效光強及光色等因素的選擇。研究結果表明，閃光燈也可用來驅魚。目前此方面的研究甚少，光強和光色選擇很困難[7-8]。

1.5 氣泡幕驅魚

相關研究結果表明，氣泡幕通常對魚有視覺、聽覺及機械壓力振動等3種刺激，可將其作為一種驅魚方式。然而，這種方式的作用距離有限，不太適合大范圍驅魚[9-10]。

1.6 熱驅魚

每種魚類都有適宜其生存的水溫范圍，當局部水溫上升至魚類感覺不適的溫度時，魚類會出現逃離行為。目前國內外尚無熱驅魚方面的試驗研究，若在危險水域形成一個使魚類能自主逃逸的溫度場，即可達到生態驅魚的目的[1]。這種方式成本較高，且會對環境產生較大影響。

1.7 誘魚劑驅魚

誘魚劑驅魚主要是利用食物及氣味達到驅魚的目的，一般以誘為主，國內外相關研究較多。然而，魚食會污染水體，對環境有一定影響。

1.8 水流驅魚

魚類有頂流而行的特性，水流誘魚是目前國內外過魚建筑物較多采用的誘魚方式。但若大范圍地采用該方式驅魚，會對施工作業產生較大影響。

綜合考慮上述驅魚方式，由于聲音在水下有衰減小、傳播速度快和影響范圍廣的特點，采用聲學驅魚方式效率高，無需改造水域環境且能保護生態，這種驅魚方式較為可行。

2 聲學驅魚器可行性分析

2.1 魚類感聲研究

魚類的感聲系統包含內耳、側線、鰾和氣囊等器官，由這些器官綜合感知聲波或水體中的振動。魚類的內耳器官通常能感知16～1300Hz的振動；側線能感知10～150Hz的振動，最適宜的頻率為50～100Hz；有些魚類的內耳下部有一塊“韋伯爾”小骨，能增強對聲音的靈敏度；魚鰾作為聲的共鳴腔，對聲的反射強度大，在低頻時會出現共振現象，此信號傳至內耳，能極大地提高聽覺的靈敏性。有試驗結果表明，當對某些魚類采取摘除鰾措施或鰾不充氣時，其對聲音的靈敏度則下降35～40dB。魚鰾隨魚體的生長而生長，直到魚體停止生長。總體上看，魚鰾的體積約占魚體的 5%，因此魚鰾的大小與魚的大小有關，魚類的感聲能力也因魚的大小而有所不同。

相關試驗結果表明，一般的魚類可聽到頻率為 500～600Hz的聲音，超出該頻率范圍，魚類的聽力相對較差。當然，不排除個別魚種會因身體的特殊構造而對聲音的感知頻率超出該頻段。魚類能感知一定頻率的聲音，而當聲音達到一定的聲壓級之后會產生恐慌，對突發性聲音更為敏感。有試驗結果表明，一般的魚類對140～160dB的聲壓有受驚嚇的反應。

對部分已有試驗進行歸納，得到部分魚類對聲音的感知情況（見表1）[6]。

表1 部分魚類對聲音的感知情況

2.2 聲學驅魚器分析

根據對魚類的聲學研究及表1中的試驗數據，不同種類的魚對不同頻率和不同聲壓級的聲音的感知能力是不同的，一般的魚類對1.3kHz以下頻率的聲音是有感知的，對600Hz以下頻率的聲音感知能力最強，對特定頻率的140～160dB聲壓級突發性聲音有受驚嚇的反應，因此采用聲學的原理設計驅魚器是可行的。

此外，國際上現有的驅豚器就是采用聲學的原理驅離海豚的。1996年和1997年在芬迪灣和丹麥進行過大量試驗，結果顯示適合漁網的聲學驅離系統可在很大程度上減少副漁獲。例如，在歐洲使用的驅豚器AQUAmark100和AQUAmark200發射的聲波頻率為10kHz±2kHz，已在商業方面應用數年，有效佐證了利用聲學原理驅魚的可行性。

由于海魚種類繁多，相關研究資料有限，利用聲學原理驅魚不能適用所有魚類。但是，依據上述原理和已有的研究成果，為了使該驅魚方式對絕大多數的魚類都有效果，可將驅魚設備的發聲頻率和聲壓范圍盡量擴大，做到有備無患。

3 聲學驅魚器的設計

3.1 驅魚器水下聲源選擇

聲學驅魚器需在水下發出令魚類感到厭惡或害怕的聲音，如何選擇水下聲源是首要問題。根據發聲原理的不同，水下聲源可大致歸納為炸藥爆炸發聲、電聲換能器聲源、參量陣聲源、流體動力式聲源、電磁式聲源、激光聲源和等離子體聲源等7種。從環保和高效來看，適合做驅魚器聲源的主要有電聲換能器聲源、參量陣聲源、電磁式聲源和等離子體聲源，這些聲源都采用電能轉換為聲能的形式。

3.1.1 電聲換能器聲源

電聲換能器聲源是利用電聲換能器將電信號轉換成聲信號，不同材質的電聲換能器在性能方面會有很大差異。壓電陶瓷是應用最廣泛的電聲換能器材料，但因發射功率受到工作頻率、功率容量和空化等因素的限制，使得信號的帶寬和功率都有一定的物理限制[11]。

3.1.2 參量陣聲源

參量陣聲源的基本原理是使用發射器（通常由超聲換能器組成）同時發出2個頻率相近的大振幅高頻波，這些大振幅高頻波在水中傳播時具有非線性特性，會形成差頻波及和頻波，由于2個高頻波的頻率非常相近，因此差頻波的頻率很低，具有很強的穿透力，故多利用差頻波對水深進行精確測量[11]，其能量不足以驅離魚群。

3.1.3 電磁式聲源

電磁式聲源的原理是利用瞬間的電磁感應產生的力量迫使金屬板迅速“轟擊”周圍的水介質，從而形成聲脈沖向外輻射出去。現代的醫療領域中通常會用到該技術，即采用裝有聲聚焦裝置的電磁式聲源進行體外沖擊波碎石[11]。

3.1.4 等離子體聲源

等離子體聲源是采用液電效應的原理將高功率脈沖電容器存儲的能量在液體中瞬間釋放，形成巨大的脈沖電流，從而將電能直接變成爆炸式的機械能，形成超聲速的激波向外傳播，進而衰減成強聲脈沖[11]。

為確保驅魚器對絕大多數魚類都有效果，其聲波需覆蓋絕大部分魚類感知的頻率和聲壓，比較簡單、有效的方式是將聲波設計成寬頻帶的復合聲波，且其聲壓＞160dB的突發性聲音。這里對聲音有2方面要求，即：能發出復合的寬頻帶聲波；能發出足夠聲壓級別突發性聲音。鑒于此，選擇等離子體聲源較為合適，因為其發聲能量足夠大，復合聲波的頻率分布十分均勻，頻帶也足夠寬。

3.2 驅魚器具體設計

若采用等離子體聲源的發聲方式，則根據其水中脈沖放電（液電效應）原理（見圖1），能量需首先經過高功率脈沖電容器的積蓄，然后經開關傳遞到水下放電電極，待充電到高壓狀態后連通開關，電容的電量經水下電極迅速釋放，產生極強的放電電流，形成球狀等離子體區域，該區域中的水迅速汽化、膨脹并引起爆炸，形成強烈的沖擊波向外傳播，最后衰減成聲脈沖。

此外，對驅魚器的控制有能量釋放的時間間隔和能量的大小2方面的要求。驅魚器對能量釋放的時間間隔應設計為可控形式，因為生物都具有適應性。當聲響均以相同時間間隔發射生成時，經過一段時間的適應期，此聲響對魚的驅離效果會大大減弱。因此，可將發射的時間間隔設定為隨機模式，即設定為充電時間的N倍，N可變。此外，每次聲波發射的能量大小在達到驅魚效果的范圍內采用隨機模式，也可增強驅魚器的效果。

通過對比中國船舶重工集團公司第七二六研究所某項目的試驗實施結果可知，經過電容充電使電壓達到6000V左右時，通過水下電極陣放電產生強脈沖聲波，頻譜在DC～10kHz內基本上是均勻分布的，在10kHz以后衰減；其強脈沖聲波時域波形見圖2，強脈沖聲波功率譜見圖3。此種聲波為復合寬頻帶聲波，將其與魚類的感聲指標對比可知，其能覆蓋大部分魚類，因此該設備可用來驅魚。

依照此種方式，一套完整的驅魚器需有一個高功率的脈沖電源，用來控制能量的積蓄和釋放；需有一個水下放電電極陣，作為發聲單元；需有一個顯示控制單元，置于控制室，以方便人員操控設備。此外，為便于電極陣的收放，還可根據具體的安裝區域設計合適的電極陣收放方式，例如電纜盤及滑軌等。水下聲學驅魚器設備構成見圖4，設備的工作原理見圖5，其中虛線箭頭為控制線路。

3.3 驅魚效果檢驗

對于驅魚器效果的檢驗，由于淡水和海洋中的環境及魚的種類均不相同，因此需在淡水環境及海洋環境中分別挑選不同種類、不同大小的魚來試驗。

3.3.1 試驗環境

聲波在水中按照球面波衰減，由球面波衰減公式可得

式(1)中：Lp為聲壓級；Lw為聲功率（為固定值）；r為與聲源的距離。

由式(1)可知，與聲源間的距離每增加1倍，實際聲壓只衰減6dB。以此類推，若將距離聲源1m處的聲壓級定義為聲源級，假設存在一個聲源級為 220dB的聲波，則根據式(1)可得出不同距離內的聲壓級見表2。

表2 不同距離的聲壓級（衰減）

綜上所述，若試驗區域比較小，則聲波衰減有限，再加上魚池各處對聲波的反射使得水域內各處的聲波強度相差不大，魚沒有躲避的空間，致使試驗不能成功。因此，試驗水域需足夠大，使魚有躲避聲波的空間。

另外，通過公式的計算并對比某種魚對聲壓的反應，便可大致知道該設備對此種魚的有效驅離范圍。例如：對于日本鳀，其在頻率為300Hz，聲壓級在146.8dB以上的聲音環境里受驚嚇最強烈；若設備在300Hz頻率的環境里聲壓級為180dB，則其對此種魚的有效驅離范圍為50m左右。

3.3.2 試驗證明

由于魚的種類繁多，試驗不能包含全部情況。上文已確認中國船舶重工集團第七二六研究所某項目設備的技術指標覆蓋國際公認的大部分魚類的聲學指標，現只需用若干種魚類的驅魚效果來驗證該聲學指標的正確性。通過在海洋石油平臺和錦鯉魚池內對該設備進行試驗，檢驗設備對海洋魚類和淡水魚類的驅離效果，試驗結果證明設備是具有驅魚效果的。

1 ) 經海洋石油平臺試驗，受限于海水渾濁及海洋環境復雜多變，無法直接觀察水中魚群的反應，因此通過采用探魚器探測魚群的位置變化來間接檢驗驅魚效果。將探魚器的探頭裝于驅魚器電極陣附近，由探魚器的探測結果可知，探測到的魚群在設備開機5min后消失了，且反復試驗數次結果是一致的，證明該效果為驅魚器所致，故該設備的驅魚效果較好。

2 ) 對于錦鯉魚池試驗，由于錦鯉魚在覓食時會浮于水面，便于用肉眼觀察魚群的反應，因此選擇錦鯉魚作為試驗對象。在準備的魚池內放入若干錦鯉，用魚食將魚群吸引至放電電極陣周圍之后開啟設備，發現魚群遠離電極陣游動，且逃離反應劇烈。此外，在試驗過程中還發現，每次試驗之后用魚食能吸引到電極陣附近的魚群數量在減少，說明魚群對驅魚器的懼怕超過了對魚食的渴望，證明驅魚器具有很好的驅魚效果。

4 結 語

目前市場上還沒有針對多種魚類的較為成熟的驅魚器產品，但在水電站、石油平臺等多種場所都會用到驅魚技術，因而開發一款可有效驅離大部分魚類的驅魚器是有市場需求和經濟效益的。

保護魚類是驅魚器的一個重要作用，因此驅魚器不應對水下魚類產生傷害，特別是不能對水下哺乳類魚類（鯨魚、海豚等）的聲吶系統產生傷害。

此外，高功率電源因在發射時需匯聚能量，其發射端有高壓，應有高壓的標志；由于強脈沖對水下作業人員的聽力也有一定的沖擊，故對水下發聲區域應設有危險警示標志。

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A Research on the Acoustic Fish Herding Technology

YIN Yong-qin，LYV You-lin，ZHAO Chuan-da，PENG Wen-lin

（1.CSIC No.726 Research Institute, Shanghai 201108, China; 2.Shanghai Ruiyang Marine Technology Co., Ltd., Shanghai 201108, China）

In order to solve the problem of mutual interference between human and marine creatures, a highly efficient and environment-friendly fish herding device is developed, which can temporarily herd fishes away from human activity areas, eliminating the potential dangers to offshore operation and protecting fishes from injury.Fishes are sensitive to sound, they will react to displeasing sound and swim away, so the acoustic method is chosen for fish herding, of which the simplest way is to use electro-hydraulic effect to produce broadband composite sound waves to ensure the herding effect.

acoustic fish herding; electro-hydraulic effect; frequency; voltage

U666.7

A

2095-4069 (2017) 04-0026-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.006

2017-02-17

殷勇勤，男，工程師，1981年生。畢業于南京信息工程大學計算機科學與技術專業，現從事船舶自動化控制方面的研究。