考慮噪聲源深度分布的海洋環(huán)境噪聲模型及地聲參數(shù)反演?

江鵬飛 林建恒2)? 孫軍平 衣雪娟

1)(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所北海研究站,青島 266023)2)(中國(guó)科學(xué)院水聲環(huán)境特性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)(2016年7月13日收到;2016年10月11日收到修改稿)

考慮噪聲源深度分布的海洋環(huán)境噪聲模型及地聲參數(shù)反演?

江鵬飛1)林建恒1)2)?孫軍平1)衣雪娟1)

1)(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所北海研究站,青島 266023)2)(中國(guó)科學(xué)院水聲環(huán)境特性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)(2016年7月13日收到;2016年10月11日收到修改稿)

考慮到海洋環(huán)境噪聲源深度分布不集中,建立了噪聲源隨深度分布的海洋環(huán)境噪聲模型,分析了源深度對(duì)噪聲場(chǎng)垂向特征的影響并從簡(jiǎn)正波角度予以解釋,發(fā)現(xiàn)海底聲阻抗和聲源深度都顯著影響由海洋環(huán)境噪聲獲得的等效海底反射損失大掠射角部分,進(jìn)而將該模型用于地聲參數(shù)反演.兩段實(shí)測(cè)噪聲數(shù)據(jù)200—525 Hz頻段的反演結(jié)果表明:基于海洋環(huán)境噪聲的地聲參數(shù)反演最優(yōu)值與聲傳播的反演結(jié)果相近;源平均深度最優(yōu)值隨頻率增加有變小的趨勢(shì),說(shuō)明隨頻率增加環(huán)境噪聲主要貢獻(xiàn)源逐漸由航船轉(zhuǎn)為風(fēng)浪;當(dāng)海況大于3級(jí)時(shí),400 Hz以上頻段噪聲源深度平均值很小,與Monahan氣泡理論的描述一致.

環(huán)境噪聲源,深度分布,地聲反演

1引 言

海洋環(huán)境噪聲在幾十赫茲至20kHz段內(nèi)有兩種主要的噪聲源[1]:風(fēng)關(guān)噪聲和遠(yuǎn)處航船噪聲.航船噪聲是200 Hz以下的主要噪聲源,風(fēng)關(guān)噪聲是1kHz以上的主要噪聲源,而在200 Hz至1kHz頻段內(nèi),航船噪聲與風(fēng)關(guān)噪聲都有貢獻(xiàn),所占比例取決于航運(yùn)繁忙程度和海況.眾所周知,氣泡是風(fēng)關(guān)噪聲的主要噪聲源,波浪破碎將空氣卷入海水中,形成氣泡,基于大量的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和前人的工作,Monahan[2]系統(tǒng)闡述了氣泡的演變歷程,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到5.4m/s時(shí)(3級(jí)海況)且持續(xù)作用時(shí),海浪破碎在海面產(chǎn)生白沫,白沫以下臨近海面處會(huì)持續(xù)生成大量氣泡,當(dāng)風(fēng)力較弱時(shí),破碎波浪產(chǎn)生向下噴射的動(dòng)力消散,氣泡經(jīng)過(guò)一系列演變最終與白沫分離,和背景氣泡層融為一體,分布于較大的深度范圍內(nèi),在11—13m/s風(fēng)速作用下,氣泡最大深度可達(dá)10米,密度最大值出現(xiàn)在4m處[3];而作為高工況航船噪聲主要來(lái)源的螺旋槳一般位于水面下幾米至十幾米的深度,可見(jiàn)“混合”噪聲源的存在可導(dǎo)致環(huán)境噪聲源深度分布較分散.那么在某些頻段聲場(chǎng)預(yù)報(bào)和地聲參數(shù)反演中,繼續(xù)使用假設(shè)噪聲源隨機(jī)連續(xù)分布在接近海面的同一無(wú)限大平面上的傳統(tǒng)環(huán)境噪聲模型,顯然不夠合理,可導(dǎo)致預(yù)報(bào)或反演結(jié)果出現(xiàn)較大誤差.本文討論了噪聲源深度對(duì)環(huán)境噪聲場(chǎng)垂向空間特征的影響,并給出合理的物理解釋,進(jìn)而將噪聲源深度分布的環(huán)境噪聲模型用于地聲參數(shù)反演.

有關(guān)海洋環(huán)境噪聲模型,最早可追溯到1962年,Cron和Sherman[4]把深?？醋饕粋€(gè)均勻的半空間,假設(shè)噪聲源指向性為cospθ,建立了一個(gè)深海環(huán)境噪聲模型.1972年,Cox[5]將空間相關(guān)性分析運(yùn)用在噪聲場(chǎng)研究中,加入波數(shù)譜概念,建立了海洋環(huán)境噪聲模型.1980年,Kuperman和Ingenitgo[6]提出了K-I模型,認(rèn)為噪聲源隨機(jī)連續(xù)分布于接近海面的無(wú)窮大平面上,利用波動(dòng)理論推導(dǎo)了分層海洋中噪聲場(chǎng)空間相關(guān)函數(shù).Buckingham和Carbone[7]推導(dǎo)了適用于半無(wú)限海洋的兩點(diǎn)間環(huán)境噪聲空間相關(guān)公式,分析了噪聲源深度對(duì)環(huán)境噪聲空間相關(guān)的影響,指出隨著噪聲源深度增加,噪聲源偶極子特征變?nèi)?導(dǎo)致噪聲場(chǎng)空間相關(guān)系數(shù)逐漸與頻率無(wú)關(guān).何利[8]考慮噪聲源深度分布,改進(jìn)了K-I噪聲模型并計(jì)算了海洋環(huán)境噪聲場(chǎng)垂直相關(guān),很好地解釋了試驗(yàn)現(xiàn)象.

此外,近年來(lái)利用環(huán)境噪聲反演地聲參數(shù),由于其不需要發(fā)射聲源,易于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到人們的青睞.Deane等[9]分析了海底聲速和衰減對(duì)海洋環(huán)境噪聲垂直指向性和垂直相關(guān)的影響,并利用海洋環(huán)境噪聲垂直相關(guān)反演了聲速等海底參數(shù).Aredov和Furduev[10]通過(guò)測(cè)量噪聲場(chǎng)的垂向能量分布,等效轉(zhuǎn)化成海底反射損失,理論分析了由噪聲場(chǎng)提取海底反射系數(shù)的可能性.Arvelo[11]分析了東中國(guó)海環(huán)境噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù),針對(duì)海水衰減、陣傾斜、近場(chǎng)船只等參數(shù)失配條件,分析了噪聲反演的穩(wěn)健性和限制條件.Quijano等[12]將貝葉斯匹配場(chǎng)處理方法用于風(fēng)關(guān)環(huán)境噪聲反演,并指出風(fēng)速是影響反演結(jié)果的重要因素.駱文于[13]利用中美聯(lián)合考察東中國(guó)海得到的噪聲數(shù)據(jù),反演得到無(wú)限大液態(tài)半空間海底聲速、密度、衰減.李丙輝[14]建立了海洋環(huán)境噪聲簡(jiǎn)正波模型,反演了分層海底聲學(xué)參數(shù),僅有仿真結(jié)果,未涉及試驗(yàn)數(shù)據(jù).殷寶友等[15]利用三個(gè)參數(shù)表征海底反射,建立了海底簡(jiǎn)化的海洋環(huán)境噪聲模型,并用來(lái)反演海底聲學(xué)參數(shù),該方法不考慮海底分層結(jié)構(gòu),相對(duì)簡(jiǎn)單.此外江鵬飛等[16]針對(duì)海底密度不敏感問(wèn)題,提出了分步反演策略.

以上回顧了部分海洋環(huán)境噪聲建模及反演海底參數(shù)的理論及試驗(yàn)結(jié)果,不難發(fā)現(xiàn),人們只討論了噪聲源深度對(duì)環(huán)境噪聲場(chǎng)空間相關(guān)特性的影響,并未涉及噪聲場(chǎng)其他空間特征,也沒(méi)有將噪聲源深度分布的環(huán)境噪聲模型用于地聲參數(shù)的反演.本文首先考慮噪聲源的深度,修改了基于射線法的近場(chǎng)環(huán)境噪聲模型,建立了噪聲源深度分布的海洋環(huán)境噪聲模型;然后討論噪聲源深度對(duì)環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)的影響,并給出合理的物理解釋;接下來(lái)基于噪聲源深度分布海洋環(huán)境噪聲模型,利用不同海況下的實(shí)測(cè)海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)來(lái)反演地聲參數(shù),并對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行分析;最終得出結(jié)論.

2噪聲源深度分布的海洋環(huán)境噪聲模型

本文海洋環(huán)境噪聲模型采用近場(chǎng)射線法、遠(yuǎn)場(chǎng)簡(jiǎn)正波法混合算法.

射線法計(jì)算環(huán)境噪聲近場(chǎng)特性:N元等間距垂直水聽(tīng)器陣布放于水中,相鄰水聽(tīng)器間距為Δ,噪聲源深度為zs時(shí),其中任意兩個(gè)水聽(tīng)器接收環(huán)境噪聲互譜密度表示為[17]

其中q為噪聲源強(qiáng)度,θ′為m,n水聽(tīng)器對(duì)的仰角(?π/2 ＜ θ′＜ 0為海面方向),kmn=2πf/cmn,cmn為兩個(gè)水聽(tīng)器中心位置聲速,不同角度幅度因子A(θ′,f)表示為

其中Rs(θs,f),R(θb,f)分別為海面、 海底的反 射 系 數(shù), θs= cos?1(cos(θ′)cs/cmn), θb=cos?1(cos(θ′)cb/cmn),cs,cb分別為海水中海面、海底位置聲速,這里假設(shè) Rs(θs,f)=1;J(θ′)為近場(chǎng)完整聲線循環(huán)次數(shù),可借助射線傳播程序求得;g(θs)是噪聲源的指向性函數(shù),通?？紤]噪聲源深度較小,假設(shè)聲源為偶極子,令g(θs)=sinθs,而隨著噪聲源深度增加,噪聲源偶極子特性逐漸消失,本文為討論噪聲源深度zs對(duì)環(huán)境噪聲場(chǎng)的影響[18],圖1給出zs=2m、頻率300 Hz情況下兩種噪聲源的指向性比較,二者差別明顯.

于是,近場(chǎng)環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)可以表示為

圖1 聲源深度2m、頻率300 Hz兩種噪聲源指向性比較Fig.1.zs=2m,f=300 Hz,the comparison between two kinds of noise source directionality.

簡(jiǎn)正波法計(jì)算環(huán)境噪聲遠(yuǎn)場(chǎng)特性:

其中ψm為第m號(hào)簡(jiǎn)正波本征函數(shù),km為簡(jiǎn)正波本征值,αm為其虛部,r0為近場(chǎng)距離,本文記作r0=10×D,D為海深.

那么噪聲源深度為zs時(shí)環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)可表示為

Bz(θ,f,zs)=Bnear(θ,f,zs)+Bfar(θ,f,zs).(8)

本文假設(shè)噪聲源密度隨深度服從高斯分布:

其中z0為均值,σ2為方差.則環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)表示為

根據(jù)Harrison的理論[19],可通過(guò)環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)獲得等效海底反射損失:

本文模型在計(jì)算近場(chǎng)環(huán)境噪聲時(shí)對(duì)射線法進(jìn)行了修改,使其能夠適應(yīng)噪聲源深度變化的情況.為驗(yàn)證本文近場(chǎng)模型,將其和采用scooter程序的近場(chǎng)波數(shù)積分模型[16]的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,仿真環(huán)境如表1所列,假設(shè)相鄰陣元間距1m的31元垂直接收陣位于海水層中心位置.圖1和圖2分別給出了頻率450 Hz聲源深度分別為0.1m,2m時(shí)兩個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果.就近場(chǎng)計(jì)算結(jié)果而言,二者在大仰角部分基本一致,在0°附近二者存在一定差距,原因是對(duì)于小仰角,(2)式中J(θ′)的微小差別可導(dǎo)致計(jì)算范圍的較大出入,但是從總聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果來(lái)看,二者在小仰角的差別可忽略不計(jì).

表1 仿真環(huán)境參數(shù)Table 1.Environment parameters of simulation.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)兩種模型計(jì)算環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)比較 (a)聲源深度zs=0.1m;(b)zs=2mFig.2.(color online)The vertical array response of ambient noise calculated by two models:(a)Source depth zs=0.1m;(b)zs=2m.

3噪聲源深度的分析和討論

本節(jié)借助上述模型仿真計(jì)算噪聲源不同深度時(shí)海洋環(huán)境噪聲垂向特征,并從簡(jiǎn)正波角度給出合理的解釋,進(jìn)而分析不同地聲參數(shù)對(duì)垂向特征的敏感度,以便利用環(huán)境噪聲反演地聲參數(shù).

3.1 聲源深度對(duì)環(huán)境噪聲場(chǎng)垂向特征的影響

仿真環(huán)境同表1,海底反射系數(shù)[20]可表示為

其中Zj=ρjcj/sinθj,j=1,2,3,分別代表海水、沉積層和基底;c,ρ,θ分別是聲速、密度和掠射角.考慮到海底衰減,聲速通常表示為復(fù)數(shù)形式:其中α為衰減系數(shù),單位為為沉積層厚度.那么海底損失為

分別計(jì)算噪聲源位于不同深度時(shí)250,450 Hz海洋環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)和等效反射損失,結(jié)果如圖3和圖4所示.可見(jiàn)隨著噪聲源深度的改變,海洋環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)能量大小、近場(chǎng)形狀都有明顯變化.簡(jiǎn)正波理論認(rèn)為,噪聲源激發(fā)各號(hào)簡(jiǎn)正波強(qiáng)度可表示[21]為2

與噪聲源深度處本征函數(shù)成正比.圖5給出了250,450 Hz前5號(hào)簡(jiǎn)正波本征函數(shù),隨著噪聲源深度由海面逐漸下移,聲源激發(fā)的各號(hào)簡(jiǎn)正波能量增強(qiáng),環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)值也變大了.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)噪聲源深度不同時(shí)250 Hz (a)環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng);(b)等效海底反射損失Fig.3.(color online)(a)The vertical array response,(b)equivalent seabed re fl ection loss of 250 Hz ambient noise when the source depth is di ff erent.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)噪聲源深度不同時(shí)450 Hz(a)環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng),(b)等效海底反射損失Fig.4.(color online)(a)The vertical array response,(b)equivalent seabed re fl ection loss of 450 Hz ambient noise when the source depth is di ff erent.

圖5 不同頻率前5號(hào)簡(jiǎn)正波本征函數(shù)Fig.5.The eigenfunctions of fi rst fi ve normal modes of di ff erent frequencies.

噪聲源深度變化還顯著改變了環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)凹槽外側(cè)部分的形狀(以及大掠射角的等效海底反射損失),為解釋這一現(xiàn)象,先討論不同簡(jiǎn)正波對(duì)大掠射角等效海底反射損失的作用.可采用(1)—(4)式和(9)式仿真計(jì)算,這里假設(shè)(2)式中

圖6 不同簡(jiǎn)正波作用下的AFig.6.The Awith di ff erent normal modes.

來(lái)分別對(duì)應(yīng)高號(hào)、低號(hào)簡(jiǎn)正波,那么分別求得A(θ′,f,zs)、大掠射角等效海底反射損失,結(jié)果如圖6和圖7所示.可見(jiàn)只有高號(hào)簡(jiǎn)正波作用時(shí),等效海底反射損失大掠射角部分遠(yuǎn)高于低號(hào)簡(jiǎn)正波作用的結(jié)果,高號(hào)簡(jiǎn)正波“抬高”了等效海底反射損失.主要原因在于與高號(hào)簡(jiǎn)正波對(duì)應(yīng)的大掠射角聲線與海底碰撞時(shí),海底反射損失較大,從而導(dǎo)致海面、海底方向傳來(lái)的聲線能量差異明顯.噪聲源深度增大到一定程度,其激發(fā)的高號(hào)簡(jiǎn)正波能量開(kāi)始衰減,而低號(hào)簡(jiǎn)正波能量持續(xù)增強(qiáng),由此便可解釋為什么隨著噪聲源深度增加,等效海底反射損失大掠射角部分降低了.

圖7 不同簡(jiǎn)正波作用下的等效海底反射損失Fig.7.The equivalent seabed re fl ection loss with different normal modes.

另外,由圖3(b)和圖4(b)不難發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)現(xiàn)象:1)由于海面噪聲源激發(fā)的高號(hào)簡(jiǎn)正波能量強(qiáng)于低號(hào)簡(jiǎn)正波,噪聲源深度越接近海面,等效海底反射損失越大、越接近真實(shí)值,尤其在大角度部分;2)由于頻率越高,噪聲源聲源激發(fā)各號(hào)簡(jiǎn)正波強(qiáng)度隨深度變化越快,當(dāng)噪聲源深度由0.1m變?yōu)?.1m時(shí),450 Hz環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)獲得的等效海底反射損失的變化大于250 Hz.

3.2 海底聲學(xué)參數(shù)敏感度分析

圖8 海底參數(shù)對(duì)環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)和等效海底反射損失的敏感性曲線 (a)聲速;(b)密度;(c)衰減Fig.8.The curve of the sensitivity of seabed parameters to the vertical array response of ambient noise and equivalent seabed re fl ection loss:(a)Sound speed;(b)density;(c)attenuation.

圖8分別給出了海底聲速、密度以及衰減系數(shù)對(duì)200 Hz環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)和等效海底反射損失的敏感性曲線,圖中每條曲線標(biāo)注的兩個(gè)數(shù)字分別為沉積層和基底參數(shù).可見(jiàn),不同海底參數(shù)對(duì)海洋環(huán)境噪聲場(chǎng)垂向特征敏感度不同,海底聲速是在所有掠射角下對(duì)海底反射損失都有影響的重要參數(shù);在大掠射角入射時(shí),海底損失主要由法向聲阻抗率決定,海底密度很重要,但對(duì)于小于臨界角的掠射角,其對(duì)海底反射損失的影響基本可以忽略;衰減系數(shù)在掠射角小于臨界角時(shí)對(duì)海底反射損失影響較大.

綜上所述,海底聲速、密度和聲源深度都顯著影響等效海底反射損失大掠射角部分,如果依然假設(shè)噪聲源隨機(jī)連續(xù)分布于接近海面的無(wú)窮大平面上,難免出現(xiàn)海底聲速、密度反演結(jié)果偏大的情況,而簡(jiǎn)單地假設(shè)噪聲源位于水下某一深度顯然與實(shí)際情況不符,采用噪聲源隨深度分布的海洋環(huán)境噪聲模型作為地聲參數(shù)反演的正向模型,可有效減少反演誤差.

4噪聲試驗(yàn)分析及海底參數(shù)反演

聲源深度對(duì)海洋環(huán)境噪聲垂向特征影響顯著,反演過(guò)程中若聲源深度處置不當(dāng),可導(dǎo)致反演結(jié)果出現(xiàn)較大誤差.本節(jié)將噪聲源深度分布的海洋環(huán)境噪聲模型作為正向模型,利用某次海試測(cè)量的環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)來(lái)提取地聲參數(shù).

4.1 噪聲試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)選在某海域淺水區(qū),平均海深約為37m,海底地形比較平坦,淺剖顯示海底無(wú)明顯分層,平均聲速剖面如圖9所示,10—15m范圍內(nèi)有較強(qiáng)的躍層.在聲傳播試驗(yàn)間隙,利用自容式的水聽(tīng)器垂直線列陣采集噪聲數(shù)據(jù),垂直陣布放于2—30m深度,相鄰陣元間距為1m,這里選取兩段時(shí)長(zhǎng)約為2min噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,兩段數(shù)據(jù)采集過(guò)程中平均風(fēng)速分別為2.8,4.86m/s(換算成海面10m處風(fēng)速分別約為3.1,6.1m/s).圖10給出了兩段不同深度環(huán)境噪聲功率譜數(shù)據(jù),具有較為明顯的航船噪聲特征:低頻譜峰附近出現(xiàn)一系列諧波線譜.此外,由于風(fēng)速較大,數(shù)據(jù)2的風(fēng)關(guān)噪聲環(huán)境噪聲(大于200 Hz頻段)功率譜要明顯高于數(shù)據(jù)1.圖11給出了兩段環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)數(shù)據(jù)可見(jiàn):1)除±20°外,在約負(fù)20°到負(fù)90°方向上能量較強(qiáng)且出現(xiàn)其他峰值,說(shuō)明附近確實(shí)有船只;2)在低頻段0°附近未見(jiàn)“凹槽”,可能由遠(yuǎn)處航船所致.

4.2 反演方法

圖9 試驗(yàn)期間平均聲速剖面Fig.9.The mean sound speed pro fi le during the experiment.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)不同深度環(huán)境噪聲功率譜Fig.10.(color online)The spectrum of ambient noise at various depths.

圖11 兩段數(shù)據(jù)環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)隨頻率變化Fig.11.The change of vertical array response of ambient noise with di ff erent frequencies.

下面扼要介紹海底聲學(xué)參數(shù)的反演方法,假設(shè)海底為無(wú)限大半空間,待反演的參數(shù)為m={c,ρ,α,σ2,z1,z2,···,zn},其中c,ρ,α分別為海底聲速、密度、衰減系數(shù),σ2為噪聲源隨深度高斯分布的方差,zn為不同頻率源深度均值.采用等效海底損失理論值BLinv與試驗(yàn)值BLexp的均方差為代價(jià)函數(shù)進(jìn)行多頻聯(lián)合反演:

其中Ntheta為角度個(gè)數(shù).本文選擇在匹配場(chǎng)反演中廣泛應(yīng)用的自適應(yīng)單純形模擬退火算法[22]實(shí)現(xiàn)待反演參數(shù)最優(yōu)值求解.自適應(yīng)模擬退火算法結(jié)合模擬退火和單純形下降法兩種方法的優(yōu)點(diǎn),具有很強(qiáng)的全局優(yōu)化搜索能力,速度快,魯棒性較好.

4.3 反演結(jié)果分析

表2給出了待反演參數(shù)及其搜索范圍和同次試驗(yàn)中利用聲傳播、環(huán)境噪聲反演的結(jié)果,可見(jiàn)將噪聲源深度分布的環(huán)境噪聲模型用于反演時(shí),由兩段數(shù)據(jù)提取的地聲參數(shù)結(jié)果相近,與聲傳播反演結(jié)果差別較小,分析海底底質(zhì)介于第6,7類[23]之間.傳統(tǒng)模型反演(假設(shè)聲源深度為0.1m)獲得的地聲參數(shù)均大于聲傳播反演結(jié)果,其中密度最優(yōu)值遠(yuǎn)高于經(jīng)驗(yàn)值.通過(guò)分析由兩段數(shù)據(jù)獲取的不同頻率聲源深度均值,可以發(fā)現(xiàn)頻率高于400 Hz時(shí),噪聲源平均深度最優(yōu)值明顯小于低頻段的反演結(jié)果,主要原因在于隨頻率的增加,海洋環(huán)境噪聲主要貢獻(xiàn)源逐漸由航船轉(zhuǎn)為風(fēng)浪,這也符合Wenz曲線的特征.此外,由數(shù)據(jù)2獲取的425 Hz和500 Hz源平均深度最優(yōu)值很小,遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)1,這可根據(jù)Monahan的理論予以解釋:當(dāng)風(fēng)速大于5.4m/s時(shí),海面波浪破碎,臨近海面處持續(xù)生成大量氣泡,從而使高于400 Hz頻段噪聲源多集中于海面下極小深度內(nèi);當(dāng)風(fēng)速較小時(shí),風(fēng)關(guān)噪聲主要噪聲源為背景氣泡層,噪聲源深度分布較分散.數(shù)據(jù)2獲取的525 Hz源平均深度最優(yōu)值為2.5m,與上述理論不符,原因可能是該頻率位于航船噪聲干涉結(jié)構(gòu)的譜峰附近.圖12和圖13分別給出數(shù)據(jù)1,2待反演參數(shù)隨迭代次數(shù)的變化,隨著迭代次數(shù)的增加,待反演參數(shù)逐漸趨于最優(yōu)值.圖14和圖15分別給出兩組數(shù)據(jù)反演最優(yōu)值代入模型計(jì)算等效反射損失與實(shí)測(cè)值的比較,可見(jiàn)大多數(shù)頻率在大掠射角部分二者符合較好,頻率大于300 Hz時(shí),實(shí)測(cè)值在掠射角小于60°的部分出現(xiàn)起伏,而模型計(jì)算結(jié)果相對(duì)平穩(wěn),原因在于:實(shí)驗(yàn)期間某一深度或某幾個(gè)深度存在較強(qiáng)噪聲源,可導(dǎo)致等效反射損失實(shí)測(cè)值出現(xiàn)起伏,而模型計(jì)算結(jié)果相當(dāng)于一定深度范圍內(nèi)的所有深度計(jì)算值加權(quán)平均,所以結(jié)果相對(duì)平穩(wěn).

表2 待反演參數(shù)及反演結(jié)果信息表Table 2.The range of parameters for inversion and the inversion results.

圖12 待反演參數(shù)隨迭代次數(shù)變化(數(shù)據(jù)1)Fig.12.The value change of parameters for inversion with number of iteration(data 1).

圖13 待反演參數(shù)隨迭代次數(shù)變化(數(shù)據(jù)2)Fig.13.The value change of parameters for inversion with number of iteration(data 2).

圖14 實(shí)測(cè)結(jié)果與反演最優(yōu)值計(jì)算結(jié)果比較(數(shù)據(jù)1)Fig.14.The experimental results compared to the predicted results evaluated at inverted value(data 1).

5結(jié) 論

在200—2kHz頻段內(nèi),航船及風(fēng)浪是環(huán)境噪聲的兩種主要聲源,“混合”聲源的存在使該頻段環(huán)境噪聲源深度分布較分散.這種情況下,海洋環(huán)境噪聲建模如果依然沿用噪聲源均勻分布在接近海面的無(wú)限大平面上的假設(shè),顯然是不合適的,為此本文建立了噪聲源深度分布的海洋環(huán)境噪聲模型,并將該模型用于地聲參數(shù)反演.本文主要結(jié)論如下.

1)噪聲源深度對(duì)等效海底反射損失大掠射角部分(環(huán)境噪聲垂直陣響應(yīng)凹槽外側(cè)部分)的形狀影響顯著,主要原因在于:不同號(hào)簡(jiǎn)正波對(duì)等效海底反射損失大掠射角部分作用不同.與高號(hào)簡(jiǎn)正波對(duì)應(yīng)的大掠射角聲線與海底碰撞時(shí),海底反射損失較大,使海面、海底方向傳來(lái)的聲線能量差異明顯,所以高號(hào)簡(jiǎn)正波可“抬高”等效海底反射損失.那么,隨著噪聲源深度在一定范圍內(nèi)增大,激發(fā)的低號(hào)簡(jiǎn)正波能量持續(xù)增強(qiáng),而高號(hào)簡(jiǎn)正波較早出現(xiàn)衰減,從而導(dǎo)致等效海底反射損失變小.

2)海底聲速、密度和聲源深度共同決定等效海底反射損失大掠射角部分,地聲參數(shù)反演中需將聲源深度考慮在內(nèi).

圖15 實(shí)測(cè)結(jié)果與反演最優(yōu)值計(jì)算結(jié)果比較(數(shù)據(jù)2)Fig.15.The experimental results compared to the predicted results evaluated at inverted value(data 2).

3)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果表明,利用環(huán)境噪聲反演的地聲參數(shù)與聲傳播的反演結(jié)果相差較小,且與經(jīng)驗(yàn)值相符;隨著頻率增加,源平均深度反演最優(yōu)值有變小的趨勢(shì),表明環(huán)境噪聲主要貢獻(xiàn)源逐漸由航船轉(zhuǎn)為風(fēng)浪,這符合Wenz曲線對(duì)噪聲源特征的描述;當(dāng)風(fēng)速大于5.4m/s時(shí),風(fēng)關(guān)噪聲源(＞400 Hz)集中于海面下很小的范圍內(nèi),而風(fēng)速較小時(shí),風(fēng)關(guān)噪聲源(＞400 Hz)深度分布較分散,這與Monahan氣泡理論相符合.

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PACS:43.30.Nb,43.30.PcDOI:10.7498/aps.66.014306

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11174314),and the Open-end Funds of the Key Laboratory of 715th Research Institute China Shipbuilding Industry Corporation(Grant No.KF201502).

?Corresponding author.E-mail:linjh@mail.ioa.ac.cn

Ocean ambient noise model considering depth distribution of source and geo-acoustic inversion?

Jiang Peng-Fei1)Lin Jian-Heng1)2)?Sun Jun-Ping1)Yi Xue-Juan1)

1)(Qingdao Branch,Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266023,China)2)(Key Laboratory of Underwater Acoustic Environment,Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)(Received 13 July 2016;revised manuscript received 11 October 2016)

An ocean ambient noise model is established considering source depth distribution.The model is used to analyze the e ff ect of source depth on the vertical characteristics of ambient noise fi eld.The analyses are explained and validated by normal mode theory.The energy of normal mode excited changes with source depth.E ff ects of di ff erent order normal modes are di ff erent.The high order modes raise up the equivalent seabed re fl ection loss,whereas the low order modes depress it.It is found that the seabed sound speed,density and source depth all have signi fi cant in fl uences on equivalent seabed re fl ection loss at large grazing angles.So the source depth should be taken into account and the model is used in geo-acoustic inversion.Two sets of experimental data in a bandwidth of 200—525 Hz are used to obtain geo-acoustic parameters.The results show that the geo-acoustic parameters inverted from ocean ambient noise and from sound propagation data are similar.The mean value of inverted source depth tends to be smaller as frequency increases,which demonstrates that wind waves become dominant over ship noise.The average of inverted source depth values in the band(＞400 Hz)is very small when sea state is higher than grade 3,which is consistent with the result from the Monahan’s bubble theory.

ambient noise source,depth distribution,geo-acoustics inversion

10.7498/aps.66.014306

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):11174314)和中船重工715所重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(合同號(hào):KF201502)資助的課題.

?通信作者.E-mail:linjh@mail.ioa.ac.cn