某科考船聲學設備裝船技術研究

余勇林，蔡皓鵬，張 云，肖智烜，劉蘇粵

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

1 前言

某科考船的聲學設備，主要作用是通過聲納探測海底的地形地貌、海底深度、位置信息、地質構造、海流、海底資源、海洋生物種類、種群數量、海洋地球物理場等，是研究全球海洋生態系統變化及生物資源可持續利用的專業裝備[1]。

科考船上聲學設備的布置位置及安裝工藝，會直接影響聲學設備的測量精度，在設備安裝過程中，需根據現場實際情況，優化安裝方案、工藝，提高聲學設備安裝質量。

2 聲學設備配置、接口及布置安裝

不同任務的科考船設備配置，會根據任務特點進行調整。某科考船為無限航區，具有全球航行能力的集多學科、多功能、多技術手段為一體，可實現深海資源探查及多學科研究功能的科考船。該船總長98 m、型寬17 m、設計吃水約5.5 m；配有2 臺電力推進器、1 臺艏部伸縮推；入DP-1 船級符號；主要聲學設備，包括深水多波束測深系統、單波束萬米測深儀、走航式ADCP 系統、多頻聲納探測系統、淺地層剖面儀等。各設備配備以下相應接口：

1）GPS 導航信號：采用NMEA 0183ZDA/GGA/GLL數據串，RS232 接口，連接至本船科考差分GPS 接口，最低更新頻率為1 Hz；

2）GPS 時鐘信號：1PPS 脈沖，50-5 規格同軸電纜BNC 接頭，連接至設備處理單元；

3）姿態信號：由姿態傳感器提供，EM3000 格式，RS232 接口至PU，更新率大于50 Hz；

4）羅經信號：由本船科考光纖羅經提供，NMEA 0183 HDT 格式，更新率大于1 Hz，RS232 接口，連接至設備處理單元；

5）速度信號：由姿態傳感器提供，通過以太網線傳輸，連接至處理單元，SeaPath/PosMV/Coda 格式，更新率大于50 Hz；

6）聲速：由聲速計Micro SV 提供，通過RS232 接口，連接至設備工作站，更新率大于0.2 Hz；

7）外部同步信號：兼容K-Sync（RJ45 連接到PU），或者TTL 信號（RJ45 接口連接到收發機）；

8）網絡數據傳輸：本系統HWS 工作站，可將原始數據通過以太網口傳輸到船載網絡中心。

參考科考船接口繁多，各聲學設備圖像輸出接口不統一，顯示器尺寸各異，而且安裝位置也不同。為了達到實用美觀的安裝要求，首先要統一顯示器尺寸；其次在接口方面，要求設備廠家額外再輸出一路視頻DVI 接口。

本船大部分科考聲學設備都布置在聲學實驗室，為方便科考工作人員及時查看實驗數據結果，將聲學實驗室作為視頻接口輸出艙室，最終將全船所有科考設備共計14 臺顯示器，上下布置在聲學實驗室右舷艙壁上，不僅美觀實用，也便于科考工作人員查看實驗數據,如圖1 所示。

圖1 聲學試驗室布置圖

3 聲學系統及其換能器安裝工藝

下面介紹本船若干聲學系統,包括深水多波束測深系統、單波束萬米測深儀、走航式ADCP 系統、多頻聲納探測系統、淺地層剖面儀的安裝工藝。換能器是聲學設備的信號接收和發射前端，它所處的位置環境和安裝方式將直接影響聲學設備的工作性能，各種不同的換能器安裝位置、精度要求不同。

3.1 EA640 單波束萬米測深儀及其換能器

圖2 EA640 換能器安裝示意圖

科考船定點作業時會受到海洋天氣、洋流方向、浪高等外界環境因素影響，導致工作效率降低，測量精度下降，甚至影響作業安全。動力定位系統具有自動定位功能，能夠抵抗外界環境的影響，可實現科考船高精度定點控位。

單波束測深儀不僅可以測量水深，也可以反映水下設備深度信息，起到輔助監控水下設備功能[2]。單波束測深儀主要用于水下測距，一般采用收發合置換能器，波束為窄波束，可探測換能器陣面到海底的距離；不同頻率的單波束測深儀組合，可以適應不同工作水域的需要，通常由水上控制系統和水下發射接收系統組成，其測深精度能夠達到0.2m±0.1%；本船選用低頻、高頻多個波段工作頻率的換能器（200 kHz/38 kHz/12 kHz）。

EA640 單波束萬米測深儀換能器安裝圖，見圖2所示。

換能器 mounting ring 由設備廠家提供，與船底板焊接并與船底平齊，水平度誤差要求不大于±1°，在焊接安裝法蘭之前應把焊接處磨平；為免受熱變形，在焊接安裝環時，其它部件設備不能安裝在上面，不能在換能器的表面打磨和油漆；為了防止換能器安裝后其周邊船體結構出現裂紋或者凹凸并因此產生紊流，用合適的填充物填充換能器中的兩個螺栓孔，并平滑換能器表面，最后將換能器蓋板和換能器表面涂上廠家認可的防污油漆。

3.2 多頻聲納探測系統及其換能器

多頻聲納探測系統，具有漁業生物量和分布評估、漁業生物種類識別和分類、浮游生物研究、漁業棲息地研究、海生物行為研究、海洋環境研究、石油和天然氣探測等功能。

該系統是一種固定式測量系統，其接受系統和中央處理分析系統固定在實驗室內；聲納發射器分為船內固定和船殼外固定兩種方式，本船多頻聲納采用升降鰭安裝形式。

聲納探測設備容易受到船體的噪聲干擾，船上的噪聲源主要來自船上的機械設備如主機、發電機、推進器等，多頻聲納換能器必須避開這些噪音源；另外，船底的水流氣泡對探測精度有很大的破壞性，對外界水體發射、散射噪聲需要引起特別的注意；本船多頻聲納探測系統的換能器，采用升降鰭式安裝方式，見圖3 所示。

圖3 多頻聲納安裝布置圖

3.3 深水多波束測深系統及其換能器

深水多波束測深系統，主要由水下聲換能器基陣、安裝在聲學儀器艙主機、控制單元（安裝在主操控區）和配套輔助設備等部件及其軟件，以及相關的數據后處理軟件組成，其主要功能為測量海底水體數據及海底的特征。

深水多波束EM124 發射換能器陣列，由48 個換能器模塊組成，每一個模塊內含18 個基元，6 個為一排；每一個基元通過接線盒獨立地連接到收發機內部對應的發射器，每個基元有獨立不同的振幅水平和相位信號，形成所需的發射波形和方向。因此，EM124 多波束測深儀換能器采用船底固定安裝方式，換能器固定于安裝支架內，安裝支架再被螺栓固定在船底導流罩內一個特制機匣中，換能器陣發射面朝向海底；換能器安裝位置應遠離螺旋槳和其它聲學噪聲源，安裝于整船龍骨前三分之一位置，安裝換能器的下表面與船底導流罩下表面齊平，換能器下表面應噴涂防污油漆。

深水多波束安裝框架，長8 m、寬1.07 m，安裝位置平面度誤差要求2 mm 以內，透聲板安裝位置平面度誤差要求4 mm 以內，現場施工精度要求高，施工難度大；在設計安裝框架底座結構時，采用框架安裝結構現場拼裝。安裝前，現場根據安裝框架平面度要求，用車床切好安裝件，并做工裝固定好，以降低焊接過程中整個面變形。整個框架一次性安裝完成，通過設備廠家、船東報驗，為后續換能器順利安裝提供了保障。

3.4 淺地層剖面儀及其換能器

淺地層剖面儀利用參量效應，通過發射兩個高頻率的初始信號產生一個低頻率的二次信號。作為初始信號，淺地層剖面儀使用一個可調節的信號，頻率在18 kHz～33 kHz 之間；第二個初始信號，可調節頻率在 18.5 kHz～39 kHz 之間；第一主信號同時用來觸發參量效應，提高地層剖面的分辨率，實現 11 000 m 的最大深度范圍；高頻信息也作為一個全海洋深度的常規測深儀提供水深信息。

淺地層剖面系統，由換能器陣、T/R 開關、主前置放大器、從前置放大器、接口單元、操作員工作站、輸出設備等部分組成。

淺地層剖面儀系統的換能器數量多，并且體積大，精度要求高，安裝完成后表面平整度要求最大誤差±1°。

為最大程度減少外界噪音，換能器外殼的內側必須安裝吸聲梯板以減少噪音，如圖4 所示的吸聲梯板粘到外殼上部內則，在吸聲梯板完全粘合前需用木塊支撐，以免松落；然后使用吸聲梯板將其固定在換能器底板和船體結構間；緊接著依次安裝每個換能器，擰入傳感器所有固定螺栓，并用螺釘替換螺紋桿；當所有換能器都安裝完畢后，檢查整個換能器陣列的平整度，使其平行于船舯線；再后，安裝換能器蓋板，將蓋板安裝在換能器周圍；最后，使用廠家提供的專用填充物填充蓋板、換能器和螺絲孔之間的間歇。

圖4 吸聲梯板安裝示意圖

3.5 走航式ADCP 系統及其換能器

深海走航式相控陣聲學多普勒流速剖面儀系統，固定安裝在科考船底部，在船舶航行狀態下測量不同深度層的海流，最大測流深度可達730 m（寬帶）或1 000 m（窄帶）。

走航式ADCP 系統，由換能器、甲板單元、數據采集單元、處理計算機、處理軟件等組成，換能器采用平面相控陣。

走航式ADCP 系統換能器，固定安裝在升降式鰭板或導流罩上，艙內設備布置在聲學儀器艙、調查裝備主操控區。走航式ADCP 系統的安裝要求，主要有以下幾個點：

1）方便接觸到內部（傳感器電子部件）及外部（去除海洋生物附著）；

2）I/O 電纜長度≤100 m；

3）遠離船上突起物，在每個波束周圍有15°的開闊角度；

4）遠離其它聲學設備，尤其是那些與ADCP 工作頻率相同（或在諧波范圍內）的設備；

5）盡量靠近船中軸線，提高測量準確度。

考慮到換能器本身非常脆弱，不能經受住海水中散落物的破壞，換能器必須加裝保護罩，但不能影響換能器的正常工作。鑒于上述因素，本系統采用了加裝單獨水箱的方法，將換能器和外部海洋環境隔離，中間采用透聲板將海水和水箱內部隔離，透聲板采用特殊材料以便允許換能器聲束自由通過。

4 聲學設備電纜路徑布置

參考船船底導流罩上聲學設備的換能器布置，如圖5 所示，這些換能器自帶隨機電纜如下：

圖5 參考船導流罩聲學設備布置圖

1）單波速有3 只換能器，每只換能器有1 根隨機電纜，每根隨機電纜需單獨敷設；

2）EM712 中淺水多波束發射換能器陣列有20 根隨機電纜，需敷設在同一電纜管中；接收換能器陣列有8 根隨機電纜，需敷設在同一電纜管中；

3）EM122 深水多波束發射器換能器陣列有48 根隨機電纜，需敷設在2 根電纜管中；接收換能器陣列有16 根隨機電纜，需敷設在同一電纜管中；

4）P70 淺剖換能器有4 根隨機電纜，每根隨機電纜需要單獨電纜管；

5）每個走航式換能器需設置3 根管子，電纜、加水、透氣各一根管子；

6）自噪音監控水聽器有1 根隨機電纜，需單獨1根電纜管。

由于換能器自帶隨機電纜穿管都是直接或間接通海的，常規做法是在主船體設置一通海電纜圍井。此方案主要問題是對電纜圍井大小的把控：設置太小，里面電纜管不好施工；但受船體結構空間影響，又不能設置太大；如果把隨機電纜全部敷設到電纜圍井，換能器隨機電纜彎曲半徑比較大，電纜路徑很難走通，現場施工會非常麻煩。綜合考慮各種因素，并結合本船實際艙室結構，最終選擇電纜從換能器上方直接分開豎直敷設的方案，在電纜、換能器安裝完成后，這些電纜管中會有海水或淡水，要根據規范要求來選擇材料、厚度及防腐工藝，如圖6 所示。

圖6 換能器電纜管效果圖

換能器隨機電纜出電纜管頂部后，出口用MCT 框或填料函封堵，主要是固定電纜及防止異物掉進電纜管；部分電纜根據設備資料要求，出電纜管后套金屬軟管敷設至設備，金屬軟管主要是防止物理損壞電纜及減少電磁干擾對設備信號影響，見圖7 所示。

圖7 換能器電纜管出口圖

換能器隨機電纜在電纜托架上敷設時，盡量做到同一換能器的電纜走同一電纜托架；如果因空間等因素導致多個換能器的電纜需敷設在同一電纜托架時，同一換能器電纜需一起分束打包，不同換能器電纜盡量在托架上遠離；換能器隨機電纜多余長度不能剪裁，不能直接繞圈固定在電纜托架上，必須要按S 型路徑敷設在電纜托架上，同時路徑不能形成環路，因此在設計換能器隨機電纜路徑時，需設置余量約5 m 長的緊固件用于敷設多余長度隨機電纜，見圖8所示；另外，因換能器隨機電纜上帶有插頭，所以電纜穿電纜管或敷設過程中對這些插頭要采取保護措施。

圖8 收發機旁電纜敷設圖

5 結論

通過對科考船聲學設備（包括：深水多波束測深系統、單波束萬米測深儀、走航式ADCP 系統、多頻聲納探測系統、淺地層剖面儀的配置、接口及換能器）的安裝工藝進行了詳細介紹，同時對聲學設備換能器隨機電纜路徑、敷設布置進行了研究分析，對以后同類船舶建造中聲學設備的安裝及電纜敷設提供了技術參考。