王 超?笪良龍 韓 梅 孫雪海
(海軍潛艇學(xué)院 青島 266071)
?研究報(bào)告?
南海夏季海洋環(huán)境噪聲與海面風(fēng)速相關(guān)特性分析?
王超?笪良龍韓梅孫雪海
(海軍潛艇學(xué)院青島266071)
海洋環(huán)境噪聲是影響潛艇作戰(zhàn)及遠(yuǎn)程目標(biāo)探測(cè)和定位的重要參數(shù),由于海洋環(huán)境噪聲具有很強(qiáng)的時(shí)空變異性,因此一種有效的手段是通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量和處理了解特定海區(qū)的海洋環(huán)境噪聲的統(tǒng)計(jì)特性。本文以2013年4月30日至8月1日,南海典型海域布放海洋環(huán)境噪聲測(cè)量潛標(biāo)系統(tǒng)所收錄的環(huán)境噪聲為研究對(duì)象。數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明,在整個(gè)頻率范圍內(nèi),海洋環(huán)境噪聲與對(duì)數(shù)風(fēng)速具有很好的線性關(guān)系,但環(huán)境噪聲隨風(fēng)速變化的斜率與頻率相關(guān),在1 kHz附近達(dá)到最大值。通過(guò)波束形成分析了海洋環(huán)境噪聲的垂直指向性,并給出了“垂直方向噪聲”、“水平方向噪聲”和“全向噪聲”與風(fēng)速相關(guān)性分析結(jié)果??梢钥闯?,在風(fēng)浪噪聲與遠(yuǎn)處航船噪聲都有貢獻(xiàn)的中頻段,“垂直方向噪聲”與海面風(fēng)速的相關(guān)性好于“全向噪聲”和“水平方向噪聲”與海面風(fēng)速的相關(guān)性,且“垂直方向噪聲”隨風(fēng)速變化的斜率略大于“全向噪聲”隨風(fēng)速變化的斜率。
海洋環(huán)境噪聲,潛標(biāo)系統(tǒng),線性關(guān)系,垂直相干性
海洋環(huán)境噪聲是影響水聲遠(yuǎn)程目標(biāo)探測(cè)和定位的重要參數(shù),為了提高水下探測(cè)的精度,加強(qiáng)對(duì)海洋環(huán)境噪聲的了解成為了一個(gè)重要課題,值得關(guān)注的是,迄今我國(guó)對(duì)所屬海區(qū)的海洋環(huán)境噪聲基本特性的了解還很不夠,一定程度上制約了水聲裝備的發(fā)展。眾所周知,頻率在50 Hz到500 Hz十倍頻程范圍內(nèi),遠(yuǎn)處航船是主要的噪聲源[1-2],在幾百赫茲以上頻率,海洋環(huán)境噪聲級(jí)與海況有直接的關(guān)系,而且噪聲級(jí)與測(cè)量水聽(tīng)器所在地的風(fēng)速直接相關(guān)[2-3],很多研究結(jié)果表明,海洋環(huán)境噪聲與對(duì)數(shù)風(fēng)速具有很好的線性關(guān)系[4-9]。1964 年P(guān)iggott[4]在淺海的測(cè)量結(jié)果可以看出,在高頻段,譜級(jí)和對(duì)數(shù)風(fēng)速大致都構(gòu)成線性關(guān)系,在頻率小于140 Hz的低頻段,風(fēng)速在大于25節(jié)后才對(duì)譜級(jí)有影響,1972年Birch和Burt[5]將此結(jié)果推廣到深海。
本文利用海洋環(huán)境噪聲測(cè)量潛標(biāo)系統(tǒng)在南海典型海域測(cè)量的三個(gè)月海洋環(huán)境噪聲,研究該海域海洋環(huán)境噪聲級(jí)與海面風(fēng)速的相關(guān)性。16通道海洋環(huán)境噪聲測(cè)量系統(tǒng)每小時(shí)測(cè)量?jī)煞昼娫肼曅盘?hào),潛標(biāo)系統(tǒng)是以ARM和FPGA為核心獨(dú)立完成數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ),且以嵌入式系統(tǒng)為平臺(tái),系統(tǒng)具有較低的自噪聲和較高的可靠性。為了支持本次試驗(yàn),國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心提供了噪聲測(cè)量期間的風(fēng)速和浪高數(shù)據(jù),航船信息則通過(guò)AIS系統(tǒng)獲得。圖1給出了試驗(yàn)期間風(fēng)速分布概率密度直方圖。
圖1 風(fēng)速分布直方圖Fig.1 Histogram of wind speed distribution
海洋環(huán)境噪聲信號(hào)是一種寬帶的隨機(jī)信號(hào),在短時(shí)間內(nèi)它可視為平穩(wěn)過(guò)程,在測(cè)量系統(tǒng)回收后,要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理,通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析,可以得到觀測(cè)海區(qū)的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí),以總結(jié)出所在海區(qū)環(huán)境噪聲的變化規(guī)律。進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí),首先需對(duì)記錄的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)瀏覽、有效性分析和截取,獲得用于數(shù)據(jù)分析的樣本,然后對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行加窗處理,以獲得更好的頻率分辨率和防止頻譜泄漏,最后采用1/3倍頻程功率譜分析海洋環(huán)境噪聲。
噪聲場(chǎng)具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),不僅要知道噪聲場(chǎng)的時(shí)間特性,而且要知道其空間特性,其中垂直指向性是反映噪聲場(chǎng)空間特性的重要參數(shù)之一,本文通過(guò)波束形成應(yīng)用于接收陣列,以達(dá)到空間濾波的效果,從而得到各個(gè)到達(dá)角度上的噪聲能量。N元等間距分布的垂直陣作波束形成處理求得噪聲場(chǎng)的垂直指向性為[10]
其中S為互譜密度矩陣(N×N的埃爾米特矩陣),W為控制方向的列向量,其第n個(gè)元素為wneiφn,其中wn和φn分別為n號(hào)水聽(tīng)器的幅度加權(quán)和相位加權(quán):
其中d為水聽(tīng)器間距,λ為波長(zhǎng)。
3.1環(huán)境噪聲與風(fēng)速相關(guān)特性
2013年4月30日至2013年8月1日,潛標(biāo)系統(tǒng)連續(xù)記錄環(huán)境噪聲三個(gè)月,試驗(yàn)時(shí)間安排在南海休漁期,漁船活動(dòng)少,可減少漁船對(duì)試驗(yàn)的不利影響。試驗(yàn)期間最小風(fēng)速在1 m/s左右,最大風(fēng)速達(dá)到15 m/s(由于試驗(yàn)期間有臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)),圖2給出了不同風(fēng)速條件下(1~15 m/s),環(huán)境噪聲譜級(jí)隨頻率變化特性,圖3給出了環(huán)境噪聲譜級(jí)隨風(fēng)速和頻率變化的三維圖顯示,兩圖是由15號(hào)水聽(tīng)器接收到的環(huán)境噪聲處理得到的結(jié)果。由圖2和圖3可以看出,在120 Hz以下頻率,噪聲譜級(jí)基本不隨風(fēng)速發(fā)生變化,這是由于遠(yuǎn)處航船噪聲為此頻率范圍內(nèi)的主要噪聲源[1]。100 Hz至1 kHz十倍頻程范圍內(nèi),風(fēng)速1 m/s時(shí),1 kHz噪聲譜級(jí)相對(duì)于100 Hz噪聲譜級(jí)減小了約30 dB,隨著風(fēng)速增加,噪聲譜級(jí)減小量減少,當(dāng)風(fēng)速最大為15 m/s時(shí),1 kHz噪聲譜級(jí)相對(duì)于100 Hz噪聲譜級(jí)只減小了6 dB。由以上兩圖還可以看到,由于風(fēng)速增加,風(fēng)速15 m/s時(shí)的噪聲譜級(jí)比風(fēng)速1 m/s時(shí)的噪聲譜級(jí)在1 kHz升高了近25 dB,而在低頻段影響卻很小。
對(duì)于環(huán)境噪聲與風(fēng)速的關(guān)系,1964年P(guān)iggott[4]在淺海的測(cè)量結(jié)果可以看出,在高頻段(200 Hz以上頻率),譜級(jí)和風(fēng)速的對(duì)數(shù)大致都構(gòu)成線性關(guān)系:
為了研究試驗(yàn)海域環(huán)境噪聲譜級(jí)與風(fēng)速的相關(guān)性,圖4(a)~圖4(i)給出了12 Hz至3.2 kHz頻率范圍內(nèi)環(huán)境噪聲譜級(jí)隨對(duì)數(shù)風(fēng)速變化曲線,圖中直線是采用最小二乘法擬合公式(4)而得到的。
圖2 不同風(fēng)速條件下噪聲譜級(jí)頻率特性Fig.2 Spectrum level of ambient noise as a function of frequency at different wind speed
圖3 環(huán)境噪聲隨頻率和風(fēng)速變化Fig.3 Ambient noise as a function of frequency and wind speed
圖4 海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)隨對(duì)數(shù)風(fēng)速變化圖Fig.4 Ambient noise level as a function of logarithmic wind speed
圖4(a),圖4(b)給出了頻率12 Hz和20 Hz下噪聲譜級(jí)與風(fēng)速的關(guān)系圖,可以看出在這兩個(gè)頻率下,噪聲譜級(jí)隨風(fēng)速增大而增大,但隨風(fēng)速增大的增量較小,這是由于風(fēng)產(chǎn)生的海洋湍流引起的低頻噪聲信號(hào)引起的。圖4(c)~圖4(e)給出了頻率30 Hz 至200 Hz下噪聲譜級(jí)與風(fēng)速的關(guān)系,可以看出在30 Hz至 200 Hz的頻率范圍內(nèi)噪聲譜級(jí)基本不隨風(fēng)速發(fā)生變化,這是由于在中頻段航船噪聲是主要的噪聲源[1]。圖4(f)~圖4(i)為400 Hz至3.2 kHz的噪聲譜級(jí)隨風(fēng)速的變化,可以看出400 Hz以上的頻率范圍,環(huán)境噪聲譜級(jí)與對(duì)數(shù)風(fēng)速具有很好的增長(zhǎng)關(guān)系,可以看出,此頻率范圍內(nèi)噪聲譜級(jí)隨風(fēng)速增大的斜率高于低頻段。圖5給出了擬合直線斜率n(f)隨頻率變化曲線,可以看出在30 Hz至200 Hz的中頻段,噪聲譜級(jí)隨風(fēng)速變化的斜率n(f)基本為0,在1 kHz附近,斜率n(f)達(dá)到最大。
圖5 擬合曲線斜率n(f)隨頻率變化Fig.5 Fitting line slopes as a function of frequency
圖6 噪聲譜級(jí)與風(fēng)速的互相關(guān)性曲線Fig.6 Cross correlation of ambient noise level with wind speed
為定量分析風(fēng)速對(duì)噪聲譜級(jí)的影響,圖6給出了噪聲譜級(jí)與海面風(fēng)速的互相關(guān)性曲線,可以看出,在200 Hz以上的高頻段,噪聲譜級(jí)與海面風(fēng)速具有非常好的相關(guān)性,30 Hz以下的低頻段,噪聲譜級(jí)與海面風(fēng)速也具有一定的相關(guān)性,但此頻段內(nèi)的相關(guān)性較高頻段相關(guān)性差,在30 Hz至200 Hz頻率范圍內(nèi),噪聲譜級(jí)與海面風(fēng)速相關(guān)性最差,這與前面的討論結(jié)果一致。由圖6可以歸納出,海洋環(huán)境噪聲存在三種主要噪聲源:(1)30 Hz以下由海面波動(dòng)形成的海洋湍流,此噪聲信號(hào)與風(fēng)速僅有很微弱的關(guān)系;(2)30 Hz至200 Hz的中頻段,遠(yuǎn)處航船是此頻率范圍內(nèi)的主要噪聲源;(3)在200 Hz以上的高頻段,噪聲源主要是風(fēng)引起的海面擾動(dòng)噪聲。三種噪聲源之間并沒(méi)有明確的界限,每個(gè)頻帶內(nèi)主要是哪種噪聲源則與風(fēng)速大小和航船有關(guān)[11]。
3.2各方向噪聲譜級(jí)結(jié)果分析
通過(guò)波束形成應(yīng)用于垂直接收陣可獲得各個(gè)方向上的噪聲能量,以用來(lái)分析各方向噪聲譜級(jí)與海面風(fēng)速的相關(guān)性。由早期的環(huán)境噪聲研究結(jié)果可知[12-14],水平角度來(lái)的環(huán)境噪聲多為遠(yuǎn)處航船噪聲所貢獻(xiàn),而海面風(fēng)浪噪聲則是影響水平角度以外較高角度的主要聲源。
圖7~圖9給出了頻率50 Hz、200 Hz和400 Hz下的噪聲場(chǎng)垂直指向性,圖中紅點(diǎn)劃線代表高風(fēng)速(風(fēng)速11 m/s)期間的垂直指向性,藍(lán)實(shí)線代表低風(fēng)速(風(fēng)速3 m/s)期間的垂直指向性。可以看出頻率50 Hz時(shí),環(huán)境噪聲水平方向上的能量在高風(fēng)速期間略低于低風(fēng)速期間,這可能是由于高風(fēng)速造成水文的劇烈變動(dòng),使低頻的遠(yuǎn)處航船噪聲傳播受到干擾而減弱,也可能因?yàn)楦唢L(fēng)速期間航船數(shù)量減少造成的。在200 Hz的垂直指向性圖,高風(fēng)速期間垂直角度的噪聲能量有升高的現(xiàn)象,這是由于高風(fēng)速條件下風(fēng)浪噪聲由大角度入射造成的。進(jìn)一步觀察50 Hz和200 Hz垂直指向性圖,可以看出,在低風(fēng)速時(shí),入射角度大于±20°的噪聲能量低于水平角度許多,表示此時(shí)環(huán)境噪聲主要來(lái)自水平角度的方向,當(dāng)風(fēng)速增加時(shí),這種噪聲能量差減小。頻率400 Hz時(shí),在整個(gè)角度范圍內(nèi),高風(fēng)速期間的噪聲能量都大于低風(fēng)速期間的噪聲能量,表明此時(shí)的噪聲能量主要為表面風(fēng)浪噪聲所貢獻(xiàn)。
圖7 50 Hz噪聲場(chǎng)垂直指向性Fig.7 Ambient noise vertical directionality at 50 Hz
我們定義來(lái)自垂直方向的噪聲信號(hào)為“垂直方向噪聲”,來(lái)自水平方向的噪聲信號(hào)為“水平方向噪聲”,并研究這兩個(gè)方向噪聲譜級(jí)與海面風(fēng)速的相關(guān)性,圖10給出了“垂直方向噪聲”、“水平方向噪聲”和“全向噪聲”(波束形成之前的噪聲信號(hào))隨風(fēng)速變化斜率n(f)頻率特性曲線??梢钥闯?,在200 Hz 至600 Hz頻率范圍,“垂直方向噪聲”隨海面風(fēng)速變化的斜率n(f)略大于“全向噪聲”隨風(fēng)速變化的斜率,在200 Hz以上的高頻段(風(fēng)噪聲為主要噪聲源的頻率范圍),“全向噪聲”和“垂直方向噪聲”隨風(fēng)速變化的斜率n(f)遠(yuǎn)大于“水平方向噪聲”隨風(fēng)速變化的斜率,200 Hz以下的低頻段,三個(gè)方向噪聲隨海面風(fēng)速變化的斜率基本相同,這是因?yàn)樵诖祟l率范圍內(nèi)風(fēng)噪聲不是主要噪聲源。圖11給出了三個(gè)方向噪聲與海面風(fēng)速的互相關(guān)性曲線,由圖可以看出,在頻率400 Hz以下,“垂直方向噪聲”與風(fēng)速的相關(guān)性好于“全向噪聲”和“水平方向噪聲”與風(fēng)速的相關(guān)性,而且“水平方向噪聲”與風(fēng)速的相關(guān)性最差,這與前面討論的海面風(fēng)浪噪聲是垂直方向的主要噪聲源,而水平角度來(lái)的環(huán)境噪聲多為遠(yuǎn)處航船噪聲所貢獻(xiàn)的結(jié)論一致。在頻率較高的頻段(800 Hz以上),整個(gè)頻率范圍內(nèi)噪聲源主要為海面風(fēng)浪噪聲,遠(yuǎn)處航船噪聲貢獻(xiàn)幾乎為零,因此在頻率800 Hz以上三個(gè)方向噪聲與風(fēng)速的相關(guān)性都很好,且?guī)缀跸嗤?/p>
圖8 200 Hz噪聲場(chǎng)垂直指向性Fig.8 Ambient noise vertical directionality at 200 Hz
圖9 400 Hz噪聲場(chǎng)垂直指向性Fig.9 Ambient noise vertical directionality at 400 Hz
圖10 三個(gè)方向噪聲n(f)隨頻率變化Fig.10 Slopes of noise from three directions as a function of frequency
圖11 三個(gè)方向噪聲與風(fēng)速的互相關(guān)性曲線Fig.11 Cross correlation of noise from three directions with wind speed
本文利用潛標(biāo)系統(tǒng)在南海典型海域開(kāi)展的為期三個(gè)月的海洋環(huán)境噪聲測(cè)量數(shù)據(jù),研究了海洋環(huán)境噪聲與海面風(fēng)速的相關(guān)性,實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果表明,海洋環(huán)境噪聲與對(duì)數(shù)風(fēng)速具有很好的線性關(guān)系。在200 Hz以上的高頻段,噪聲譜級(jí)與海面風(fēng)速具有非常好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)近似為1,這為我們以后利用環(huán)境噪聲反演海面風(fēng)速提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
通過(guò)波束形成應(yīng)用于垂直接收陣獲得了各個(gè)方向上的噪聲能量,并給出了“垂直方向噪聲”和“水平方向噪聲”與海面風(fēng)速的相關(guān)性結(jié)果,并與“全向噪聲”進(jìn)行比較,結(jié)果顯示,在風(fēng)浪噪聲與遠(yuǎn)處航船噪聲都有貢獻(xiàn)的中頻段,“垂直方向噪聲”與海面風(fēng)速的相關(guān)性好于“全向噪聲”和“水平方向噪聲”與海面風(fēng)速的相關(guān)性,在200 Hz以上風(fēng)浪噪聲為主要噪聲源的高頻段,“全向噪聲”和“垂直方向噪聲”隨風(fēng)速變化的斜率n(f)遠(yuǎn)大于“水平方向噪聲”隨風(fēng)速變化的斜率,在頻率200 Hz以下,三個(gè)方向噪聲隨海面風(fēng)速變化的斜率基本相同。
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Correlation property analyses of ambient noise with surface wind speed in summer of the South China Sea
WANG ChaoDA LianglongHAN MeiSUN Xuehai
(Navy Submarine Academy,Qingdao 266071,China)
Ambient noise is an important parameter for affecting submarine warfare,remote target detection and localization.As ambient noise has a strong spatial and temporal variability,its statistical characteristics may be obtained by data processing from the measurement data.This article is based upon the ambient noise data collected using submersible buoy system in the South Sea from April 30,2013 to August 1.The results of data processing show that the ambient sea noise has linear relations with the logarithm of wind speed over the entire frequency region,but the slopes are markedly frequency dependent and reach maximum at 1 kHz. This paper analyzes the vertical directionality by beamforming and also gives the correlation result of“vertical directionality noise”,“horizontal directionality noise”and“omnidirectional noise”with wind speed.We can see that,in the mid-frequency band which includes wind generated noise and shipping noise,the correlation of“vertical directionality noise”with wind speed is better than the correlation of“omnidirectional noise”and “horizontal directionality noise”with wind speed.And the slopes of“vertical directionality noise”with wind speed are slightly larger than the slopes of“omnidirectional noise”with wind speed.
Ambient noise,Submersible buoy system,Linear relations,Vertical directionality
TN0427.5
A
1000-310X(2015)03-0243-06
10.11684/j.issn.1000-310X.2015.03.009
2014-07-23收稿;2015-01-28定稿
?國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61203271)
王超(1988-),男,山東章丘人,博士研究生,研究方向:海洋環(huán)境噪聲。?
E-mail:120107769@qq.com