國立成功大學 近海水文中心
Coastal Ocean Monitoring Center, National Cheng Kung University (COMC, NCKU)
Coastal Ocean Monitoring Center, National Cheng Kung University (COMC, NCKU)
水下聲音觀測系統 Underwater Sound Monitoring System
水下環境噪音 (underwater ambient noise) 為水中聲學與海洋相關領域中重要的背景參數。透過了解當地的水下環境噪音，能夠進行海洋物理學、生物學等相關科學研究，以及離岸風機噪音監測、水面及水下載具監偵等應用。
早期的水聲資料大多是藉由佈放於海底的水聽器 (hydrophone) 及電纜進行蒐集與傳輸。近年來，隨著海洋科技的持續發展，國際間開始使用底碇式與聲學浮標等方式來收錄水下噪音。聲學浮標因同時具備作業簡便與監聽訊號可即時回傳之優勢，極具發展潛力。
近海水文中心自2015年開始發展國內技術自主之水聲監測技術。藉由整合資料浮標與水聽設備，發展一套長期 (long-term) 且即時 (real-time) 的水下聲音監測系統 (USMS)。
近海水文中心自行研發的水聽設備包含水聽器 (hydrophone，或稱水下聽音器、水中麥克風)、擷取模組、分析模組、傳輸模組。其中，資料擷取、分析、儲存及傳輸等功能皆為自動化作業。水中聽音器可收錄含括數 Hz 至數萬 Hz 的音頻。系統收錄所需訊號後，於浮標端直接進行頻譜分析，解算後所得到的頻譜將透過傳輸模組回傳至中控中心。
- 水聽器：量測水中聲波傳遞的重要感測器。
- 擷取模組 (data logger)：定時擷取水聽資料，並儲存於記憶卡中。
- 分析模組：將水聽資料進行頻譜分析，產出頻譜。
- 傳輸模組：將頻譜以4G網路或衛星通訊等方式回傳至中控中心。
中心將自行研發的USMS整合至資料浮標上，透過已經長期作業化的資料浮標作為載具，透過電力計算與韌體調控觀測流程，至少可在海上作業化量測與即時回傳資料超過一年。
本中心第一座掛載USMS的資料浮標，於2015年7月16日佈放於澎湖七美，並能即時收到當地的水下環境噪音頻譜。當年8月8日，蘇迪勒颱風行經USMS所在區域，頻譜比沒有降雨或地震時的環境噪聲頻譜聲壓位準高出許多，證實本中心所開發之USMS不僅能存活於海氣象情況嚴峻之期間，並成功收錄到其環境噪音。
圖1 蘇迪勒颱風行經七美浮標頻譜圖
＊科學知識：
聲波的動力過程是一種機械振動的波動現象，聲波的發射與接收主要是藉由某些材料的特性將電能轉換成機械能，或是將機械能轉換成電能。具備這種性能的材料稱為電聲換能材料，利用電聲換能材料所設計的電聲換能機制稱為電聲換能器。水聽器即為電聲換能器的一種，其探頭 (probe) 是透過壓電效應來感測聲音訊號。由於水聽器所量到的聲音訊號非常微弱，必須與電荷放大器連結，將訊號放大後再經由類比－數位轉換器將訊號擷取至收錄系統中，以便進行後續的分析處理。每一組水聽器使用的感測元件之靈敏度 (sensitivity) 不同，其在頻率響應 (frequency response) 及空間方向性 (directivity) 上皆有差異，須經過校正後才能獲得準確的聲壓位準。
聲波的動力過程是一種機械振動的波動現象，聲波的發射與接收主要是藉由某些材料的特性將電能轉換成機械能，或是將機械能轉換成電能。具備這種性能的材料稱為電聲換能材料，利用電聲換能材料所設計的電聲換能機制稱為電聲換能器。水聽器即為電聲換能器的一種，其探頭 (probe) 是透過壓電效應來感測聲音訊號。由於水聽器所量到的聲音訊號非常微弱，必須與電荷放大器連結，將訊號放大後再經由類比－數位轉換器將訊號擷取至收錄系統中，以便進行後續的分析處理。每一組水聽器使用的感測元件之靈敏度 (sensitivity) 不同，其在頻率響應 (frequency response) 及空間方向性 (directivity) 上皆有差異，須經過校正後才能獲得準確的聲壓位準。