基于矢量水聽器的淺海背景噪聲分析方法研究

劉 洋，李 然，杜敬林

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

由于海洋環(huán)境的特殊性和復雜性，即使同一個海域，在不同的海況、季節(jié)、水文條件下，其海洋背景噪聲場特性也存在巨大差異. 開展背景噪聲噪聲場矢量特征觀測并基于測試數據進行統(tǒng)計分析是深入認識淺海環(huán)境特性的重要環(huán)節(jié). 本文從淺海背景噪聲理論出發(fā)，對背景噪聲矢量特征進行理論建模，進一步結合試驗觀測數據進行了統(tǒng)計分析.

1 淺海背景噪聲基礎理論

按照發(fā)聲機理可將海洋環(huán)境噪聲分為4類：海洋動力噪聲、海洋生物噪聲、海洋中的人為噪聲和海洋熱噪聲[1]. 引起海洋噪聲的各種噪聲源對海洋背景噪聲的貢獻差異主要體現在頻率特性上，Wenz曲線將譜級曲線分為3段：海洋湍流、遠處行船和風引起的海面擾動. 一般認為風生海洋環(huán)境噪聲和行船噪聲是海洋環(huán)境噪聲的重要組成[2]，其能量分布在10 Hz～20 kHz頻段. 遠處航船噪聲主要作用在10 Hz～1 kHz較低頻段，而風生噪聲則在數百赫茲～20 kHz頻段，其中風關海面噪聲起主要作用，其他噪聲源如雨噪聲的主要作用頻段在幾千赫茲至幾十千赫茲. 可見行船噪聲、風生噪聲和降雨等間歇源對海洋背景噪聲的貢獻同時作用在幾百赫茲～10 kHz的頻段內，依具體海域噪聲源強度分布以及聲場傳播的不同，它們在不同頻率處于相互競爭的關系.

在一定的條件下，海洋背景噪聲與海面風速具有高度相關的特點，Knudsen使用風生噪聲模型對100 Hz以上海洋環(huán)境噪聲作了分析，給出了以海況或風速作為參數的Knudson譜. 海洋背景噪聲在數百赫茲到20 kHz的頻段，譜曲線以約-17 dB/10倍頻程的規(guī)律下降，并發(fā)現了在一定條件下不同頻率處譜級和風速的對數都成線性關系，但線性程度有所差異. 可以認為風速和頻率對噪聲聲壓譜的影響是兩種過程，海洋環(huán)境風生噪聲聲壓譜P是風速υ和頻率f的函數，大致上某一風速下風生海洋環(huán)境噪聲譜級和風速的譜級-頻率對數的關系以及某一頻率下譜級-風速關系[3]，即P(υ,f)具有如下關系

P(υ,f)=υgfq.(1)

風生噪聲譜級可表示為

SPL1(υ,f)=Glg(υ)+Qlg(f),(2)

式中：G=20lg(g),Q=20lg(q).

海洋背景噪聲聲壓譜級SPL(f)則可以表示為

(3)

式中：SPL0為其它形式噪聲源的貢獻.

大量的實測海洋環(huán)境噪聲譜級數據分析表明：對于某一海域某風速下頻率為1 kHz以上的風關海洋環(huán)境噪聲譜級-對數頻率之間關系式，其譜級下降的斜率bf在風速變化時基本保持不變，即

(4)

著名的Knudsen 譜曲線和Wenz 譜曲線，以及國內實測結果均證實了這一點.

文獻[4]給出了我國黃海、東海淺海域風關海洋環(huán)境噪聲的譜級和海面風速的關系，如圖 1 所示. 圖 1 中每條曲線都是多次觀測結果的平均值，其譜斜率約為-17 dB/10 oct或-6 dB/oct左右.

根據該關系，國內外學者提出了噪聲譜級與風速對數的回歸半經驗公式，其合理性經過了許多實驗的證明. 一般達到均衡海面狀況和穩(wěn)態(tài)過程中，線性回歸是定量描述噪聲特征的一種較好的方法. 但在實際海洋中引起海洋參數機理的多樣性以及地域特殊性決定了特定頻段海洋風生以及行船關系的復雜性. 首先，隨著航運業(yè)和航船噪聲的發(fā)展，人為海洋環(huán)境噪聲源強度的統(tǒng)計平均值明顯上升，不同頻段以及不同強度風力和譜級的關系具有重要差異； 其次，影響深海環(huán)境噪聲的因素相對淺海陸架簡單，近岸的風場結構比開闊海域復雜； 再有，噪聲場時變性會受噪聲源時變空變性的影響，因此風生噪聲并非在所有情況下占優(yōu)勢. 國內學者提出了考慮行船與V字形的風速模型[5]，將航船活動以及其受風速制約的作用同總噪聲級聯系了起來.

圖 1 黃海淺海海域和東海某海域風關海洋環(huán)境噪聲譜級Fig.1 The noise spectrum level of the ocean environment about wind in the Yellow Sea shallow sea and a sea area in the East China Sea

NL2=B(f)+20n(f)lgV,(6)

式中:NL1為航船噪聲級；NL2為風生噪聲級；Vk為轉移風速；AfBf為常數；n為風生噪聲回歸系數；m為航船噪聲回歸系數.

2 基于矢量水聽器的淺海背景噪聲分析方法

針對淺海背景噪聲觀測、分析的需求[6，7]，設計了座底式矢量接收系統(tǒng)，分頻段使用4分量低頻和3分量高頻矢量傳感器獲取20～10 000 Hz的海洋背景噪聲數據. 其中4分量傳感器Vz(t)方向朝向海底，3分量傳感器Vz(t)方向朝向海底，其余方向由羅經及現場方位校準獲得.

2.1 典型聲壓與振速頻譜分析

使用功率譜估計的方法[8]給出各自傳感器的聲壓及振速正交分量的自譜估計，得到海洋背景噪聲聲壓譜級Sp2(f)和振速譜級SVx2(f),SVy2,SVz2(f)，以評價海洋背景噪聲場在不同方位的強度以及聲場的各向異性. 圖 2 給出了典型的 20 Hz～10 kHz海洋環(huán)境噪聲聲壓與振速1/3 Oct譜級，譜級量值以某一參考級給出.

圖 2 典型20 Hz～10 kHz海洋環(huán)境噪聲聲壓與振速1/3 Oct譜級Fig.2 Typical 20 Hz～10 kHz ocean ambient noise pressure and vibration velocity 1/3Oct spectrum level

2.2 聲壓與振速比值譜分析

根據海面噪聲模型可以推導出理論上聲壓和振速間的比值為

式中：n為待定系數，n通常取0.9～1.1，對應的聲壓與水平振速和垂直振速比值在對數運算后為5～6 dB和2～3 dB，而實際水體的值與噪聲源的各向異性和具體的傳播條件有關，需要試驗測定.

就海洋噪聲的來源考慮，風生噪聲來自于波動表面，對于淺海有效作用的波動表面為5倍水深，因此風生噪聲的主要來源方向應是垂直方向，當接收系統(tǒng)附近沒有行船干擾時，Vz通道就體現了波動表面的真實信息，而遠處行船噪聲的方向多數來源于水平方向. 這樣垂直方向聲壓、振速比值實際上體現了行船噪聲與風生噪聲之間的關系. 在行船噪聲與風生噪聲相競爭的頻段內，很難從頻率上區(qū)分風生噪聲與行船噪聲，這樣，利用聲壓、振速垂直、水平各項異性的差異來區(qū)分風生噪聲和行船噪聲就顯得較為有意義.

另一方面，經過同季節(jié)多組數據的對比，聲壓與水平振速的比值相對比較穩(wěn)定，約為

而聲壓與振速的垂直分量比值隨季節(jié)變化相對劇烈，圖 3 統(tǒng)計了典型的聲壓與振速垂直分量比值在不同季節(jié)、水文環(huán)境的結果.

圖 3 不同季節(jié)典型聲壓與振速垂直分量比值統(tǒng)計Fig.3 Typical ratio of sound pressure to vertical component of vibration velocity in different seasons

結果顯示，聲壓與振速垂直分量的比值隨頻率變化的起伏在3～5 dB之內，相對較為穩(wěn)定，但隨季節(jié)起伏較大，不同季節(jié)從1～24 dB不等，也就是說聲壓譜級一定的情況下，振速的起伏與季節(jié)有很大關系，其最小值都出現在夏季禁漁期的6～7月份，值在1～7.5 dB之間，非禁漁期達到10～24 dB不等，而冬季行船較為稀少的2月也達到了10～15 dB.

根據良好水文淺海聲傳播計算結果，振速垂直分量Vz低于水平分量Vx和Vy約10 dB，這與冬季的測試結果相符. 夏季振速Vz有所提升，一方面行船的減少使得聲壓譜級下降，另一方面負梯度和負躍層水文環(huán)境下，下層的溫度低于上層，使得聲場垂直分量的比重增加，即負躍層和負梯度下聲場垂直方向性極大值更多地偏向垂直方向.

3 淺海背景噪聲與海洋環(huán)境參數的關系及統(tǒng)計模型

3.1 綜合考慮行船風生噪聲的海洋環(huán)境噪聲統(tǒng)計模型

風生噪聲是海洋背景噪聲的重要來源，海洋環(huán)境噪聲譜級與風速依賴關系的經典模型是Piggott提出的噪聲譜級NL依賴于風速V對數的線性關系[9]，可以寫成

NL=A(f)+20n(f)lgV,(10)

式中：A(f)為常數；n(f)為回歸斜率.

該關系在許多深海地區(qū)得到了廣泛的驗證，一般說來影響深海環(huán)境噪聲的因素相對于淺海大陸架來說相對簡單，因此用高頻段噪聲譜和風速的依賴關系來觀測和預報風速達到了相當高的水平. 然而在淺海區(qū)，風速并非在所有場合都是占絕對主導作用的因素，例如行船噪聲會在特定頻帶和風生噪聲形成競爭關系. 此外由于近岸的緣故，風場的結構情況較開闊海面復雜，加之噪聲場的時變性(季節(jié)、周、日變化)會受到噪聲源特性、空間分布以及水聲信道特性的影響，必須綜合考慮不同噪聲源的時間、空間變化規(guī)律.

因此，綜合考慮行船噪聲NL1與風生噪聲NL2的影響，建立模型

NL1=A(f)-20mlg(V),(11)

NL2=B(f)+20n(f)lg(V),(12)

式中：A(f),B(f)為常數；n(f),m(f)為回歸斜率；NL1是來自遠處海面航船的貢獻，與航道分布，在航船只數有關；A(f)代表了試驗海區(qū)穩(wěn)定的行船噪聲級，而實際上航船噪聲也受風速的制約，在觀測中普遍發(fā)現風力增強到一定程度時出港的船只數會明顯減少，因此會出現測量的噪聲級反而比風力較低時更低的情形，在模型中用-20mlg(V)來描述. 因此，在特定的季節(jié)(航運、水文)條件下，風速達到一定的臨界風速，NL1比NL2小時，風速將起到主導作用，臨界風速和頻率及不同季節(jié)的航運量有關. 對航運的調查需要耗費大量的資源，這里主要考察在臨界風速以上海洋環(huán)境噪聲隨風速的變化情況.

3.2 環(huán)境噪聲時變性與噪聲成分分析

選擇4月非禁漁期航運密度較大且風力變化較為豐富的時間，對海洋環(huán)境噪聲及風速進行了連續(xù)觀測，圖 4 給出了座底式測量系統(tǒng)觀測的日變化曲線. 觀測數據從4月8日20：00到4月9日21:00，根據風力和行船規(guī)律將日變化分為兩個階段：

圖 4 海洋環(huán)境噪聲譜級與風速連續(xù)變化圖Fig.4 Marine environmental noise spectrum level and continuous change of wind speed

第一階段，4月7日20:00開始風力從10 kN開始增加，并在夜間00:00達到最大值20 kN，然后緩慢下降，到4月9日9:00下降到3 kN左右. 此階段背景噪聲譜級從500 Hz～5 kHz起伏較小(在5 dB以下)，并且日變化趨勢與風速趨勢相同. 在21:00～次日6:00風速較高時段海面風浪很大，小型漁船、商船很少出動，從水聽器監(jiān)聽得到的結果顯示，此時航運聲音很小. 以上分析表明，這一階段風生噪聲起到了主要作用.

第二階段，當4月9日7:00之后航運開始豐富，此時雖然風速較低，但噪聲譜級持續(xù)增加，并且從500～5 000 Hz各頻點的譜級均有較大的時變起伏，達到10～20 dB，不同頻點譜級起伏的變化趨勢和形狀表現出很明顯的周期相似特性，此周期性與風速監(jiān)視無關，這是航船噪聲具有的特點，監(jiān)聽及基于AIS的行船調查結果也表明航運量的增加. 以上分析表明，這段時期航船噪聲是主要來源.

分析表明：500 Hz～5 kHz之間，在航運豐富的時段，風速在10 kN以下，譜級有較大的起伏，這時航運占主導因素； 當風速大于10 kN時，航運減小，譜級起伏減小，風生噪聲是主導因素. 清晰地體現出風速變化條件下，風生噪聲與航船噪聲二者貢獻間的競爭關系. 圖 5 為當日矢量方向性的估計結果，方向性的監(jiān)視表明：第一階段趨于各向同性，第二階段行船噪聲的各向異性程度較強，主極大方向對應于航道位置.

圖 5 1 kHz海洋環(huán)境噪聲方向性時變圖Fig.5 1 kHz marine environmental noise directional time-varying graph

3.3 噪聲譜級與風速的依賴關系

圖 6 給出了不同風速及航運密度下的海洋環(huán)境噪聲頻譜，可見在10 kN風速以上環(huán)境噪聲與風速形成正相關規(guī)律，而風速在10 kN以下，海洋環(huán)境噪聲與風速出現了相反的變化規(guī)律，8 kN風速時的行船噪聲譜級在500 Hz～10 kHz范圍內與20 kN的風生噪聲相當，而3 kN風速時的行船噪聲高于20 kN風速時的風生噪聲.

圖 6 不同風速及航運密度下的海洋環(huán)境噪聲頻譜Fig.6 Marine environmental noise spectrum under different wind speed and shipping density

對風速及噪聲數據進行細致同步與平均處理[10]，圖 7 給出了典型頻點風速與噪聲譜級的對應情況，選擇風生噪聲起主導作用的中等以上的風速，針對風生噪聲回歸模型為

NL2=B(f)+20n(f)lgV.(10)

使用最小二乘法對風生噪聲進行擬合分析，推導出風生噪聲的回歸系數. 圖 8 為典型頻點風速的擬合回歸結果.

分析結果表明，在10～20 kN風速條件下，1 kHz 以上風關噪聲占主導，并且噪聲譜級與風速的對數成正比，在當前的航運情況下，800 Hz 以下風關噪聲起主導作用的臨界風速高于10 kN. 表 1 給出了觀測海區(qū)非禁漁期典型10～20 kN風速情況下1～10 kHz風關噪聲回歸分析結果.

圖 7 譜級與風速的對應情況Fig.7 The correspondence between the spectral level and the wind speed

圖 8 典型頻點風速的擬合回歸結果Fig.8 Typical frequency point and wind speed fitting regression results

f/ kHz11.251.622.53.15456.3810n0.50.70.91.01.11.11.00.80.50.50.4

4 結 論

本文依據淺海海洋背景噪聲理論,利用基于矢量水聽器的座底式海洋背景噪聲觀測系統(tǒng)獲取了不同海況、季節(jié)、水文條件的背景噪聲數據，并進行了數據結果分析：

1) 海洋背景噪聲譜級隨季節(jié)變化規(guī)律很大程度上取決于不同季節(jié)海洋環(huán)境聲速分布以及風、行船、雨等噪聲源的變化規(guī)律.

2) 通過聲壓與振速的比值譜可以體現出海洋環(huán)境聲場的各向異性，海洋環(huán)境不同頻率的各向異性差異明顯.

建立了考慮行船風生噪聲的海洋背景噪聲統(tǒng)計模型，并推導出1～10 kHz風關噪聲回歸系數，為深入分析淺海環(huán)境特性提供技術支撐.