深海矢量噪聲場聲傳播特性研究

杜敬林，馬忠成，李 然，張 波

（大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連116013）

深海矢量噪聲場聲傳播特性研究

杜敬林，馬忠成，李 然，張 波

（大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連116013）

矢量聲壓振速聯(lián)合處理是建立在信號的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速相位基礎(chǔ)上，海洋環(huán)境邊界對聲傳播的影響將改變矢量聲場聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的幅度和相位特性。文章根據(jù)南海環(huán)境條件和水下目標(biāo)輻射噪聲測量采用矢量簡正波理論估算海面非相干偶極子噪聲源和水下點(diǎn)聲源矢量場的幅度和相位隨深度的變化，并對矢量水聽器測量系統(tǒng)獲取的南海典型深度上的背景噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：深海背景噪聲聲壓譜級在500 Hz以下基本上不隨深度變化，在500 Hz-3 kHz頻段淺深度背景噪聲聲壓譜級略高于較深深度的背景噪聲聲壓譜級；背景噪聲的垂直質(zhì)點(diǎn)振速譜級要小于聲壓和水平質(zhì)點(diǎn)振速譜級。

矢量水聽器；背景噪聲；輻射噪聲；南海

0 引 言

海洋環(huán)境噪聲是水聲信道中的干擾背景場。矢量水聽器可以同時、共點(diǎn)獲取聲場的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速信號。隨著矢量水聽器和矢量信號處理的發(fā)展，矢量水聽器已廣泛應(yīng)用于艦船噪聲測量、噪聲源分離、水下目標(biāo)特征提取與識別、水聲警戒、遠(yuǎn)程探測、水雷聲引信、魚雷探測、水下目標(biāo)定位與導(dǎo)航、分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)和聲強(qiáng)、聲功率測量、浮標(biāo)/潛標(biāo)等領(lǐng)域。在20世紀(jì)70年代末80年代初，前蘇聯(lián)遠(yuǎn)東科學(xué)研究院設(shè)計(jì)和研制了固定式和自由漂浮式矢量水聽器測試系統(tǒng)對不同海域的海洋背景噪聲進(jìn)行了測試和分析，并用于低噪聲潛艇測量和分析[1-2]。

聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速聯(lián)合處理是建立在聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速信號是完全相干、相位一致的基礎(chǔ)上[3]。理論上，將聲壓振速復(fù)合傳感器的聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速相位差在自由場條件下進(jìn)行測量，在測試應(yīng)用時進(jìn)行相位差修正，即可保證聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速信號是同相位的。然而，實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)條件下都難以滿足自由場聲學(xué)條件。在受海面海底邊界影響的海洋波導(dǎo)環(huán)境中，聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的相位差將隨著頻率、深度和距離的變化而變化。本文結(jié)合南海海洋環(huán)境噪聲和艦船輻射噪聲測量，采用矢量場簡正波理論對海面噪聲場和目標(biāo)信號場的聲壓、水平質(zhì)點(diǎn)振速和垂直質(zhì)點(diǎn)振速的強(qiáng)度以及聲壓與水平質(zhì)點(diǎn)振速、垂直質(zhì)點(diǎn)振速的相位差進(jìn)行了分析，并對船載式矢量測量系統(tǒng)南海條件下獲取的典型深度的背景噪聲特性進(jìn)行了分析，為基于矢量水聽器的水下目標(biāo)輻射噪聲測試技術(shù)和分析方法提供理論基礎(chǔ)。

1 矢量簡正波理論

聲場為簡正波和側(cè)面波之和，在遠(yuǎn)處可以僅考慮簡正波[4]。

根據(jù)簡正波理論和矢量聲場理論可知，位于深度zs處的簡諧點(diǎn)源在空間某一位置r,（）z處激發(fā)的矢量聲場可以表示為[5-6]：

其中：vn=κn+iβn為簡正波的復(fù)本征值，κn為第n號簡正波波數(shù)水平分量，即本征值的實(shí)部；βn為簡正波的指數(shù)衰減因子，即本征值的虛部；ψn（）z為簡正波的本征函數(shù)。

在對海底聲學(xué)特性缺乏充分認(rèn)識的條件下，采用相干傳播損失描述聲場結(jié)構(gòu)沒有太大的物理意義[7]。本文采用非相干傳播損失描述聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的矢量聲場，根據(jù)傳播損失的定義，聲壓、水平質(zhì)點(diǎn)振速和垂直質(zhì)點(diǎn)振速的非相干傳播損失可以表示為：

聲壓與水平質(zhì)點(diǎn)振速和垂直質(zhì)點(diǎn)振速之間的相位差可以表示為：

（9）式中的第一項(xiàng)是實(shí)數(shù)，是各階簡正波自身的水平聲強(qiáng)流，是有功分量；第二項(xiàng)是復(fù)數(shù)，是不同階簡正波之間的相互干涉，包含了有功分量和無功分量；（10）式中的第一項(xiàng)是虛數(shù)，是各階簡正波自身的垂直聲強(qiáng)流，是無功分量；第二項(xiàng)是復(fù)數(shù)，是不同階簡正波之間的相互干涉，包含了有功分量和無功分量。

深度z′的海面非相干偶極子cosθ噪聲源聲壓、水平質(zhì)點(diǎn)振速和垂直質(zhì)點(diǎn)振速強(qiáng)度的簡正波模式可以表示為[6，8-9]：

海面附近，聲源強(qiáng)度q取為：

其中：Q是與聲源功率特性有關(guān)的量。

2 矢量聲場數(shù)值計(jì)算

為了便于計(jì)算和分析，假定海水聲速分布水平方向是均勻的，只考慮垂直方向的聲速分布（聲速垂直分布如圖1（a）所示），海底為半無限空間，且在分析的距離上（2 km以內(nèi)）認(rèn)為海底是平整的。海底密度為1.8 g/cm3，聲速1 600 m/s，傳播衰減0.3 dB/λ，并假定海面噪聲為非相干偶極子噪聲源，在計(jì)算的頻點(diǎn)上噪聲源功率是相同的，作為點(diǎn)聲源的目標(biāo)在各頻點(diǎn)的聲源級也是相同的。

2.1 海面噪聲和點(diǎn)聲源的聲壓與振速分布

圖 1（b）和（c）分別是根據(jù)（1）、（2）、（3）式和（11）、（12）、（13）式計(jì)算的點(diǎn)聲源目標(biāo)（位于海面）和海面偶極子噪聲源典型頻點(diǎn)的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速強(qiáng)度的垂直分布。

圖1 聲速垂直剖面及點(diǎn)聲源和海面噪聲的聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速強(qiáng)度隨深度的變化Fig.1 Vertical profile of sound velocity and acoustic pressure and particle velocity intensity with depth for point source and surface-generated noise

由圖可知：海面點(diǎn)聲源目標(biāo)與海面偶極子噪聲源具有相類似的垂直分布特性，即：海面偶極子噪聲源和海面點(diǎn)聲源的聲壓和水平質(zhì)點(diǎn)振速強(qiáng)度相當(dāng)，而垂直質(zhì)點(diǎn)振速強(qiáng)度比聲壓和水平質(zhì)點(diǎn)振速強(qiáng)度要小。這與文獻(xiàn)[3]計(jì)算點(diǎn)聲源目標(biāo)的垂直質(zhì)點(diǎn)振速比聲壓和水平質(zhì)點(diǎn)振速的傳播損失大的結(jié)果是一致的。

為此，引入水平質(zhì)點(diǎn)振速與垂直質(zhì)點(diǎn)振速強(qiáng)度差表述海面偶極子噪聲源和海面點(diǎn)聲源矢量場特性。 由（1）、（2）、（3）式和（11）、（12）、（13）式和非相干傳播損失的定義可得，海面偶極子噪聲源和點(diǎn)聲源目標(biāo)的水平質(zhì)點(diǎn)振速與垂直質(zhì)點(diǎn)振速的強(qiáng)度差分別為：

圖2 海面噪聲和點(diǎn)聲源位于水下10 m與300 m時水平與垂直質(zhì)點(diǎn)振速強(qiáng)度差隨深度的變化Fig.2 Intensity difference between horizontal and vertical particle velocity with depth for surface-generated noise and point source at a depth of 10 m or 300 m

依據(jù)（15）式和（16）式，圖 2（a）、（b）和（c）給出了海面噪聲和聲源位于水下 10 m、300 m 時水平質(zhì)點(diǎn)振速與垂直質(zhì)點(diǎn)振速強(qiáng)度差隨深度的變化。由圖2可知：

（1）海面偶極子噪聲源和點(diǎn)聲源的水平質(zhì)點(diǎn)振速與垂直質(zhì)點(diǎn)振速強(qiáng)度差基本上是相同的，水平質(zhì)點(diǎn)振速強(qiáng)度比垂直質(zhì)點(diǎn)振速強(qiáng)度要大10-15 dB左右。

（2）相比海面偶極子噪聲源，點(diǎn)聲源的水平質(zhì)點(diǎn)振速與垂直質(zhì)點(diǎn)振速強(qiáng)度差隨著深度起伏較大，且與聲源的深度有關(guān)；在海面海底處，無論是非相干偶極子噪聲源還是點(diǎn)聲源，其水平質(zhì)點(diǎn)振速與垂直質(zhì)點(diǎn)振速的強(qiáng)度差起伏比較劇烈，主要是因?yàn)楹Ｃ婧５茁晫W(xué)邊界的不連續(xù)性引起的。

2.2 聲源典型深度下的聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速相位差特性

圖3和圖4分別給出了點(diǎn)聲源位于水下150 m，聲壓與水平質(zhì)點(diǎn)振速和垂直質(zhì)點(diǎn)振速相位差隨頻率和距離的變化（接收深度100 m）以及聲壓與水平質(zhì)點(diǎn)振速和垂直質(zhì)點(diǎn)振速相位差隨頻率和深度的變化（水平距離50 m）。

由聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速相位差隨頻率、距離和深度的變化計(jì)算結(jié)果可知：

（1）聲壓與水平質(zhì)點(diǎn)振速之間的相位差接近于0°。這主要是由于簡正波之間的相互干涉，水平聲強(qiáng)流的無功分量遠(yuǎn)小于有功分量。

（2）聲壓與垂直質(zhì)點(diǎn)振速之間的相位差隨著頻率、距離和深度的變化而變化。當(dāng)聲源和接收器深度一定時，聲壓與垂直質(zhì)點(diǎn)振速之間的相位差在一定的頻率間隔內(nèi)和一定的水平距離范圍內(nèi)呈現(xiàn)周期性的變化；當(dāng)聲源深度和接收器距離一定時，聲壓與垂直質(zhì)點(diǎn)振速之間的相位差隨著頻率和深度呈現(xiàn)-90°至 90°的交替變化。

圖3 聲源位于水下150 m時聲壓與水平和垂直質(zhì)點(diǎn)振速相位差隨頻率和距離的變化Fig.3 Phase difference between acoustic pressure and horizontal or vertical particle velocity with frequency and horizontal range for source at a depth of 100 m

圖4聲源位于水下150 m時聲壓與水平和垂直質(zhì)點(diǎn)振速相位差隨深度和頻率的變化Fig.4 Phase difference between acoustic pressure and horizontal or vertical particle velocity with frequency and depth for source at a depth of 150 m

圖5 給出了頻率為50 Hz的聲源位于水下150 m時聲壓與水平質(zhì)點(diǎn)振速和垂直質(zhì)點(diǎn)振速之間的相位差隨距離和深度的變化。圖6和圖7分別是頻率為50 Hz和500 Hz的聲源位于水下150 m時聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速的相位差隨距離（接收深度100 m）和深度（水平接收距離50 m）的變化。

由圖5、圖6和圖7可知：

圖5 50 Hz聲源位于水下150 m時聲壓與水平振速和垂直質(zhì)點(diǎn)振速之間的相位差隨距離和深度的變化Fig.5 Phase difference between acoustic pressure and horizontal or vertical particle velocity with depth and horizontal range for source of 50 Hz at a depth of 150 m

圖7 500 Hz聲源位于水下150 m時聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速相位差隨距離和深度的變化Fig.7 Phase difference between acoustic pressure and particle velocity with horizontal range or depth for source of 500 Hz at a depth of 150 m

（1）當(dāng)海深一定時，聲源頻率越高，激發(fā)的簡正波模態(tài)越多，聲壓與垂直質(zhì)點(diǎn)振速之間的相位差隨著深度的變化越劇烈；聲源頻率越低，激發(fā)的簡正波模態(tài)越少，深度間隔就越長。從聲能流觀點(diǎn)來講，垂直聲能流的符號將隨著深度呈現(xiàn)正負(fù)交替變化，當(dāng)頻率低至海洋波導(dǎo)中只存在兩階簡正波時，聲壓與垂直質(zhì)點(diǎn)振速之間的相位差在深度方向上的變化將不大于兩個周期，這正是文獻(xiàn)[10]利用聲能流的符號去判定水下聲源深度或水上水下目標(biāo)識別的理論基礎(chǔ)。

（2）當(dāng)接收器深度增加至一定深度時，聲壓和垂直質(zhì)點(diǎn)振速之間的相位差將趨近于0°，即聲壓與垂直質(zhì)點(diǎn)振速趨近于同相位。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 船載式矢量水聽器測量系統(tǒng)

船載式矢量水聽器測量系統(tǒng)由測試載體、中繼裝置和試驗(yàn)室控制處理網(wǎng)絡(luò)組成。如圖8所示。接收聲設(shè)備包括矢量水聽器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器，矢量水聽器采用同振式四分量加速度型矢量水聽器，直徑21 cm，水中接近于中性浮力，工作頻段20 Hz-1 kHz；標(biāo)準(zhǔn)水聽器工作頻段20 Hz-50 kHz。水聽器接收信號經(jīng)中繼裝置中的水下電子艙模數(shù)轉(zhuǎn)換后由金屬鎧裝纜傳輸至測量船遠(yuǎn)程采集控制單元。

圖8 船載式矢量水聽器測量系統(tǒng)組成Fig.8 Constituent of shipborne vector-sensor measuring system

為減小流噪聲和低頻振動對矢量水聽器測量系統(tǒng)的影響，矢量水聽器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器采用彈性懸掛裝置安裝于測試載體內(nèi)部。為了減小海面風(fēng)浪以及測量船的起伏對矢量水聽器測量系統(tǒng)的影響，整個濕端設(shè)備在水下呈中性浮力，分別在測試載體和中繼裝置之間的電纜以及中繼裝置和水面之間的金屬鎧裝纜采取減振隔振機(jī)構(gòu)和阻尼機(jī)構(gòu)。

3.2 海洋背景噪聲測試

利用船載式矢量水聽器測量系統(tǒng)在南海（北緯17°20′，東經(jīng)120°22′）進(jìn)行了2個航次的海洋背景噪聲測量。

測試海區(qū)等溫層厚度在50 m左右，聲速垂直分布如圖1（a）所示，海面波浪波長在100 m左右。測試時，中繼裝置和測試載體遠(yuǎn)離測量船300 m以上，測試載體遠(yuǎn)離中繼裝置15m，南海背景噪聲測試布放狀態(tài)如圖9（a）所示，測試過程中試驗(yàn)船（試驗(yàn)船為雙體船）關(guān)閉輔機(jī)，整個系統(tǒng)采用UPS電源供電，海面無行船干擾。圖9（b）是利用安裝在中繼裝置上的水下攝像機(jī)監(jiān)視的測試載體的水下狀態(tài)。

圖9南海背景噪聲測量方法和水下狀態(tài)Fig.9 Measuring method and underwater state of ambient noise in South China Sea

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖10 是測試傳感器在不同深度下測量的海洋背景噪聲聲壓譜級。其中：30 m和150 m深度上的背景噪聲譜級是水下中繼裝置在水平方向上遠(yuǎn)離測量船船尾300 m左右的測量結(jié)果，250 m和300 m深度上的背景噪聲聲壓譜級是水下中繼裝置在水平方向上遠(yuǎn)離測量船船尾30 m左右的測量結(jié)果。測試時的環(huán)境參數(shù)如表1所示。圖11是不同深度下矢量水聽器接收到的海洋背景噪聲聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速譜級。由圖可知：

（1） 海洋背景噪聲聲壓譜級隨深度沒有顯著變化。250 m和300 m深度下的背景噪聲聲壓譜級具有較高的相似性，且在60 Hz以上頻段，背景噪聲的水平質(zhì)點(diǎn)振速譜級和垂直質(zhì)點(diǎn)振速譜級相當(dāng)，即當(dāng)達(dá)到一定深度時，背景噪聲在水平方向上是趨于各向同性的。在100 Hz-3 kHz頻段，30 m深度上的背景噪聲聲壓譜級比150 m深度的背景噪聲聲壓譜級要高2-5 dB左右。一方面是因?yàn)轱L(fēng)成噪聲（主要集中在500 Hz-3 kHz頻段）隨著深度增加而減??；另一方面當(dāng)測量載體布放于30m，該深度小于涌浪半波長，受海面波浪影響比較嚴(yán)重，測試系統(tǒng)的外部干擾有所增加。因此，淺深度不利于水下目標(biāo)輻射噪聲測量。在實(shí)際測試時，水下傳感器布放深度應(yīng)大于波浪半波長，以避開海面波浪或涌浪的影響。

（2）在100 Hz以上頻段，海洋背景噪聲的垂直質(zhì)點(diǎn)振速譜級比水平質(zhì)點(diǎn)振速譜級和聲壓譜級平均要低2-4 dB；在250 m和300 m深度上，60 Hz以下頻段，背景噪聲的垂直質(zhì)點(diǎn)振速譜級與水平質(zhì)點(diǎn)振速譜級無明顯差別。這主要是因?yàn)樵诘皖l段主要是遠(yuǎn)處行船的輻射噪聲，而在中高頻段更接近于均勻分布的海面噪聲源分布模型，但并非簡單的非相干偶極子噪聲源模型。因此，不同深度下背景噪聲測量結(jié)果與海面噪聲場理論計(jì)算結(jié)果基本上是一致的。

圖10 南海不同深度海洋背景噪聲聲壓譜級Fig.10 Acoustic pressure spectrum level of ambient noise for different depth in South China Sea

表1 背景噪聲測試時的環(huán)境參數(shù)Tab.1 Environment parameters of ambient noise measuring

圖11 南海不同深度海洋背景噪聲聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速譜級Fig.11 Acoustic pressure and particle velocity spectrum level of ambient noise for different depth in South China Sea

4 結(jié) 語

本文采用簡正波理論對海面非相干偶極子噪聲源和水下點(diǎn)聲源的聲壓、質(zhì)點(diǎn)振速強(qiáng)度在深度上的傳播特性以及水下點(diǎn)聲源的聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速的相位差隨深度的變化進(jìn)行了理論估算，并利用船載式矢量水聽器測量系統(tǒng)對南海不同深度下的海洋背景噪聲進(jìn)行了測量，獲取了南海典型深度下矢量噪聲場聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速譜級，得到了以下初步結(jié)論：

（1）對點(diǎn)源來說，聲壓與水平質(zhì)點(diǎn)振速之間的相位差基本不變，而聲壓與垂直質(zhì)點(diǎn)振速之間的相位差隨著深度、距離和頻率的變化而變化。

（2）海洋環(huán)境背景噪聲聲壓譜級隨深度沒有顯著變化；在100 Hz-3 kHz頻段淺深度（涌浪半波長內(nèi)）背景噪聲聲壓譜級比較深深度的背景噪聲聲壓譜級高2-5 dB。

（3）背景噪聲的垂直質(zhì)點(diǎn)振速譜級比聲壓和水平質(zhì)點(diǎn)振速譜級要小；當(dāng)測試深度達(dá)到一定深度時，背景噪聲在水平方向上是趨于各向同性的。

海洋環(huán)境背景噪聲是一個時變、空變的隨機(jī)過程，受風(fēng)、浪尤其是涌浪的影響，深海條件下基于矢量水聽器的背景噪聲獲取與分析比淺海（波浪波長相對較短）測試更為復(fù)雜。因此，為深入了解深海條件下海洋環(huán)境背景噪聲的矢量特性還需要獲取大量的測試數(shù)據(jù)作支撐。

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Research on the propagation characteristics of vector noise field in deep sea

DU Jing-lin,MA Zhong-cheng,LI Ran,ZHANG Bo
(Dalian Scientific Test and Control Technology Institute,Dalian 116013,China)

The signal processing using combined acoustic pressure and particle velocity components is based on the phase between acoustic pressure and particle velocity,but the environmental boundary effect on sound propagation will change amplitude and phase characteristics of acoustic pressure and particle velocity in acoustic vector fields.In this paper,the amplitude and phase with depth in acoustic vector fields about surface-generated incoherent dipole noise and underwater point source are estimated based on vector normal mode theory according to the environmental conditions and underwater target radiated noise measurement in South China Sea.And,it is analyzed that ambient noise data of typical depth

by the acoustic vector-sensor measuring system in South China Sea.The results show that the acoustic pressure spectrum level of ambient noise below 500 Hz basically does not change with depth,the acoustic pressure spectrum level of ambient noise from 500 Hz to 3 kHz at a shallow depth is higher than a deeper depth,and the vertical particle velocity spectrum level of ambient noise is less than the acoustic pressure and horizontal particle velocity spectrum level in deep ocean.

vector-sensor;ambient noise;radiated noise;South China Sea

O427.2

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.10.014

1007-7294（2017）10-1299-10

2017-07-04

國防基礎(chǔ)科學(xué)研究基金資助（41303080205）

杜敬林（1979-），男，碩士研究生，高級工程師，E-mail:dujinglin521@sohu.com；

馬忠成（1966-），男，研究員。