圖說：衛(wèi)翀華在北極海冰上進行水聲實驗

歷時78天，累計航行13000多海里，最北到達北緯82度52分，中國第七次北極考察隊圓滿完成各項預(yù)定考察任務(wù)凱旋。在128名考察隊員中，中科院聲學(xué)所水聲工程中心副研究員衛(wèi)翀華是一名“新兵”，也是我國水聲學(xué)領(lǐng)域赴北冰洋進行實地專業(yè)科學(xué)考察的第一人。

“在北冰洋地區(qū)開展冰區(qū)水聲實驗，為北極地區(qū)水聲環(huán)境建模提供了實測數(shù)據(jù)，為未來的水下導(dǎo)航、通信提供了技術(shù)支持和技術(shù)儲備。”衛(wèi)翀華說。

北極獨特的水聲環(huán)境

北極地區(qū)地理位置獨特、氣候寒冷，北冰洋的大部分區(qū)域終年被海冰覆蓋，因此也形成了獨特的水聲環(huán)境。

衛(wèi)翀華告訴《中國科學(xué)報》記者，水聲研究并不神秘，“就像人站在空曠的山谷里大聲呼喊后，會聽到陣陣回聲，水聲實驗就是研究聲音信號在水下遠距離傳輸?shù)倪^程。”

在北極及其毗鄰海域，由于冰蓋與水下冰脊的存在，給水下航行直接利用衛(wèi)星系統(tǒng)進行通信和導(dǎo)航帶來了極大的困難，使得水聲方式成為水下航行唯一可靠的信息傳輸手段。

不過，中科院院士李啟虎坦言，中國對北極地區(qū)的聲學(xué)特性研究幾乎是空白。能夠了解北極及其毗鄰海域的水聲環(huán)境，是他多年的心愿。

李啟虎表示，收集水聲數(shù)據(jù)資料，掌握北極地區(qū)海域水聲環(huán)境規(guī)律及機理，建立北極背景場、聲信道模型，利用北極海洋環(huán)境水聲效應(yīng)，開展北極水聲環(huán)境適配處理理論與方法研究，是保障我國北極地區(qū)航行安全，以及提高裝備環(huán)境適應(yīng)性，提升通信、導(dǎo)航等技術(shù)水平的重大前沿基礎(chǔ)研究需求，符合中科院著力于戰(zhàn)略性、前瞻性、基礎(chǔ)性研究的宗旨。

2014年，在李啟虎的倡導(dǎo)下，中國第六次北極考察設(shè)置了水聲學(xué)方面的內(nèi)容，開啟了北極及其毗鄰海域水聲學(xué)研究的序幕。

“今年我們有人去了，雖然只是初步的成功，但填補了我國中高緯度海域及極地聲學(xué)研究的空白，將為水聲科學(xué)的全面發(fā)展以及北極海區(qū)水下聲學(xué)通信、水下聲感知等實用技術(shù)奠定堅實的基礎(chǔ)。”李啟虎說。

探聽冰下的聲音

在李啟虎的引領(lǐng)下，中科院聲學(xué)所水聲工程中心主任黃海寧、研究員尹力等投入大量精力，帶領(lǐng)團隊對極地聲學(xué)進行了潛心研究，并積極籌劃部署，協(xié)調(diào)參加第七次北極考察。中科院重大科技任務(wù)局局長王越超、處長李才興高度關(guān)切極地聲學(xué)研究，多次聽取項目組的研究進展及考察安排匯報。

國家海洋局極地辦和極地中心也對北極聲學(xué)考察給予了充分重視，特地安排水聲學(xué)科研人員參加第七次北極考察，經(jīng)過協(xié)調(diào)，決定以衛(wèi)翀華為主執(zhí)行本次北極聲學(xué)考察。

8月4日，“雪龍”船進入北極冰區(qū)，衛(wèi)翀華在短期冰站和長期冰站各開展了一次實驗，主要包括中頻水聲通信、低頻水聲傳播以及海洋環(huán)境噪聲采集等。

8月20日，第七次北極考察進行最后一個冰站作業(yè)。受風(fēng)浪影響，“雪龍”船無法在浮冰邊緣停船，20余名科考人員乘坐“黃河”艇到達短期冰站作業(yè)區(qū)，衛(wèi)翀華就是其中之一。

“為方便大功率發(fā)射需求，實驗系統(tǒng)發(fā)射端布設(shè)于‘雪龍’船后甲板，便于運載的實驗系統(tǒng)接收端則要通過‘黃河’艇布設(shè)在冰面上。”衛(wèi)翀華回憶說。

抵達短期冰站，衛(wèi)翀華先把實驗系統(tǒng)發(fā)射端設(shè)備搬到冰面上，用電鉆在冰面上鉆取一個冰孔。在連接好6個水聽器和2個深度傳感器組成的接收水聽器基陣后，他把接收水聽器基陣由冰洞放入水中，測量環(huán)境噪聲及“雪龍”船航行噪聲。

隨后，“雪龍”船緩緩駛離短期冰站，停泊在10公里外海域。船上的隊員把發(fā)射端設(shè)備連接好，再從后甲板將發(fā)射換能器和監(jiān)測水聽器布放到海中。信號發(fā)射完成，“雪龍”船又駛回原地，在距離“黃河”艇2公里處再次發(fā)射信號。

在此期間，衛(wèi)翀華一直在浮冰上接收信號。為了避免信號干擾，“黃河”艇關(guān)閉了發(fā)動機和電暖氣。在寒風(fēng)中連續(xù)工作了7個小時的衛(wèi)翀華，雙手發(fā)抖，嘴唇發(fā)紫。“冷”也因此成為他對北極最深刻的印象。

在北冰洋冰區(qū)開展水聲實驗既艱難又難得。“經(jīng)過這一次科考，中國水聲界終于有了對北極海區(qū)的感性認識和第一手材料。”衛(wèi)翀華希望，爭取參加第八次北極考察，做更多的工作。

站在新北極聲學(xué)的起跑線上

聲學(xué)實驗受環(huán)境影響非常大。“整體而言，我們的設(shè)備經(jīng)受住了北極特殊環(huán)境的考驗。”中科院聲學(xué)所水聲工程中心研究員田杰告訴記者，這次拿到北極做實驗的魚唇式換能器，是由聲學(xué)所自主研制的低頻換能器，差不多只有A4紙那么大，它的體積、重量較同類設(shè)備具有很大優(yōu)勢，更便于在浮冰上進行人工布放。

不過，這次北極之行，衛(wèi)翀華也發(fā)現(xiàn)一個問題。“我們的設(shè)備應(yīng)對近海、大洋是可以的，但是在北極地區(qū)還是有些不適應(yīng)，主要是防冰的能力相對很弱。布放過程中一發(fā)現(xiàn)有冰，就很緊張，需要非常小心地避讓。”

對此，李啟虎表示，由于北極地區(qū)常年低溫的特點，水聲測試設(shè)備、系統(tǒng)的硬件都要進行特殊的設(shè)計，特別是準(zhǔn)備在冰上工作的電子設(shè)備必須有特殊的防護措施。擔(dān)任與衛(wèi)星或水下平臺通信任務(wù)的浮標(biāo)系統(tǒng)，更要有經(jīng)得起低溫考驗的機械、電子部件。

此外，衛(wèi)翀華認為，設(shè)備的可操作性還要進一步改進。“北極地區(qū)的條件惡劣，風(fēng)浪、氣溫等都會對設(shè)備和人的操作產(chǎn)生不利影響，未來的設(shè)備要向無人方向發(fā)展。”

隨著近年來世界海洋大國對北極地區(qū)的空前關(guān)注，北極聲學(xué)也有了新的發(fā)展。2014年，美國海軍研究實驗室（ONR）在公布水聲研究計劃時，明確三大學(xué)科，即淺海聲學(xué)、深海聲學(xué)和北極聲學(xué)。

“由于北極環(huán)境的持續(xù)變化，新的課題不斷涌現(xiàn)。”中科院聲學(xué)所研究團隊表示，“國外紛紛開始重新審視、加強研究北極聲場，我們將密切關(guān)注，爭取迎頭趕上。”