南海某海域環(huán)境噪聲與風(fēng)速相關(guān)性研究*

李韋華，管啟亮，馬錦垠

(中國人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連 116041)

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南海某海域環(huán)境噪聲與風(fēng)速相關(guān)性研究*

李韋華，管啟亮，馬錦垠

(中國人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連 116041)

針對環(huán)境噪聲譜與多年前噪聲譜已不同、非開闊海域環(huán)境噪聲測量受限等問題，在南海某海域?qū)Νh(huán)境噪聲與風(fēng)速進(jìn)行了連續(xù)多年的觀測，并對兩者的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。文中首先介紹了海洋環(huán)境噪聲的測量方法及風(fēng)速數(shù)據(jù)的獲取手段，然后針對環(huán)境噪聲與風(fēng)速的時變特性、相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析，最后對比淺海與深海兩種深度下環(huán)境噪聲與風(fēng)速相關(guān)性的差異。數(shù)據(jù)處理與分析結(jié)果表明，海洋環(huán)境噪聲隨風(fēng)速的大小變化劇烈，7 m接收深度的海洋環(huán)境噪聲值與風(fēng)速的相關(guān)性是所有接收深度中最好的，其中又以頻率為2 000 Hz時最佳，并得到了海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速的回歸擬合方程，此外淺海處環(huán)境噪聲可能受到航行船舶的影響較多，淺海處環(huán)境噪聲與風(fēng)速的相關(guān)性明顯小于深海處。

環(huán)境噪聲；風(fēng)速；相關(guān)性；回歸擬合

海洋環(huán)境噪聲是對所在海域海洋環(huán)境狀況的一種聲學(xué)描述。在海上進(jìn)行聲學(xué)試驗(yàn)時或者利用聲學(xué)進(jìn)行通訊時，環(huán)境噪聲是阻礙水聽器使用的重要因素，此時經(jīng)常被視為一種干擾；另一方面，海洋環(huán)境噪聲又包含有關(guān)海洋的大量信息，通過它可能反演獲得某些重要的海洋環(huán)境參數(shù)。通常情況下，風(fēng)生環(huán)境噪聲和遠(yuǎn)處航船噪聲是海洋環(huán)境噪聲的兩種重要噪聲源，其能量主要分布在100 Hz～20 kHz頻段，而在幾百赫茲到20 kHz的頻率，風(fēng)生環(huán)境噪聲將起主要作用。1948年，Kundson等[1]整理了一戰(zhàn)期間實(shí)測海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，獲得了以海況或風(fēng)力作參數(shù)的著名的Kundson譜。此后，人們發(fā)現(xiàn)風(fēng)速與海洋環(huán)境噪聲譜級的相關(guān)性比海況更好。1962年，美國海軍電子研究所Wenz[2]在大量統(tǒng)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)得出Wenz譜級曲線，并指出噪聲與風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系在1～10 kHz范圍內(nèi)具有非常高的相似性，Wenz譜曲線是現(xiàn)今應(yīng)用較廣泛的一種圖譜。我國科學(xué)家林建恒等[3]通過對青島海域環(huán)境噪聲與風(fēng)速長期觀測，得到按風(fēng)速分段線性擬合環(huán)境噪聲與對數(shù)風(fēng)速的關(guān)系曲線。上述學(xué)者對環(huán)境噪聲的研究存在目前環(huán)境噪聲譜與多年前噪聲譜已不同、非開闊海域環(huán)境噪聲測量受限等問題，本文通過南海某寬闊海域長期環(huán)境噪聲觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出該海域海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速的相關(guān)特性。

1　海洋環(huán)境噪聲測量方法

采用聲學(xué)浮標(biāo)對研究海域的環(huán)境噪聲垂直分布進(jìn)行測量，水聽器陣列接收到的噪聲經(jīng)前置放大和寬帶濾波系統(tǒng)后，送到A/D變換器進(jìn)行數(shù)字化處理，然后被存儲到大容量數(shù)據(jù)存儲設(shè)備上，海洋環(huán)境噪聲采集和處理的基本流程如圖1所示。

圖1　海洋環(huán)境噪聲采集處理流程圖Fig.1　The flow chart of collecting the ambient noises in the ocean

為了獲得精確的噪聲測量數(shù)據(jù)，海洋環(huán)境噪聲測量所使用的水聽器，需要有較高的靈敏度，單個水聽器陣元的技術(shù)要求如下：

1)自由場靈敏度不低于-185 dB，水聽器等效噪聲和前置放大器以及其他電路總噪聲量級低于Wenz噪聲譜曲線的底限；

2)進(jìn)行A/D變換，A/D變換器應(yīng)采用12位以上，采樣率不低于51.2 kHz、在采樣之前還需進(jìn)行寬帶抗混疊濾波器處理；

3)在測量頻率范圍內(nèi)，各個水聽器自由場靈敏度的不均勻性在(±2) dB之內(nèi)[4-5]。

文中所使用的風(fēng)速數(shù)據(jù)為聲學(xué)浮標(biāo)工作母船上測量得到，海上噪聲測量時工作母船停主機(jī)，距離浮標(biāo)約為5 km。

2　海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速的相關(guān)性分析

2.1環(huán)境噪聲與風(fēng)速的時變特性

首先，本文給出了其中一個深海站位7 m深度處不同頻率噪聲譜級、風(fēng)速隨時間的變化圖，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算首先得到86 h風(fēng)速及噪聲譜級連續(xù)記錄圖，如圖2所示。從圖中可以看出，頻率大于500 Hz的環(huán)境噪聲值的散點(diǎn)變化趨勢與風(fēng)速數(shù)據(jù)的散點(diǎn)變化趨勢很相似，這也從另一個角度說明海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速存在相關(guān)性。

圖2　風(fēng)速和不同頻率噪聲譜級隨時間的變化Fig.2　Temporal variation of the wind speed and the ambient noise spectrum level in different frequencies

2.2環(huán)境噪聲與風(fēng)速相關(guān)系數(shù)

對2008—2014年間的9個航次不同頻率不同深度的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)與風(fēng)速對數(shù)數(shù)據(jù)作線性相關(guān)性分析，獲取相關(guān)系數(shù)，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式計(jì)算r。

(1)

式中，x代表環(huán)境噪聲譜級，y代表風(fēng)速對數(shù)大小。

從表1可知，在較淺(<15 m)和較深(>100 m)接收深度(深海環(huán)境)時，100～3 000 Hz頻段內(nèi)的11個頻率中，大部分頻率的海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速數(shù)據(jù)大多具有較好的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.4～0.7，為中度相關(guān)。但中間幾個接收深度(40，70和90 m)和最深(200 m)接收深度的所有頻率的環(huán)境噪聲值與風(fēng)速的相關(guān)性則明顯都偏低，相關(guān)系數(shù)僅為0.2～0.4。在頻率大于500 Hz的情況下，7 m接收深度的海洋環(huán)境噪聲值與風(fēng)速的相關(guān)性是所有接收深度中最好的，其中以2 000 Hz頻率時為最佳，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.72。

表1　不同頻率、不同接收深度的環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)與風(fēng)速對數(shù)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)

圖3給出了接收深度7 m時，不同頻率的噪聲譜級與不同提前時間的風(fēng)速的散點(diǎn)序列圖。綜上分析可知，接收深度7 m的海洋環(huán)境噪聲總體上與風(fēng)速的相關(guān)性最好。接收深度為7 m、頻率為2 000 Hz條件下，海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速的回歸擬合方程為

NLW=52.21+17.86·lg(W)，

(2)

式中，NLW為接收深度7 m處的海洋環(huán)境噪聲譜級值，W為風(fēng)速。

在大多數(shù)情況下，20～500 Hz頻段的海洋環(huán)境噪聲主要來自遠(yuǎn)處船舶航行噪聲；而在0.5～20.0 kHz頻段，海洋環(huán)境噪聲主要來源于距測量點(diǎn)不遠(yuǎn)的海面風(fēng)生噪聲。因此，500 Hz以內(nèi)頻段的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)與風(fēng)速的相關(guān)性較小，不適合用于反演海面風(fēng)速。但本次分析表明，在某些接收深度(7 m和100～180 m)，特別是較深的接收深度(100～180 m，這些深度的數(shù)據(jù)都來自深海站位)，500 Hz以內(nèi)頻率(100，200和400 Hz)的海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速也呈現(xiàn)出中度相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大部分在0.5以上。這與Burgess和Kewley[6]以及Cato[7-8]在澳大利亞附近深海水域的研究結(jié)果基本一致。分析認(rèn)為，在深海環(huán)境下，遠(yuǎn)處的船舶噪聲貢獻(xiàn)很小，對噪聲數(shù)據(jù)的影響不明顯。在本次的分析數(shù)據(jù)中，接收深度100～180 m的數(shù)據(jù)全部來自深海站位，7 m接收深度的數(shù)據(jù)也主要來自深海站位(淺海站位僅占全部86個樣本中的12個)。因此我們認(rèn)為：本次分析中，低頻海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速的中度相關(guān)性也是和深海環(huán)境下，遠(yuǎn)處船舶密度小密切相關(guān)；同時也說明在淺海環(huán)境下，盡管我們盡量剔除了船舶噪聲影響明顯的數(shù)據(jù)，但淺海的噪聲數(shù)據(jù)仍然有可能受到船舶噪聲的影響。因此海面風(fēng)速數(shù)據(jù)用于反演淺海低頻的環(huán)境噪聲時應(yīng)小心謹(jǐn)慎。

圖3　海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速回歸圖Fig.3　The regression chart of the oceanic ambient noise and the wind speed

3　淺海和深海環(huán)境下海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速相關(guān)性的差異

為了進(jìn)一步研究淺海和深海環(huán)境下海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速相關(guān)性的差異，我們根據(jù)2008—2014年結(jié)果將數(shù)據(jù)區(qū)分為淺海和深海數(shù)據(jù)，并各自進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析。淺海和深海噪聲數(shù)據(jù)的共有接收深度為7，10，15，40，70和90 m共6個深度。圖4a和圖4b分別列出了7和15 m兩個接收深度下淺海和深海環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)與頻率的關(guān)系，其余4個深度變化趨勢類似。由圖可知，在所有接收深度和頻率中，深海環(huán)境噪聲與風(fēng)速的相關(guān)性要明顯大于淺海的相關(guān)性。深海環(huán)境的大部分深度和頻率的相關(guān)系數(shù)在0.4以上；而淺海環(huán)境的相關(guān)系數(shù)很低，一些深度和頻率的噪聲與風(fēng)速還表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。造成淺海環(huán)境噪聲與風(fēng)速的相關(guān)性較低的原因可能是由于淺海環(huán)境噪聲受船舶噪聲的影響較大所致,淺海環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)多數(shù)靠近航道附近, 而隨著近年來海上航運(yùn)量的快速增長,近海環(huán)境噪聲級顯著升高。

圖4　水深為7和15 m處淺海與深海環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)與風(fēng)速相關(guān)系數(shù)對比Fig.4　The correlation coefficients of the oceanic ambient noise and the wind speed at depth of 7 m，15 m shallow sea and deep sea, respectively

4　結(jié)　論

海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速的關(guān)系是海洋環(huán)境噪聲反演海面風(fēng)速以及建立風(fēng)生噪聲源強(qiáng)度模型的基礎(chǔ)。大量的研究[2-3，8]表明海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速的對數(shù)具有線性相關(guān)關(guān)系。利用多年的水聲調(diào)查數(shù)據(jù)與同步風(fēng)速數(shù)據(jù)對南海某海域的環(huán)境噪聲與風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)論如下：

1)大部分頻率、深度的海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速數(shù)據(jù)具有較好的同步性，隨風(fēng)速大小的變化而變化。

2)在頻率大于500 Hz的情況下，7 m接收深度的海洋環(huán)境噪聲值與風(fēng)速的相關(guān)性是所有接收深度中最好的，其中以2 000 Hz頻率時為最佳，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.72，其海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速的回歸擬合方程為NLW=52.21+17.86·lg(W)。

3)當(dāng)海洋環(huán)境噪聲受遠(yuǎn)處船舶噪聲影響較小時，在多個接收深度上，500 Hz以內(nèi)頻率(100，200和400 Hz)的海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速的相關(guān)性同樣也較高，相關(guān)系數(shù)大部分達(dá)到0.5以上。因此，在深海環(huán)境下(船舶噪聲影響小)低頻(100～500 Hz)的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)也可以用于反演海面風(fēng)速。

4)在所有接收深度和頻率，深海環(huán)境噪聲與風(fēng)速的相關(guān)性要明顯大于淺海的相關(guān)性，這可能與淺海環(huán)境噪聲受船舶噪聲的影響更大密切相關(guān)，有待進(jìn)一步分析。

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[6]BURGESS A S, KEWLEY D J. Wind-generated surface noise source levels in deep water east of Australia[J].Journal of the Acoustial Society of America, 1983, 73(1):201-210.

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The Correlation Research of Ocean Ambient Noise and Wind Speed in South China Sea

LI Wei-hua, GUAN Qi-liang, MA Jin-yin

(Unit91439ofthePeople'sLiberationArmyofChina, Dalian 116041, China)

Subject to the facts that the ambient noise spectrum in nowadays has been changed from several years ago, and that the ambient noise measurement is limited in closed seas, the oceanic ambient noise and the wind speed were continuously observed for years in a certain area of the South China Sea, and the relationship of the two parameters were statistically analyzed. This paper firstly introduces the methods to measure the ocean ambient noise and to acquire the wind speed. Then the temporal evolvement of the ambient noise and the wind speed, and their correlation coefficients were analyzed. At last, the differences of this correlation is investigated through comparison in the shallow and the deep seas. The results showed that, the oceanic ambient noise changed substantially with the wind speed, and the correlation of the oceanic ambient noise and the wind speed at the depth of 7 m was highest in all of the receiving depths and the correlation was highest for frequency 2 000 Hz. A regression fitting equation was obtained between the oceanic ambient noise and the wind speed. At the same time, the ambient noise in the shallow sea was more prone to be influenced by the sailing noises from the vessels passing by, the correlation of the ambient noise and the wind speed in shallow water is lower than that in the deep sea.

ambient noise; wind speed; correlation; regression fitting

August 28, 2015

2015-08-28

總裝預(yù)研基金項(xiàng)目——重點(diǎn)調(diào)查海域環(huán)境噪聲與風(fēng)速相關(guān)性研究(9140A03060213JB15039)

李韋華(1987-)，男,山東安丘人,助理工程師,碩士,主要從事水聲測量方面研究.E-mail：liweihua123ab@163.com

(王燕編輯)

P733.2

A

1671-6647(2016)03-0397-06

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.03.009