半潛式海上鉆井平臺水下安防預警系統(tǒng)聲兼容分析

王彥鵬 馮其瑞 王懷鋒

（中海油安全技術服務有限公司，天津，300450）

海洋蘊藏了全球超過70%的油氣資源，深海是油氣資源的接替區(qū)，為解決我國油氣資源供需缺口，海洋油氣資源開發(fā)逐步向深海發(fā)展。我國研制的某半潛式深水鉆井平臺目前主要用于南海海域深水勘探、開發(fā)等作業(yè)。近幾年以來，該平臺在我南海西沙群島附近的油氣勘探，周邊國家通過民船、偽裝漁船的武裝船只、海警，以及水下蛙人等各種手段[1]多次進行大規(guī)模騷擾。水下無人作戰(zhàn)平臺（如水下無人潛航器）、水下蛙人等水下裝備和技術的快速發(fā)展，對海上鉆井平臺的安全造成了嚴重的威脅，因此深海海上鉆井平臺對水下安防預警系統(tǒng)具有迫切需求。目前對水下小目標的安防預警手段主要以反蛙人聲吶為主，其信號監(jiān)測主要基于聲波傳導的方式，半潛式鉆井平臺上不僅振動噪聲源設備多、聲功率大，而且設備頻譜覆蓋了低頻、中頻和高頻[2]7-10，嚴重影響水下安防預警系統(tǒng)監(jiān)測信號的接收[3]，因此研究海上鉆井平臺和水下安防預警系統(tǒng)的聲兼容具有重要意義。

1 噪聲源分析

半潛式海上鉆井平臺噪聲源是多種多樣的，且各種噪聲源發(fā)聲機理各不相同，主要噪聲源可分為周圍海洋環(huán)境噪聲和自身噪聲。

1.1 海洋環(huán)境噪聲

該平臺作業(yè)海區(qū)處于南海深海水域，因此海洋環(huán)境噪聲屬于深海噪聲范疇。深海噪聲在整個頻帶內(nèi)是多重性的，噪聲譜也是復雜的。目前海上平臺對水下小目標的預警主要以反蛙人聲吶為主，而反蛙人聲吶一般采用高頻主動聲吶對蛙人進行探測，聲吶工作頻率一般在幾十kHz到百kHz，聲頻段主要集中在深海平均環(huán)境噪聲譜曲線[4]中的IV頻帶，這一頻帶的特征譜以5～6 dB/oct下降，在3級海況時，60 kHz的譜級噪聲僅為32 dB左右。

1.2 自噪聲

自噪聲主要包括：相關聲學設備的聲信號，電氣、機械等設備產(chǎn)生的噪聲，風機、通風機、空調(diào)機等空氣動力噪聲，發(fā)電機、油氣輸送泵等結(jié)構(gòu)噪聲，以及推進器的螺旋槳噪聲和螺旋槳的空化噪聲。發(fā)電機位于平臺下甲板，空氣壓縮機位于平臺主甲板；各種泵主要位于平臺主甲板、中甲板以及下甲板；風機主要位于平臺上層建筑以及各甲板的艙室。各設備分散在各甲板、下浮體、立柱和上船體等各個位置[2]30-34，這些激勵源的振動加速度主要頻率范圍在500 Hz～10 kHz，該頻段內(nèi)最大加速度幅值超過 100 dB（Ref=1 μg）。

平臺的振源、噪聲源分散在平臺各個位置，發(fā)生干涉、反射和衍生等現(xiàn)象的可能性較小，干擾疊加影響也較小。平臺自身鋼結(jié)構(gòu)、甲板與主體鋼結(jié)構(gòu)、機械設備與平臺結(jié)構(gòu)等之間的連接均是剛性連接，因此平臺本身就是一個良好的聲能量傳播導體。螺旋槳空化噪聲通常主要集中在100 Hz～10 kHz，螺旋槳噪聲在100 Hz以下，處于低頻段。該平臺現(xiàn)有的主要水下聲學設備如表1所示。

表1 現(xiàn)有的主要聲學設備

從表1可以看出，平臺現(xiàn)有的水下聲學設備主要有定位、信標、測深等設備，種類較多，且其工作頻段豐富。測深儀主要用于航行，水聲定位系統(tǒng)用于作業(yè)等定位情況，設備在使用過程中的布放深度均在距船底5 m的范圍內(nèi)。此外，平臺還配備有一些海洋信息采集設備，如風速儀、雷達系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)等。

2 平臺聲環(huán)境測量

某半潛式深水鉆井平臺聲環(huán)境測量系統(tǒng)如圖 1所示，水聽器通過電纜連接至數(shù)據(jù)匯集器，數(shù)據(jù)匯集器將水聽器信號通過傳輸線纜傳送至濾波放大器進行濾波放大，對輸出信號進行采集、記錄和分析。根據(jù)水下噪聲聲壓譜（密度）級計算公式[5]：

式中，Lps為水下噪聲聲壓譜（密度）級，基準值為1 μPa/√Hz，Lpf為測得的中心頻率為f的頻帶聲壓級，△f為相對1 Hz帶寬。

式中，i為頻帶，Ui為接收噪聲信號電壓有效值，U0為基準電壓1 V，Mi為水聽器靈敏度級，基準值為1 V/μPa，Gi為接收系統(tǒng)放大倍數(shù)。因此通過測得接收噪聲信號電壓有效值Ui即可計算出水下噪聲聲壓譜級。測量系統(tǒng)采樣率設為250 kHz，水聽器頻段響應范圍20 Hz～200 kHz，在測量帶寬內(nèi)系統(tǒng)噪聲譜級低于45 dB。

圖1 聲環(huán)境測量系統(tǒng)

對某半潛式深水鉆井平臺的聲環(huán)境測量位置如圖2所示，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和作業(yè)情況，選取四個測量布放點分別為 A-艏部、B-左舷、C-右舷和 D-艉部。

圖2 平臺聲環(huán)境測量位置仰視圖

在三級海況，平臺棄井作業(yè)狀態(tài)下，經(jīng)不同時段多次測量發(fā)現(xiàn)各測點噪聲譜級差異不大，不同入水深度測得噪聲對比如圖3所示。左舷水下10 m受平臺工況和聲學設備影響最小，分析原因為該平臺作業(yè)吃水深度為19 m，在入水10 m和20 m處測量時兩側(cè)浮體起聲障作用。

圖3 左舷（B點）位置不同入水深度測得噪聲對比

從圖4對比可以看出，該作業(yè)狀態(tài)下，四個測量點左舷噪聲最低，艉部其次，右舷噪聲最高。右舷噪聲高的原因經(jīng)分析認為是該區(qū)域機械或聲學設備噪聲較高，影響較大。同理，如圖5和圖6所示，在三級海況，平臺鉆井作業(yè)狀態(tài)下，同樣測得左舷水下10 m受平臺工況和聲學設備影響最小。

平臺鉆井和棄井兩次不同工況下測得左舷入水10 m對比曲線如圖7所示?？梢钥闯鲎笙显跅壘疇顟B(tài)下除64.7 kHz和相關線譜明顯較低外，其余頻段噪聲譜級無明顯差異，并且在兩種工況下30～64 kHz和75～125 kHz兩個頻段較為平坦，干擾譜線較少。

圖4 同一入水深度不同位置測量點噪聲對比

圖5 左舷（B點）位置不同入水深度測得噪聲對比

圖6 同一入水深度不同位置測量點噪聲對比（10 m）

圖7 左舷（B點）入水10 m聲環(huán)境測量對比

為進一步驗證平臺左舷入水10 m處測量點具有較好的聲環(huán)境，通過不同時間段進行多次測量，對55 kHz頻點進行分析，如圖8所示?？梢钥闯?，該頻點處噪聲譜級變化較小，表明平臺左舷入水10 m處聲環(huán)境較為穩(wěn)定。

圖8 不同時間段測得55 kHz處噪聲譜級

3 水下安防預警系統(tǒng)聲兼容

基于上述聲環(huán)境測量數(shù)據(jù)，進行聲吶探測性能理論仿真，為優(yōu)化水下安防預警系統(tǒng)的接收信噪比和探測性能提供理論依據(jù)。由于水下安防預警系統(tǒng)主體為反蛙人聲吶，是一種收發(fā)分置型主動聲吶，主動聲吶方程為[5]：

式中，SL為聲源級，TL為傳播損失，TS為目標強度，NL為噪聲級，DI為接收指向性指數(shù)，DT為檢測閾。以帶推進器蛙人目標強度TS=-20 dB、噪聲級NL=60 dB進行理論仿真，在單程損失為77 dB的條件下，為獲取系統(tǒng)最大探測距離，對中心頻率30、55、70以及100 kHz進行仿真，如圖9所示。

圖9 水下安防預警系統(tǒng)探測頻段性能仿真

該平臺的定位聲吶、海底信標工作頻率均為30 kHz，可通過模擬及數(shù)字濾波技術，對頻帶外噪聲及強干擾信號進行有效衰減；海底信標工作頻段為12 kHz，遠離水下安防預警系統(tǒng)的工作頻段，對系統(tǒng)工作無影響；測深儀的工作頻段覆蓋范圍比較寬，避開在右舷附近安裝或通過水下安防預警系統(tǒng)分時工作的方式，避免對其產(chǎn)生干擾。由于聲吶工作頻率越高，水下聲信號吸收衰減越大，限制了聲吶的探測距離，根據(jù)圖7曲線分析，結(jié)合平臺的聲學設備聲頻段和探測仿真結(jié)果，為了有較遠的目標探測距離，水下安防預警系統(tǒng)的優(yōu)選頻段為 30～64 kHz。

4 結(jié)論

本文首次對半潛式深水鉆井平臺進行了噪聲源分析和聲環(huán)境測量，論證了水下安防預警系統(tǒng)與某半潛式深水鉆井平臺及其所處海洋環(huán)境的聲兼容性，得出了水下安防預警系統(tǒng)較優(yōu)的安裝位置和適合的工作頻率，為半潛式海上鉆井平臺水下安防預警系統(tǒng)聲吶設計提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。但由于鉆井平臺自身結(jié)構(gòu)特點，單一臺反蛙人聲吶無法滿足全方位水下小目標的監(jiān)測，因此在多臺設備組合下的聲兼容需要進一步研究。