涉海工程水下沖擊打樁噪聲測量方法研究

牛富強(qiáng),李智,薛睿超,馬麗,楊燕明

(1.自然資源部第三海洋研究所 廈門 361005;2.長江三峽集團(tuán)福建能源投資有限責(zé)任公司 福州 350001)

0 引言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)利用的升溫,我國海洋工程數(shù)量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計,我國圍填海、海上堤壩、跨海橋梁、海底管道、海洋礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)等海洋工程數(shù)量以每年400多個快速遞增,這些涉海工程建設(shè)及民用船運(yùn)增加等帶來的水下噪聲污染,給賴以回聲定位系統(tǒng)生存的海洋哺乳動物和部分魚類帶來影響甚至傷亡[1-2],影響了海洋生物多樣性。人為水下噪聲對海洋生物影響研究,已成為國際社會的關(guān)注熱點(diǎn)[3-5]?！秶H保護(hù)野生動物遷移公約》敦促各成員國應(yīng)進(jìn)行水下噪聲的環(huán)境評價并采取緩解措施,形成水下噪聲影響海洋生物的評估指南。2018年6月18—22日,聯(lián)合國UN(United Nations)召開的第十九屆海洋與海洋法非正式磋商會議(ICP-19)主題即為“人為水下噪聲”,會前號召各國提交有關(guān)水下噪聲對海洋生物影響的科研素材,然而我國因相關(guān)研究匱乏而沒有提交資料,限制了話語權(quán)。認(rèn)識和了解水下噪聲對海洋哺乳動物、魚類以及其他生物的影響,對海洋生物多樣性和海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。目前,水下噪聲對海洋生物的影響程度、評價標(biāo)準(zhǔn)、管控機(jī)制仍不健全,亟須不斷完善。為評價水下噪聲對海洋生物影響,水下噪聲的規(guī)范測量是關(guān)鍵技術(shù)。

水下沖擊打樁是一種典型的人為水下噪聲源,廣泛存在涉海工程建設(shè)中,如近海海上風(fēng)電場建設(shè),近海油氣工業(yè)平臺施工和錨系,跨海、河口、港口、碼頭等基礎(chǔ)和橋梁支撐建設(shè),水上可再生能源設(shè)備的錨系和安裝等。打樁作業(yè)過程,聲源從水表面延伸至海底或河底,將產(chǎn)生水中聲波、空氣中聲波、海底聲波和海底表面振動等;而淺水環(huán)境引起大量的混響、水體和海底或河底的相互作用,強(qiáng)烈地影響聲音傳播。水下沖擊打樁產(chǎn)生聲音的機(jī)理復(fù)雜,雖然理論建模已經(jīng)成為評估打樁水下噪聲的有效手段之一,但這種手段預(yù)測水下噪聲需要大量的參數(shù),如樁基、水文、底質(zhì)等,并且準(zhǔn)確度難以驗(yàn)證,不適合實(shí)際涉海工程應(yīng)用。因此,打樁作業(yè)期間的水下噪聲測量非常必要。

國外開展了較多水下打樁噪聲的測量,但由于采用不同的聲學(xué)指標(biāo),造成方法之間對比困難,并且往往只能為個別國家的需求提供指導(dǎo)[6-10]。德國規(guī)定水下沖擊打樁噪聲測量通常在750 m的距離點(diǎn)進(jìn)行;美國的測量距打樁點(diǎn)通常為10 m;而英國和荷蘭通常在多個距離點(diǎn)測量[10-11]。為規(guī)范水下沖擊打樁噪聲測量,2017年,國際標(biāo)準(zhǔn)組織(International Organization for Standardization,ISO)頒布了通用的測量標(biāo)準(zhǔn)[12]。國內(nèi)開展相關(guān)研究較晚,蘇冠龍等[13]測量了廈門五緣灣碼頭擴(kuò)建工程水下打樁噪聲,監(jiān)測點(diǎn)距打樁點(diǎn)約50 m;吉新磊等[14]對海上風(fēng)機(jī)打樁水下噪聲進(jìn)行了監(jiān)測,監(jiān)測點(diǎn)同樣為50 m;時文靜等[15]洪湖新港施工中的打樁作業(yè)進(jìn)行了水下噪聲監(jiān)測,監(jiān)測點(diǎn)距打樁點(diǎn)分別為59 m、102 m、186 m和362 m;汪啟銘[16]采用走航式測量法在距打樁點(diǎn)200 m、500 m和1 000 m處對水下打樁噪聲進(jìn)行了監(jiān)測?？傮w看,目前國內(nèi)開展水下沖擊打樁噪聲測量較少,監(jiān)測距離、監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測方式以及分析指標(biāo)存在差異,缺乏統(tǒng)一的水下沖擊打樁噪聲測量標(biāo)準(zhǔn),實(shí)際涉海工程中,測量結(jié)果的準(zhǔn)確性難以保證,給后續(xù)影響評價造成困難。因此,本研究從聲學(xué)指標(biāo)、測量系統(tǒng)、測量布放、聲學(xué)測量配置、測量不確定性等方面,詳細(xì)闡述了水下沖擊打樁噪聲的測量系統(tǒng)、方法和步驟,能夠應(yīng)用于不同法規(guī)需求,形成水下沖擊打樁噪聲測量標(biāo)準(zhǔn),為監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的環(huán)境影響評、海洋生物生態(tài)保護(hù)等提供技術(shù)支撐。

1 測量系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

水下沖擊打樁噪聲測量系統(tǒng)應(yīng)包括測量水聽器(陣)、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲等(圖1)。測量系統(tǒng)可由上述單個部件由電纜連接而成,也可作為一個集成系統(tǒng),提供自容式記錄系統(tǒng)。

圖1 測量系統(tǒng)

測量水聽器應(yīng)具有全方向性響應(yīng),其靈敏度應(yīng)根據(jù)待測量聲壓幅度來選擇一個恰當(dāng)值。對于低幅度值的信號,為避免低信噪比,應(yīng)選擇高靈敏度水聽器;對于高幅度值的信號,為避免非線性、剪切和系統(tǒng)飽和,應(yīng)選擇低靈敏度水聽器。由于水下沖擊打樁屬于高幅度聲壓,并且測量信號的畸變會使得失去測量值,因此靈敏度的選擇對于水下沖擊打樁的測量是非常重要的。為了增加適應(yīng)性,在信號放大階段或模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中,最好具有一些可選擇的增益。一旦一些初始測量值確定聲級之后,就可以將這些值設(shè)置為合適的值。注意對于自主式和水聽器含有集成前放增益的測量系統(tǒng),布放之后增益通常是不能修改的。如果實(shí)際工程中,需要測量海洋背景噪聲,應(yīng)選擇低噪聲、高靈敏度的水聽器。信號調(diào)理部件可以作為系統(tǒng)獨(dú)立單元用于調(diào)整增益,或者作為固定增益集成在水聽器中。為滿足實(shí)現(xiàn)測量位置的最高預(yù)期聲壓,能夠如實(shí)記錄外界信號而不會引起由水聽器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器帶來的失真或過載,需要選擇合適的調(diào)整增益。

數(shù)據(jù)采集的頻率響應(yīng)具有足夠高的頻率,至少應(yīng)為最高分析頻率的2.56倍～4倍,使得待測量信號的所有感興趣頻段的記錄都是可信的。對于水下沖擊打樁測量,理想的最小采集頻率范圍要求小于或等于20 Hz,且大于或等于20 k Hz。但在非常淺的水域,由于低頻聲波不能傳播,不足20 Hz的聲音頻率測量是非常困難的[17]。此外,低頻率的聲信號,普遍會受到諸如流噪聲和電纜抖動的影響。因此實(shí)際工程測量中,一般不對20 Hz以下頻段進(jìn)行分析。如實(shí)記錄水下沖擊打樁聲壓信號的幅度,需要足夠的測量動態(tài)范圍,一般要求超過60 dB。數(shù)據(jù)存儲容量應(yīng)滿足一個測試周期、采樣率和通道數(shù)同時連續(xù)工作的需要。如果為了增加存儲容量,通常使用數(shù)據(jù)壓縮格式,但使用的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)應(yīng)是無損的,或者對數(shù)據(jù)的影響應(yīng)加以闡明。為便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析,應(yīng)該存儲任何關(guān)鍵輔助數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù),例如時間、增益、采樣率等。

1.2 系統(tǒng)校準(zhǔn)

整個測量系統(tǒng)應(yīng)該在感興趣的頻帶內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn),包括水聽器、放大器、采集系統(tǒng)等。水聽器校準(zhǔn)應(yīng)采用國內(nèi)或國際標(biāo)準(zhǔn),在專門的計量部門進(jìn)行。水聽器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)通常以一系列離散頻率表示,或以校準(zhǔn)曲線的形式表示。如果在對水聽器靈敏度進(jìn)行校正之前,記錄的數(shù)據(jù)已被處理為1/3倍頻程,所需的校準(zhǔn)值是每個頻帶的平均靈敏度。如果水聽器靈敏度曲線不是平的,就不能假定頻帶內(nèi)是一個常數(shù)值。放大器和采集系統(tǒng),目前國內(nèi)還未有專門的計量部門,一般采用自?；虮葘Φ姆绞?。校準(zhǔn)后,水聽器和采集系統(tǒng)的不確定度能夠優(yōu)于1 dB(以95%置信區(qū)間表示)。校準(zhǔn)的時間周期一般不超過兩年,并且長期布放和海上試驗(yàn)前后,還應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)檢查。現(xiàn)場校準(zhǔn)檢查,通常使用一個商用的水聽器校準(zhǔn)器(如B&K4229),它能為水聽器提供在某個頻率(通常250 Hz)已知幅度的信號。校準(zhǔn)器通常由一個空氣活塞話筒組成,當(dāng)水聽器插入一個小型耦合器時,會產(chǎn)生一個已知聲壓級的信號。當(dāng)插入水聽器時,聲壓取決于耦合器內(nèi)的自由體積,可為每種類型的水聽器校準(zhǔn)。雖然該校準(zhǔn)器只提供一個頻率的檢查,但它能夠滿足實(shí)際工程測量需求。

2 測量布放

2.1 測量方式

水下沖擊打樁噪聲測量方式一般包括船基測量、錨系測量和漂流測量3種。船基測量系統(tǒng)放置在船上,可實(shí)時記錄顯示;錨系測量和漂流測量一般采用自容式測量。

船基測量時,從一艘拋錨或漂泊的船上布放水聽器(單獨(dú)地或組陣),分析和記錄設(shè)備仍舊留船上。這種方法優(yōu)點(diǎn)是布放快速、可移動,并且可以相當(dāng)經(jīng)濟(jì)有效地覆蓋一個相對較大的區(qū)域;設(shè)備丟失的風(fēng)險低,能夠?qū)崟r監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù),及時調(diào)整設(shè)備參數(shù)設(shè)置以獲取最佳質(zhì)量數(shù)據(jù)(如避免失真和飽和)。這種方法適合測量水下沖擊打樁噪聲,特別是需要去測量作為聲源距離函數(shù)的聲場,但易受到某些類型的平臺相關(guān)噪聲的影響。

錨系測量系統(tǒng)是一個相對船基測量更好地替代系統(tǒng),能夠提供打樁過程中多個固定距離的測量。當(dāng)聲源輸出隨距離變化時(通常出現(xiàn)在沖擊打樁),這種方式是非常重要的。相對于船基測量,底部錨系測量能夠更好地減少表面波影響產(chǎn)生的寄生信號、水聽器遠(yuǎn)離壓力釋放的水空氣界面以及減少布放船的干擾。對于錨系測量系統(tǒng),經(jīng)濟(jì)可行的是采用自容式記錄儀。該系統(tǒng)布放回收需要一個聲學(xué)釋放器或一個與海底錨系相連的表面浮標(biāo),能夠保證記錄儀被拖出水面。目前,實(shí)際工程應(yīng)用中多采用這種測量系統(tǒng)。

漂流測量系統(tǒng)通常由一個水聽器和記錄儀組成,與浮標(biāo)或垂錨連接,隨海流自由漂流。該系統(tǒng)流噪聲影響較小,適用于高潮流區(qū),但對漂流方向的控制存在局限性,測點(diǎn)距打樁點(diǎn)的距離變化較大。如果漂流系統(tǒng)帶有一個GPS接收機(jī)用于提供位置數(shù)據(jù),就能計算與打樁點(diǎn)的距離,從而減輕這種局限性。

水下聲壓的空間分布是與深度相關(guān)的,尤其是在水體中聲波波長的1/4處,存在強(qiáng)烈的深度相關(guān)。因此無論何種布放方式,水聽器均不能靠近水面位置布放。水聽器的布放深度應(yīng)放置在1/2水深的下方,在距海底2 m和整體水深的1/2之間[18]。如果上述深度不切實(shí)際或者有需求去研究噪聲對海底生物的影響,可以把水聽器放置在海底測量。實(shí)際工程測量中,通常采用多個水聽器,一是當(dāng)一個水聽器或測量通道發(fā)生故障時,可以實(shí)現(xiàn)備份;二是相比單個水聽器或單通道,選擇兩個具有不同靈敏度的水聽器,能夠獲得更大的動態(tài)范圍;三是使用多個水聽器能夠?qū)y量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。如果使用兩個水聽器,建議布放深度為1/2水深以下的兩個深度,理想的是在1/2水深和3/4水深之間,并且盡可能使兩個水聽器相距最大化。

2.2 布放噪聲減緩建議

除了測量系統(tǒng)本身的自噪聲,測量數(shù)據(jù)也會被來自平臺或布放方式的噪聲污染,稱為“平臺噪聲”或“布放噪聲”。這些噪聲信號是由于水聽器和測量系統(tǒng)的布放方式及其與周圍環(huán)境的相互作用引起的,如海流、波浪等,通常是很難預(yù)測或檢測。布放平臺相關(guān)噪聲一般會增加系統(tǒng)自噪聲和背景噪聲,因此設(shè)計測量系統(tǒng)及布放方式時,應(yīng)盡量避免來自這些信號的污染。下面闡述一些常見的產(chǎn)生布放系統(tǒng)自噪聲的信號源,并給出減緩的建議。

(1)流噪聲:介質(zhì)相對于水聽器或電纜的任何流動,都會在低頻段引起湍流壓力波動,這些波動將引起一個壓敏水聽器的感應(yīng),稱為流噪聲。這種噪聲在水聽器周圍的湍流層中產(chǎn)生,并產(chǎn)生與水聽器直徑和流速相關(guān)的低頻信號(小于100 Hz)。在高流速環(huán)境下,這是主要噪聲源。對于自容式記錄儀,水聽器從記錄儀主體突出來,加大了記錄儀外殼末端的湍流,會激發(fā)強(qiáng)烈的流噪聲。強(qiáng)烈的流體流動也可能引起錨系的振動,并在記錄儀體內(nèi)激發(fā)共振。布放時,宜采用導(dǎo)流罩或透聲防護(hù)物,使湍流層遠(yuǎn)離水聽器。然而,這類噪聲很難消除,減緩效果微小。因此,實(shí)際工程中,水聽器應(yīng)盡量靠近海底布放,或在潮流最小的平潮時測量。也可以采用隨海流自由漂移的漂流系統(tǒng),使水聽器和介質(zhì)的相對運(yùn)動大大減小來減緩流噪聲。

(2)電纜振動:當(dāng)電纜被海流拉緊時,就會產(chǎn)生電纜振動噪聲。由于電纜周圍的海流作用引起電纜振動,從而產(chǎn)生低頻干擾信號。這種信號可通過底部錨系布放和使用圍繞電纜、記錄儀主體的螺旋形機(jī)械整流罩減緩[19]。如果使用表面布放,可以用彈性繩或易彎曲的圓圈實(shí)現(xiàn)水聽器與電纜之間的去耦合。

(3)表面起伏:任何表面布放的系統(tǒng),如附屬在表面浮標(biāo)或船上,都會存在被波浪影響的危險。雖然浮標(biāo)或船只隨水表面移動,但懸浮在水中的水聽器不太可能精確地跟隨移動,這會帶來水聽器深度的改變,生成非常低頻的流體靜壓力起伏。這些流體靜壓力起伏會被水聽器感應(yīng),雖然它們是低頻的,但具有一個相對高的幅度,因此要求一個高動態(tài)范圍的系統(tǒng)以避免記錄儀模數(shù)轉(zhuǎn)換器的失真和飽和。使用一個底部錨系框架或水下浮標(biāo)固定水聽器/記錄儀在海底而非海表面,將會減少表面起伏帶來的影響。如果使用表面布放,可以用彈性繩或運(yùn)動阻尼器實(shí)現(xiàn)水聽器與電纜之間的去耦合。由于這類信號頻率是非常低的(<10 Hz),因此可使用一個高通電子濾波器來消除信號。為了避免飽和,這應(yīng)該在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行。許多商業(yè)水聽器含有前置放大器,內(nèi)置的高通濾波器的截止頻率在5 Hz～10 Hz,以減輕該類信號。

(4)船噪聲:船基測量時,在船操作限制和安全工作范圍內(nèi),應(yīng)盡量在安靜的條件下進(jìn)行。理想條件下,應(yīng)該關(guān)閉船的發(fā)動機(jī),測量儀器從干電池供電,并且機(jī)器和船員在船上發(fā)出的噪聲越少越好(測量期間發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)應(yīng)在結(jié)果中闡述)。如果船載測深儀產(chǎn)生的頻率在待測量信號的頻率內(nèi),測量期間應(yīng)關(guān)閉測深儀。船基測量時,波浪作用到船體的聲音(有時稱“波浪拍擊”),也會影響測量結(jié)果。一般通過調(diào)整船只順著波浪的方向,使用浮球和浮標(biāo)連接水聽器長電纜以增加水聽器距船體的距離來減少影響。

(5)機(jī)械噪聲:機(jī)械噪聲主要包括懸浮物撞擊水聽器的噪聲、水聽器與電纜相互摩擦聲、錨系系統(tǒng)的摩擦、生物摩擦噪聲等。錨系系統(tǒng)有可能相互碰撞的任何部分,都會產(chǎn)生機(jī)械噪聲,尤其是錨系中包含金屬零件時(如鏈條)。減緩這類機(jī)械噪聲,應(yīng)采取如下措施:①盡可能避免在支架和錨系中使用金屬錨鏈;②避免金屬與金屬連接;③通過電纜與隔振器(兼容的耦合器)連接,避免水聽器接觸支撐電纜。

2.3 測量站位和頻次

2.3.1 測量站位

測量站位的選擇應(yīng)至少滿足下面的要求之一:①固定某一個站位測量,以監(jiān)視聲源輸出,與其他水下沖擊打樁事件比對;②測量站位設(shè)置以評估環(huán)境影響評價、環(huán)境影響報告或環(huán)境報告中預(yù)測的精度;③在允許與標(biāo)準(zhǔn)閾值比較的范圍內(nèi)進(jìn)行測量,例如,預(yù)期在哪些會超過特定的影響標(biāo)準(zhǔn);④在特定站位測量,如存在特定種類的海洋生物的區(qū)域。

(1)離岸測量:主要指海區(qū),包括沿海地區(qū)、區(qū)域海洋和大陸架,但不包括港口、沿海入口、內(nèi)河航道、河口及河流。對于離岸水下打樁輻射噪聲測量,應(yīng)至少設(shè)置一個測量站位。僅設(shè)置一個測量站位時,應(yīng)盡可能地設(shè)置在距打樁源750 m處,并且測量覆蓋整個打樁周期。根據(jù)測量需求,需要多個站位測量時,這些站位應(yīng)盡可能分布在距打樁點(diǎn)不同的方位角。為了監(jiān)測海洋動物影響區(qū)域的臨界值,距聲源較遠(yuǎn)距離的測量是需要的,在這些距離由于傳播損失,聲信號已經(jīng)有明顯的衰減。為獲得聲學(xué)指標(biāo)隨距離衰減的經(jīng)驗(yàn)估計,測量也可以作為距離的函數(shù),沿著某一個固定的方位角遠(yuǎn)離聲源的橫斷面設(shè)置至少3個站位。為了避免水深折射效應(yīng),這個方位角不能平行于傾斜的海岸線[20],水深不存在顯著變化。

(2)近岸測量:主要指海區(qū)或水區(qū),包括港口、沿海入口、內(nèi)河航道、河口及河流,但不包括沿海地區(qū)、區(qū)域海洋和大陸架。對于近岸水域,例如,河口、港口等,測量要求與離岸海域是不同的,尤其750 m測量站位是不恰當(dāng)甚至不可能的。在這些環(huán)境下,靠近樁基測量是必要的,并且應(yīng)遵循上述的測量站位標(biāo)準(zhǔn)和水聽器深度布放標(biāo)準(zhǔn)。僅設(shè)置一個測量站位時,應(yīng)是距打樁點(diǎn)3倍于打樁點(diǎn)水深的距離。多個站位測量時,站位應(yīng)盡可能分布在距打樁點(diǎn)不同的方位角。一般不需要進(jìn)行橫斷面測量。

無論何種測量,均需要進(jìn)行工程海域的背景噪聲測量。背景噪聲測量可以在打樁前后進(jìn)行,也可以在打樁期間任何重大間隔時間內(nèi)進(jìn)行,測量站位一般選擇任何一個打樁點(diǎn)或者具有代表性的站位。測量頻段應(yīng)覆蓋20～20 000 Hz,通常用1/3倍頻程表示。

2.3.2 測量頻次

水下打樁噪聲與樁基的類型、尺寸、打樁機(jī)的功率等有關(guān)。對于同種類型和尺寸的樁基,應(yīng)至少進(jìn)行一次測量。實(shí)際工程中,需要進(jìn)行多個樁基打樁作業(yè),一般應(yīng)在打樁初期和高峰期各進(jìn)行一次測量。為了將水下噪聲值表征為時間的函數(shù),需要在一段時間內(nèi)進(jìn)行測量,并且應(yīng)覆蓋打樁機(jī)的任何輸出功率變化。

3 測量數(shù)據(jù)處理

3.1 術(shù)語與定義

水下沖擊打樁噪聲一般采用如下參數(shù)描述:脈沖持續(xù)時間、脈沖間隔時間、峰值聲壓級、聲暴露級、信噪比、聲壓譜級、頻帶總聲級等。

(1)脈沖持續(xù)時間:一次擊打過程,百分比能量的持續(xù)時間,一般指信號能量從5%增加到95%所經(jīng)歷的時間,單位s。

(2)脈沖間隔時間:兩次相鄰單脈沖的時間間隔,單位s。

(3)峰值聲壓級:單個脈沖持續(xù)時間內(nèi)聲壓絕對值的最大值與基準(zhǔn)聲壓相比取對數(shù),單位d B,基準(zhǔn)值1μPa,計算公式如下:

式中:p(t)為單次脈沖時間序列,單位為Pa;pref為參考值,單位為μPa。

(4)聲暴露級:單個脈沖持續(xù)時間內(nèi)聲壓平方的積分與基準(zhǔn)聲壓的平方相比取對數(shù),單位為dB,基準(zhǔn)值為1μPa2·s;單根樁作業(yè)需要多次擊打,從而產(chǎn)生累積效應(yīng),也即累積聲暴露級,計算公式如下:

式中:p(t)為單次脈沖時間序列,單位為Pa;T為信號持續(xù)時間,單位為s;pref為參考值,單位為μPa。N為脈沖個數(shù);SELss為聲暴露級;SELcum為累積聲暴露級。

(5)信噪比:處理后的均方根帶寬打樁信號電壓與均方根帶寬背景噪聲電壓之比,單位dB。作為一個帶寬量值,信噪比通過一個指定的頻帶來評估,一般是整個感興趣的頻帶,對于本研究規(guī)定20～20 000 Hz,或者指定的1/3倍頻程頻帶。

(6)聲壓譜級:在某一頻率的聲壓譜密度與基準(zhǔn)聲壓譜密度,用于描述信號功率隨頻率的分布?？梢杂?Hz帶寬表示,也可以用1/3倍頻程帶寬表示,單位dB,計算公式如下:

式中:Lps(fi)為1/3倍頻程聲壓級;fi為1/3倍頻程中心頻率,單位Hz;Δf為頻率分辨率,單位Hz;pf為實(shí)測聲壓數(shù)據(jù)的傅立葉變換;pref為參考值,單位為μPa。

(7)頻帶總聲級:從低頻截止頻率到高頻截止頻率的寬頻帶內(nèi)的聲壓級求和,單位dB,計算公式如下:

3.2 處理步驟

對于測量記錄得到的數(shù)據(jù),首先需要手動或自動提取打樁期間單次擊打所產(chǎn)生的各個脈沖信號,然后選擇一部分或者全部信號進(jìn)行后續(xù)分析。水下打樁脈沖信號信噪比較高,一般采取信號能量與背景噪聲能量之比進(jìn)行自動檢測,設(shè)定一個檢測門限,取能量比最高值作為信號出現(xiàn)的位置,如果該值大于檢測門限值,即可判斷為真實(shí)信號,再通過加窗根據(jù)能量累積時間自動提取信號的起始和結(jié)束時間。完成信號提取之后,應(yīng)用時域分析、頻域分析以及時頻分析等技術(shù)進(jìn)行計算,得到上節(jié)所敘述的特征參數(shù)。

3.3 測量不確定性

有兩類不確定性,分別為隨機(jī)不確定性和系統(tǒng)不確定性。隨機(jī)不確定性,可以通過一定數(shù)量的重復(fù)測量和檢查結(jié)果中的統(tǒng)計分布來評估。但對于水下打樁,如果測量的事件是唯一的,因此可能無法進(jìn)行重復(fù)測量。該類別不確定性是測量精度的度量,如果測量結(jié)果可重復(fù)且結(jié)果偏差較小,則可以實(shí)現(xiàn)高精度測量。系統(tǒng)不確定性,代表測量中可能出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差的可能性,如由不恰當(dāng)?shù)膬x器校準(zhǔn)引起的。該類別不確定性無法通過重復(fù)測量進(jìn)行評估,而應(yīng)考慮影響測量精度的潛在因素。對于水下打樁噪聲,測量不確定性主要來自測量設(shè)備的校準(zhǔn)、布放以及聲源和接收位置測量等。在實(shí)驗(yàn)室條件下一般以0.5 dB的不確定度校準(zhǔn)水聽器,整個測量系統(tǒng)的不確定度可以在1 dB以上。海洋中實(shí)現(xiàn)高精度位置測量是困難的,水下打樁噪聲源和接收站位的位置,通常采用GPS或激光測距設(shè)備,雖然設(shè)備精度能滿足測量需求,但仍不可避免地存在不確定性。如果聲源和接收距離短,則相對不確定性更大。近距離測量,適合采用激光測距設(shè)備;而遠(yuǎn)距離(幾百米),適合采用GPS。盡管2.2節(jié)已闡述了布放噪聲的減緩措施,但完全消除是不太現(xiàn)實(shí)的,不確定性分析中應(yīng)該考慮布放噪聲的影響。

4 結(jié)語

為研究影響評價,估算噪聲源的源級以及聲源和接收點(diǎn)之間傳播路徑的聲能量損失是非常必要的。由于水下沖擊打樁噪聲產(chǎn)生機(jī)制復(fù)雜,近距離不能當(dāng)作點(diǎn)源分析,源級也存在一定的起伏,因此使用聲場模型描述傳播衰減過程存在的一定局限性,并且聲場模型計算時需要同步的水文、底質(zhì)等環(huán)境參數(shù),增加了測量成本,實(shí)際工程應(yīng)用中可行性較小?；诒疚姆椒?可獲取不同接收點(diǎn)的聲場值,進(jìn)而擬合估算出聲傳播衰減規(guī)律和聲源級,也可用于聲場模型輸出值的檢驗(yàn)。水下輻射噪聲對海洋生物的影響評價不屬于本文研究范圍,因此不進(jìn)一步展開論述。

本方法可用于近海(水深大于4 m小于100 m)水下沖擊打樁作業(yè)期間輻射水下噪聲聲壓測量,其適用范圍不包括由聲波傳播引起的水體中質(zhì)點(diǎn)振動速度測量或聲波在海底傳播引起的海底振動測量,當(dāng)然振動測量對于評估海洋生物的影響也是非常重要,只是目前水下振動測量方法還不成熟,無法形成標(biāo)準(zhǔn)測量方法。這會在一定程度上影響涉水下沖擊打樁對海洋生物影響評價結(jié)果的科學(xué)性,因此今后的研究中需增加或完善水下振動測量。