ISO 74472024 水下声学冲击打桩辐射水下声的测量水下屏障控制措施插入损耗的现场测定标准立项发展报告

水下声学冲击打桩辐射水下声的测量水下屏障控制措施插入损耗的现场测定标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:UnderwaterAcoustics—MeasurementofRadiatedUnderwaterSoundfromPercussivePileDriving—InSituDeterminationoftheInsertionLossofBarrierControlMeasuresUnderwater摘要随着全球海洋工程、海上风电、跨海桥梁及港口码头等基础设施建设规模的持续扩大，冲击打桩作业产生的水下辐射噪声对海洋生态环境尤其是海洋哺乳动物的生存繁衍构成了显著威胁。为有效评估和验证水下气泡帷幕、隔声罩等屏障控制措施的降噪性能，亟需建立统一、规范的现场测定方法。国际标准化组织（ISO）于2024年9月4日正式发布ISO7447:2024《水下声学冲击打桩辐射水下声的测量水下屏障控制措施插入损耗的现场测定》，该标准归属于“机器和设备的噪声”分类体系，是水下声学测量领域一项重要的基础性方法标准。本标准系统规定了水下屏障控制措施插入损耗现场测定的测量原理、测试条件、仪器设备要求、测量步骤、数据处理及结果报告等技术内容，填补了国际标准化组织在水下打桩降噪措施声学性能现场评价领域的标准空白。本标准的发布实施将为海洋工程环境管理、水下施工噪声控制、海洋生态保护提供权威的技术支撑，对引导全球水下打桩降噪技术的规范化发展和绿色海洋工程建设具有深远的引领意义。关键词：水下声学；冲击打桩；插入损耗；屏障控制措施；现场测定；海洋工程噪声Keywords:UnderwaterAcoustics;PercussivePileDriving;InsertionLoss;BarrierControlMeasures;InSituMeasurement;MarineEngineeringNoise1引言1.1研究背景冲击打桩是海洋工程建设中最常用的桩基施工方式之一，广泛用于海上风电基础、跨海桥梁墩台、港口码头、人工岛及海洋油气平台等基础设施的建设。然而，冲击打桩过程中锤体对桩顶的周期性冲击会在桩体及周围水体中激发出高强度的瞬态声波。研究表明，大型液压锤或蒸汽锤在打桩过程中产生的峰值声源级可达180~200dBre1μPa@1m，远超多数海洋生物的可耐受阈值。水下打桩噪声不仅会造成海洋哺乳动物（如鲸类、海豚、海豹等）的暂时性听觉阈移（TTS）甚至永久性听觉损伤（PTS），还会导致鱼类行为紊乱、繁殖成功率下降及栖息地回避等多种生态负面影响。为缓解水下打桩噪声对海洋生态的损害，工程实践中广泛采用气泡帷幕（bubblecurtain）、隔声罩（noisemitigationscreen/cofferdam）、共振器及复合消声系统等屏障控制措施。这些措施的有效性取决于其插入损耗（InsertionLoss,IL）的大小，即在采取控制措施前后，同一接收点处声压级或声暴露级的差值。然而，由于水下环境的复杂性、打桩声源的强瞬态特性以及不同工程条件下传播条件的显著差异，如何科学、准确地现场测定屏障措施的实际插入损耗，长期以来缺乏统一的国际标准，导致不同项目间的测量结果可比性差，监管部门和建设单位难以进行有效的合规评估。1.2标准立项的必要性与紧迫性近年来，欧盟《海洋战略框架指令》（MSFD）、国际海事组织（IMO）的船舶水下噪声导则以及各国海洋能开发环境影响评价制度，均对水下施工噪声的控制提出了日益严格的要求。尤其在欧洲北海海上风电大规模开发地区，多个国家（如德国、荷兰、丹麦、英国）已立法规定了打桩噪声的峰值声源级限值（如德国要求距桩基750m处单击声暴露级不超过160dBre1μPa²·s）。在此背景下，建设单位必须通过安装降噪屏障并验证其性能来满足许可条件。然而，由于缺乏统一的现场插入损耗测定标准，不同咨询机构采用的测量方法各异，测试结果的可靠性和一致性难以保障，甚至出现同一降噪系统在不同项目中测得插入损耗差异悬殊的情况。因此，制定一项专门针对水下屏障控制措施插入损耗现场测定的国际标准，已成为水下声学领域最紧迫的标准化需求之一。2标准研制过程与编制原则2.1标准编制过程ISO7447:2024由ISO/TC43（声学）技术委员会下属的SC3（水下和水中噪声分技术委员会）负责制定。该标准的研制工作可追溯至2016年前后北欧国家的联合预研。2019年，在多项欧盟研究项目（如BONUSBALTIC,SATURN等）成果的基础上，ISO/TC43/SC3正式立项，编号为ISO/AWI7447，由来自挪威、德国、荷兰、英国、美国、中国、韩国等国的声学专家组成工作组（WG8）共同起草。经过工作组内部多轮草案讨论、实验室比对测试（round-robintests）以及为期三个月的国际标准草案（DIS）投票和最终国际标准草案（FDIS）投票，该标准于2024年9月4日正式出版发布，标准状态为现行。2.2编制原则本标准的编制遵循了以下核心原则：1.科学性与严谨性：以水下声学基础理论为依据，充分吸收近年来在冲击打桩声源特性、近远场传播规律以及降噪措施声学机理方面的最新研究成果；2.现场适用性与可操作性：充分认识到海上施工现场条件复杂多变、难以实现理想实验室条件的现实，在保证测量精度的前提下，力求方法简明、操作可行；3.国际协调一致性：与ISO18405《水下声学术语》、ISO17208《船舶水下辐射噪声测量》、IEC60565《水声换能器校准》等已有国际标准保持术语和方法上的协调衔接；4.中立性与灵活性：不对具体的降噪技术（如气泡帷幕的孔径、流量等）作硬性规定，而是侧重于测量方法本身，从而适用于各类屏障控制措施。3标准主要内容解析3.1标准适用范围ISO7447:2024规定了在开放水域（海洋、海湾、大型湖泊等）中，对冲击打桩过程中安装于声源与保护目标（或远场监测点）之间的水下屏障控制措施（如气泡帷幕、隔声罩、混凝土围堰等）的插入损耗进行现场测定的方法。该标准适用于单桩（monopile）等典型冲击打桩工况，也适用于其他类型的冲击式打桩（如钢板桩、管桩等）的工程评估。标准不适用于振动打桩或静压植桩等非冲击式施工方式，也不适用于对屏障本身材料性能的实验室测定。3.2术语和定义标准中明确定义了与插入损耗现场测定相关的核心术语。其中，“插入损耗”（InsertionLoss）定义为在相同声源和传播条件下，在不安装屏障控制措施与安装屏障控制措施两种状态下，同一特定接收位置处测得的声暴露级或声压级之差。插入损耗以分贝（dB）为单位表示。标准还定义了“单击声暴露级”（SingleStrikeSoundExposureLevel,SPL/SEL）、“峰值声压级”（PeakSoundPressureLevel）、“源-接收距离”“屏障覆盖范围”等关键术语。值得注意的是，标准将插入损耗视为频率相关的量值，既要求给出宽带总插入损耗（如全频段SEL差值），也要求给出1/3倍频程或窄带频段的插入损耗频谱。3.3测量原理与基本方法ISO7447:2024的测量原理基于成对对比测量法（pairedmeasurementapproach）。具体而言，在相同的打桩位置、相同的锤击能量和相同的接收水听器布设条件下，分别测量以下两种状态下的水下声场：-参考状态（基线测量）：在没有安装任何屏障控制措施（或屏障未激活，如气泡帷幕不供气）的情况下，测量打桩产生的辐射水下声信号；-受控状态（防护测量）：在屏障控制措施正常运行的条件下，以相同打桩参数测量同一接收点的水下声信号。两种状态下的测量为交替进行（即“开关-关开”循环），以消除打桩锤能量输出的时间漂移和潮位、水温等环境因素变化带来的影响。插入损耗通过下式计算：IL=L_ref−L_control其中L_ref为参考状态下的声暴露级或峰值声压级，L_control为受控状态下的对应量。标准要求至少进行多组交替测量并取平均值，以减少打桩固有变异性和环境噪声的影响。3.4测量仪器与技术要求标准对测量系统提出了明确的技术要求，主要包括：-水听器：灵敏度需经校准（校准溯源性符合IEC60565或等效国家标准），频率响应应覆盖5Hz至20kHz（或至少20Hz至10kHz），灵敏度在预期测量频带内平坦度优于±1.5dB；-采集系统：具备至少24位的A/D转换精度，采样率不低于48kHz（推荐96kHz），动态范围应满足峰值声压级不产生削波失真；-校准：测量前后均须使用活塞发声器或静电激励器进行端到端校准，校准偏差不得超过0.5dB；-抗风浪与抗流噪声措施：水听器应安装于刚性支架或底部系缆浮标上，以减小水流引起的流噪声对低频测量的干扰。3.5测量位置布设标准对水听器的空间布设提出了规范性要求。水听器应布置在离桩基一定距离处，典型推荐距离为桩基水平距离的1倍至10倍（如25m、50m、100m、750m等，视工程需要选定），且至少应覆盖近场（桩基附近）与远场（与保护目标距离相当）两档。在垂直方向上，水听器应设于水下若干深度层（如5m、10m、15m等），以反映声场在垂直方向上的分布特征。标准特别指出，参考状态与受控状态的测量中，水听器的位置必须严格保持一致，任何位置偏差均应予以记录并在不确定度分析中予以考虑。3.6打桩参数的记录与一致性控制为保证两种状态下测量结果的可比性，标准对打桩参数记录提出了详细要求，包括锤击能量（kJ）、锤击速率（击/分钟）、桩径、桩入土深度、桩顶自由长度、锤型与垫层状态等。标准建议采用能量监测系统实时记录每一击的实际打击能量，并筛选出能量偏差在±10%以内的锤击事件用于后续分析，从而最大限度地降低声源强度波动引入的系统误差。3.7数据处理与插入损耗计算数据处理流程包括：（1）对原始时域信号进行去直流、带通滤波（如5Hz~20kHz）；（2）识别每一击的瞬态信号并计算单击声暴露级；（3）对多击数据进行能量平均；（4）计算参考状态与受控状态的平均声暴露级之差得到插入损耗；（5）对1/3倍频程频带分别计算频带插入损耗。标准还要求给出测量的扩展不确定度（coveragefactork=2），不确定度来源包括水听器校准不确定度、打桩源能量变异、环境噪声影响、水听器位置偏差等。3.8测量报告要求标准规定测量报告应至少包含以下内容：工程概况与打桩参数、屏障控制措施的类型与运行参数（如气泡帷幕的供气流量、喷孔深度、帷幕直径等）、测量仪器与校准信息、水听器布设图（平面与剖面）、测量工况时间表、逐击与平均声暴露级数据、插入损耗计算结果（宽带值与频谱值）、不确定度评估以及结论与建议。4标准关键技术特点与创新点4.1成对对比测量法的规范化尽管成对对比法在工程实践中已有应用，但此前缺乏统一的细节规范。ISO7447:2024首次以国际标准形式系统规定了交替测量的执行程序、有效锤击样本量的最低要求、数据筛选准则及统计平均方法，显著提高了现场测试的规范性和结果的可比性。4.2频谱插入损耗概念的引入传统工程实践中往往仅关注宽带插入损耗（即总声暴露级差），难以满足对不同频段降噪性能的精细化评估需求。本标准明确要求给出1/3倍频程频带的插入损耗频谱，这为优化屏障设计（如针对低频段加固）和生态风险评估（如针对特定物种听觉敏感频段评估）提供了更为翔实的数据基础。4.3不确定度评估的系统化标准对测量不确定度来源进行了系统梳理，并给出了合成不确定度的评定框架。这一安排使测试结果具有更明确的置信水平，有助于监管部门和建设单位在合规性判定中作出更为科学的决策。4.4与生态保护目标的衔接标准的编制充分考虑了海洋生态保护的实际需要，在测量距离推荐上兼顾了工程降噪评估与生态监测的需求。例如，标准建议在距桩基750m处（欧洲部分国家立法限值参考点）布设远场水听器，使测量结果可直接用于环境许可合规评估，体现了国际标准化工作与社会治理需求之间的有效衔接。5主要起草单位简介在本标准的研制过程中，挪威科学与工业研究院（SINTEF）海洋部发挥了核心主导作用。SINTEF是斯堪的纳维亚地区最大的独立研究机构之一，总部位于挪威特隆赫姆，其海洋声学研究团队长期从事水下噪声测量与评估、海洋工程施工噪声控制及海洋生物声学效应研究，在欧盟框架计划及北欧合作研究项目中积累了丰富的实践经验。SINTEF团队牵头完成了大量现场实验验证工作，包括在北海等多个海上风电场施工现场组织开展的气泡帷幕和隔声罩插入损耗对比测试，为ISO7447:2024的多个技术条款（尤其是成对对比测量方案和不确定度评定框架）提供了关键的实证数据。此外，德国联邦水文研究所（BfG）、荷兰应用科学研究组织（TNO）、丹麦科技大学（DTU）声学团队以及中国船舶集团有限公司第七〇二研究所等机构的专家也深度参与了标准草案的技术讨论和意见反馈，为本标准的国际适用性和技术完善作出了积极贡献。6结论与展望ISO7447:2024《水下声学冲击打桩辐射水下声的测量水下屏障控制措施插入损耗的现场测定》的发布填补了水下打桩降噪措施现场声学性能评价国际标准的空白。该标准以其科学性、可操作性和国际协调性，为全球海洋工程建设中的水下噪声控制提供了统一的技术标尺，对规范降噪措施市场准入、支撑海洋环境监管、保护海洋生态系统具有重要的现实意义和长远价值。展望未来，随着海上风电向深远海发展、打桩锤击能量持续增大以及新型降噪技术（如主动消声、复合屏障等）的不断涌现，ISO7447的后续修订需在以下方面持续深化：一是拓展对连续打桩及群桩作业场景的覆盖；二是增加对时变声源特性和浅海多途信道影响的处理指南；三是进一步完善与生态影响评估之间的数据接口。与此同时，建议中国相关部门在充分吸收该国际标准技术内容的基础上，加快推动我国相应国家标准或行业标准的制定与转化工作，为我国蓬勃发展的海上风电和海洋基础设施建设提供绿色、规范、高效的噪声管理技术保障。参考文献[1]ISO7447:2024,Underwateracoustics—Measurementofradiatedunderwatersoundfrompercussivepiledriving—Insitudeterminationoftheinsertionlossofbarriercontrolmeasuresunderwater.Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,20