海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)處理及時(shí)空特性研究

魏永星，于金花，常 哲，趙淑坤，周 瑩，牛志華

（國家海洋技術(shù)中心 天津 300112）

海洋環(huán)境噪聲是水聲信道中的一種干擾背景場，限制水聲設(shè)備性能的發(fā)揮[1]。環(huán)境噪聲是指除去所有可分辨的噪聲源后剩下的噪聲背景，即來自水聽器周圍的環(huán)境噪聲。海洋環(huán)境噪聲級是指用無指向性水聽器測得的環(huán)境噪聲的聲強(qiáng)，參考級是具有均方根聲壓等于1微帕的平面波聲強(qiáng)，將測得的噪聲級折算到1Hzd帶寬時(shí)的值為海洋環(huán)境噪聲譜級。研究海洋環(huán)境噪聲需要分析不同季節(jié)（時(shí)間）、不同海區(qū)、不同水文條件下的海洋環(huán)境噪聲時(shí)域、頻域和空域的特性，找出其規(guī)律，并以此為根據(jù)進(jìn)行海洋環(huán)境噪聲預(yù)報(bào)，為水聲設(shè)備的設(shè)計(jì)、研制提供依據(jù)，準(zhǔn)確評價(jià)并提高聲納裝備的戰(zhàn)術(shù)性能。

1 噪聲產(chǎn)生因素、測試方法

海洋環(huán)境噪聲具有明顯的變化性，是由于主要噪聲源的變化引起的。海洋環(huán)境噪聲的產(chǎn)生因素很多，通常包括潮汐、波浪所引起的壓力波和湍流引起的壓力脈動，以及地震活動、風(fēng)動海面、降雨、分子熱運(yùn)動、海洋中生物群體的活動等。在近海灣或港口處，工業(yè)噪聲與行船噪聲也是海洋噪聲的重要來源；遠(yuǎn)處行船和遠(yuǎn)處風(fēng)暴的作用相當(dāng)，是100 Hz左右頻率的主要噪聲源；在近海，風(fēng)是噪聲的主要來源；降雨也起相當(dāng)?shù)淖饔谩D1是不同航運(yùn)和風(fēng)速條件下的平均典型自然噪聲譜。圖2是Heindsman，Smith和Arneson等人在長島海峽對降雨噪聲進(jìn)行實(shí)際測量得到的降雨自然噪聲譜[2]。

圖1 深海平均環(huán)境噪聲譜Fig.1 Ocean ambient noise spectrum in level

海洋環(huán)境噪聲測量方式多樣，可以基于測量船、潛標(biāo)、浮標(biāo)或者岸站[3]，目前應(yīng)用最為廣泛的是基于錨系聲學(xué)潛標(biāo)系統(tǒng)的測量方式，因?yàn)闈摌?biāo)裝置能夠在惡劣海況下進(jìn)行長期定點(diǎn)工作連續(xù)的海洋環(huán)境噪聲同步測量，并且能夠攜帶多種測量設(shè)備，可同步記錄溫、鹽、深、聲速等相關(guān)水文參數(shù)。還有一種測量方法是利用岸站聲納或者警備系統(tǒng)（包括水下監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行海洋環(huán)境噪聲特性的測量，也將是我國噪聲監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要趨勢，具有測量長期性和能夠直接為聲納系統(tǒng)服務(wù)的特點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)需要進(jìn)行選擇使用。

圖2 長島海峽觀測到的降雨噪聲譜Fig.2 Noise spectrum of rainfall in Changdao strait

2 數(shù)據(jù)處理方法

海洋環(huán)境噪聲級（NL）是用來衡量環(huán)境噪聲強(qiáng)弱的一個(gè)量，本文海洋環(huán)境噪聲聲壓譜級處理方法依據(jù)海洋聲光要素調(diào)查規(guī)范[4]，計(jì)算公式如下：

1）噪聲頻帶聲壓級 Lpf

式中：

Lpf—噪聲頻帶聲壓級，單位為分貝（dB）；

Pf—用一定帶寬的濾波器（或計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)）測得的噪聲聲壓，單位為μPa；

P0—基準(zhǔn)聲壓等于1 μPa。2）噪聲聲壓譜級 Lps

當(dāng)聲能在Δf中均勻分布時(shí)；

式中：

Lps—噪聲聲壓譜級，單位為分貝（dB）；

Lpf—用中心頻率為f的帶通濾波器測得的頻帶聲壓級，單位為分貝（dB）；

△f—帶通濾波器的有效帶寬，單位為赫茲（Hz）。

海洋環(huán)境噪聲信號是一種寬帶的隨機(jī)信號[5]，在短時(shí)間內(nèi)可視為平穩(wěn)隨機(jī)過程，海洋環(huán)境噪聲采用1/3倍頻程譜能比較好地反映噪聲源的譜特性。本文最終得到的就是1/3倍頻程海洋環(huán)境噪聲譜級，以每小時(shí)為單位分段。譜分析時(shí)可以將數(shù)據(jù)再細(xì)分，保證頻率分辨率小于1 Hz。

3 數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)目利用坐底式錨系聲學(xué)潛標(biāo)在我國某海區(qū)進(jìn)行了為期90天的海洋環(huán)境噪聲測量，并同步記錄該海區(qū)的水文現(xiàn)象。本文對獲取的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域和時(shí)空分析，由于時(shí)間跨度長，示范海域選擇具有典型性，分析結(jié)果具有重要的應(yīng)用價(jià)值。隨機(jī)選取其中某段隨機(jī)噪聲信號，時(shí)域結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：該海區(qū)海洋環(huán)境噪聲信號幅度很小，主要集中在±3 mV之內(nèi)，在60 s時(shí)間內(nèi)沒有較大的起伏，可以認(rèn)為該段噪聲數(shù)據(jù)相對平穩(wěn)，無明顯干擾。

圖3 隨機(jī)海洋環(huán)境噪聲原始信號Fig.3 Random sample of original ocean ambient noise signal

下面通過時(shí)空頻域特性研究來得到觀測海區(qū)的噪聲水平。潛標(biāo)陣上水聽器的位置根據(jù)空間相關(guān)性原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保在關(guān)注的深度層面上有水聽器分布，圖4是某時(shí)刻31.5 Hz、63 Hz、100 Hz、125 Hz、160 Hz、250 Hz、400 Hz、630 Hz、1 250 Hz等不同中心頻率對應(yīng)的1/3倍頻程海洋環(huán)境噪聲剖面圖。

圖4 不同中心頻率對應(yīng)的1/3倍頻程海洋環(huán)境噪聲剖面Fig.4 1/3 oct ocean ambient noise spectrum section of different frequency

由圖4可以看出：

1）不同頻率的海洋環(huán)境噪聲譜級隨深度的變化趨勢接近一致，能量隨頻率的增加而減小，符合噪聲變化規(guī)律；

2）根據(jù)水文氣象記錄，此時(shí)的海況平穩(wěn)，多云，南風(fēng)4～5級，浪高1.2米，因此海洋環(huán)境噪聲空間變化規(guī)律比較有代表性；

3）越接近海底，海洋環(huán)境噪聲隨深度的增加梯度變化越大，可能是聲波與海底交互作用導(dǎo)致聲能的減弱；

4）100米處與107米處海洋環(huán)境噪聲譜級明顯變大，在聲納設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)應(yīng)特別注意這兩個(gè)深度的影響。

此次海洋環(huán)境噪聲觀測時(shí)間跨度為90天，根據(jù)該示范海區(qū)的氣象水文等相關(guān)記錄，海況變化比較大，圖5是同一深度不同時(shí)刻1/3倍頻程海洋環(huán)境噪聲譜級分布情況。

由圖5可以看出：

1）該海區(qū)海洋環(huán)境噪聲能量分布按頻率由高到低呈下降趨勢，每倍頻程按（6～8）dB衰減，符合海洋環(huán)境噪聲分布規(guī)律；

圖5 同一深度不同時(shí)刻的1/3倍頻程海洋環(huán)境噪聲譜級分布Fig.5 Distributing of 1/3 oct ocean ambient noise spectrum at different time in the same deep

2）5月2日的噪聲水平整體高于7月10日的噪聲水平（10～30）dB，結(jié)合該海區(qū)的水文氣象資料，得知，5月2日出現(xiàn)中雨，東北風(fēng)6～7級，浪高達(dá)到了2米，海況復(fù)雜，而7月10日多云，南風(fēng)4～5級，浪高1.2米，海況相對平穩(wěn)，根據(jù)圖1可知不同的風(fēng)力也會使噪聲譜級有相應(yīng)的變化，根據(jù)圖2可知降雨會明顯提高自然噪聲級，綜上所述，兩天的噪聲水平發(fā)生明顯變化主要是因?yàn)楹r的影響，而且可以得出7級風(fēng)和中雨共同影響可以使噪聲譜級（500～9 000）Hz的頻段整體提高（10～30）dB，在衡量該海區(qū)噪聲水平的時(shí)候要注意海況的影響；

3）7月10日11時(shí)（30～100）Hz頻段噪聲譜級值偏高，由水文氣象資料知道此時(shí)的海況比較平穩(wěn)，最大的影響原因可能是航船，因?yàn)楹酱瑢υ肼暤挠绊懛秶话銥椋?0～500）Hz，所以此時(shí)可能會有航船經(jīng)過造成低頻段譜級偏高。

4 結(jié)束語

文中介紹了噪聲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理方法，處理時(shí)域、頻域和空間分布上分析了某海區(qū)實(shí)測海洋噪聲數(shù)據(jù)的時(shí)空變化特性。研究發(fā)現(xiàn)，該海區(qū)的海洋環(huán)境噪聲譜級在空間上變化趨勢接近一致，在聲納設(shè)計(jì)、應(yīng)用時(shí)應(yīng)特別注意海洋環(huán)境噪聲突然變化的深度。具體海洋環(huán)境變化（降雨、風(fēng)力、航船等）與噪聲譜級的關(guān)系需要進(jìn)行更加細(xì)致的研究。

噪聲的時(shí)空分布是無規(guī)則的、運(yùn)動的，具有很大的環(huán)境依賴性[6]，文中僅提供了某海區(qū)長時(shí)間的實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)空變化典型分析過程，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我們需要進(jìn)行更多點(diǎn)的實(shí)際測量得到廣泛完整的噪聲分布情況，為水聲設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。

[1] R.J.尤立克.水聲原理[M].哈爾濱:哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社,1990.

[2] 劉伯勝，雷家煜.水聲學(xué)原理[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2006.

[3] 徐功慧，陳鴻志，王二慶，等.海洋環(huán)境噪聲觀測技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法[J].海洋技術(shù)，2011:69-70.XU Gong-hui, CHEN Hong-zhi, WANG Er-qing, et al.Ocean ambient noise observation technology and signal processing Methods[J]. Ocean Technology, 2011:69-70.

[4] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 12763.5-2007.海洋調(diào)查規(guī)范 海洋聲、光要素調(diào)查[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[5] 高西全，丁玉美.數(shù)字信號處理[M].西安：西安科大出版社，2008.

[6] 馮士筰，李鳳岐，李少菁.海洋科學(xué)導(dǎo)論[M].北京:高等教育出版社，1999.