臺風(fēng)中的降雨對水下環(huán)境噪聲的影響

徐東，李風(fēng)華

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臺風(fēng)中的降雨對水下環(huán)境噪聲的影響

徐東1,2，李風(fēng)華1

(1. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場聲信息國家重點(diǎn)實驗室，北京 100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

利用數(shù)值模型和實驗數(shù)據(jù)分析了臺風(fēng)過境前后雨成噪聲對水下環(huán)境噪聲的影響。該數(shù)值模型是基于簡正波理論和雨成噪聲的統(tǒng)計分析方法。在沒有航船噪聲和生物噪聲的影響下，環(huán)境噪聲主要是風(fēng)成噪聲和雨成噪聲的總和。通過對海上實驗數(shù)據(jù)的分析，深海水下噪聲將會在臺風(fēng)眼壁到達(dá)前和離開后的兩小時時刻受到雨成噪聲的影響。在1～3 kHz的頻段處，臺風(fēng)中的雨成噪聲要比風(fēng)成噪聲大5～6 dB，并且雨成噪聲譜的強(qiáng)度隨頻率的變化比風(fēng)成噪聲譜的變化平緩。理論和實驗對比結(jié)果顯示，數(shù)值模型可以較好地預(yù)測實驗數(shù)據(jù)。

水下噪聲；降雨；臺風(fēng)；譜級

0 引言

海洋表面動力過程激發(fā)的風(fēng)成噪聲和雨成噪聲是水下環(huán)境噪聲的重要組成部分。由于臺風(fēng)過境時總是伴隨著強(qiáng)降雨和高風(fēng)速的氣象特征，水下背景噪聲級將會在臺風(fēng)過境前后出現(xiàn)明顯的變化。Houze[1]研究了臺風(fēng)內(nèi)部區(qū)域的云團(tuán)結(jié)構(gòu)，并由此提出了一個復(fù)雜典型的風(fēng)場和雨帶結(jié)構(gòu)。Quilfen等[2]分析了多次臺風(fēng)的海面風(fēng)速與降雨速率的關(guān)系，并得出最大降雨量發(fā)生在臺風(fēng)最大風(fēng)速區(qū)域的外圍的結(jié)論。水下一定深度布放的水聽器能夠被動地記錄臺風(fēng)過境前后水下背景噪聲的變化，這種變化可以揭示風(fēng)成噪聲和雨成噪聲的特性。許多研究工作顯示風(fēng)速與風(fēng)成噪聲級之間存在對數(shù)關(guān)系，并且提出了一些噪聲模型來計算風(fēng)成噪聲級[3-7]。王璟琰等分析了臺風(fēng)過境時的風(fēng)成噪聲數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速與距臺風(fēng)的距離有關(guān)，并且提出了一種本地風(fēng)速模型[8]。

降雨會對水下噪聲[9-13]、噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)[14]和機(jī)載雷達(dá)的作用距離[15]等有較大的影響。研究降雨的發(fā)聲機(jī)制也因此有著重要的意義。雨成噪聲的產(chǎn)生機(jī)理在實驗室的實驗條件下已經(jīng)獲得一些研究成果：Pumphrey等[16]討論了一滴水珠在沖擊水面時產(chǎn)生的首次聲脈沖現(xiàn)象以及后續(xù)氣泡的形成過程。Prosperetti等[17]證明雨珠必須要有一個較高的沖擊水面的速度，才能在此過程中產(chǎn)生氣泡。Nystuen等[18]發(fā)現(xiàn)部分雨珠會在沖擊水面后發(fā)生二次濺射并且產(chǎn)生水下聲波。Tajiri等[9]利用有限差分晶格的模型仿真計算了水滴與水面的動力過程中的聲輻射現(xiàn)象，計算結(jié)果顯示了雨珠沖擊水面激發(fā)的水下聲波主要來自小氣泡的振動，并且與雨珠的形狀有關(guān)。國內(nèi)在降雨噪聲方面的研究主要集中在實驗數(shù)據(jù)分析和降雨成因的定性討論方面，給出了不同降雨速率下噪聲譜級的變化特征[10-11]。室內(nèi)人工雨滴實驗?zāi)軌虿捎每煽厥侄沃饌€觀察單一水滴輻射聲音現(xiàn)象，而自然界降雨時，不同降雨條件下的雨滴分布差異較大，雨滴終端速度不均勻，入射傾角易受到海面風(fēng)場的擾動，這些因素直接導(dǎo)致自然界降雨產(chǎn)生噪聲的復(fù)雜性[10]。

由于從微觀上雨滴的粒徑在實際海況下分布復(fù)雜，目前對于降雨噪聲的研究主要集中在宏觀上用降雨量的手段進(jìn)行表征。通過統(tǒng)計的方法可以建立水下雨成噪聲強(qiáng)度與降雨量的關(guān)系，Ma等[12]分析了不同降雨量和風(fēng)速下環(huán)境噪聲譜的特性，提出了一個半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠眍A(yù)測風(fēng)成噪聲和雨成噪聲譜。Barclay等[13]研究了在暴風(fēng)雨時水下雨成噪聲強(qiáng)度與接收深度的關(guān)系，并通過對比風(fēng)成噪聲譜，得到了雨成噪聲譜有更平滑的頻譜分布的結(jié)論。然而，由于臺風(fēng)的快速移動性和伴隨的惡劣天氣，較難有效地進(jìn)行被動觀測，目前國內(nèi)外對于臺風(fēng)過境前后水下雨成噪聲的分布情況與影響程度研究較少。

本文通過對中國某海域的海上實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將雨成噪聲與風(fēng)成噪聲的強(qiáng)度和噪聲譜斜率進(jìn)行了對比，討論了臺風(fēng)過境時的雨成噪聲對水下環(huán)境噪聲的影響，結(jié)合數(shù)值模型，仿真了雨成噪聲和風(fēng)成噪聲的理論譜，并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。

1 噪聲模型

臺風(fēng)是熱帶氣旋的一個類別，發(fā)展于北太平洋西部，處于東經(jīng)100°～180°之間。這個區(qū)域是全球最活躍的熱帶氣旋發(fā)生位置，占全球年均總量的約1/3。一種典型的臺風(fēng)衛(wèi)星云圖如圖1所示，云圖顯示臺風(fēng)是球型或橢圓形的渦旋，海面上方的冷熱空氣對流在臺風(fēng)眼外部區(qū)域產(chǎn)生了大量的云，其中的積雨云會產(chǎn)生降雨，在局部區(qū)域甚至有強(qiáng)降雨。臺風(fēng)伴隨著高風(fēng)速，高風(fēng)速引起海面波浪破碎產(chǎn)生氣泡振動，風(fēng)成噪聲由此而來。然而，臺風(fēng)帶來的強(qiáng)降雨所引起的降雨噪聲也不可忽視。

1.1 臺風(fēng)激發(fā)的噪聲模型

臺風(fēng)激發(fā)的噪聲問題如圖2所示。雨帶是臺風(fēng)眼壁外環(huán)狀對稱分布的區(qū)域，眼壁區(qū)域的風(fēng)速要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于臺風(fēng)其他區(qū)域的風(fēng)速。臺風(fēng)眼區(qū)風(fēng)速低，天氣晴朗。而毗連的眼壁和雨帶區(qū)域會有較大的風(fēng)速變化和強(qiáng)降雨。在臺風(fēng)外圍區(qū)域，風(fēng)速和降雨量隨著距離的增大逐漸減小。海面風(fēng)速的吹拂會揚(yáng)起波浪，波浪卷入空氣后發(fā)生破碎，在水下產(chǎn)生大量氣泡，這些氣泡可以等效成在一定深度分布的聲源，氣泡振動輻射聲波，產(chǎn)生風(fēng)成噪聲。而降雨激發(fā)的噪聲主要來自于雨珠與水面的碰撞過程中輻射的聲波。從已發(fā)表的文獻(xiàn)來看，一般用降雨量來統(tǒng)計降雨的噪聲強(qiáng)度[12-13]。

圖2 臺風(fēng)激發(fā)的噪聲模型

臺風(fēng)過境時，由于航船停港避風(fēng)，臺風(fēng)激發(fā)的水下噪聲主要來自風(fēng)成噪聲和降雨噪聲?？杀硎緸槭?1)的形式：

臺風(fēng)的風(fēng)速可由Holland參數(shù)模型表示[19]：

其中：和是臺風(fēng)眼區(qū)和外部區(qū)域的氣壓；r是接收水聽器與臺風(fēng)眼的間距；是空氣密度；A和B是影響最大風(fēng)速值和眼壁半徑的經(jīng)驗常數(shù)。圖3給出了臺風(fēng)風(fēng)速剖面與距離的關(guān)系，所需的輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 風(fēng)速模型的輸入?yún)?shù)

1.2 雨成噪聲的譜級

從微觀上看，雨成噪聲是由大量統(tǒng)計獨(dú)立的雨滴作為點(diǎn)源輻射的聲波能量的和。對于單顆雨滴，它產(chǎn)生的水下噪聲強(qiáng)度主要與雨滴大小、形狀、入水速度和入水角度等因素有關(guān)[20]。目前主要采用以雨滴粒徑、入水速度和單一雨滴產(chǎn)生的水下功率譜來描述雨成噪聲強(qiáng)度，如下式表示[21]：

圖4 雨成噪聲級與降雨量的理論關(guān)系

Ma等給出了風(fēng)成噪聲的半經(jīng)驗公式[12]，該公式的適用范圍是風(fēng)速小于14 m.s-1，由于臺風(fēng)過境前后風(fēng)速一般高達(dá)30 m.s-1以上，因此該風(fēng)速模型不適用。而Ma等給出的雨成噪聲強(qiáng)度和降雨量的宏觀關(guān)系式普遍適用于1～10 kHz的頻帶范圍。此關(guān)系式是建立在前人研究的基礎(chǔ)上的，具有一定的普遍性。雨成噪聲的譜級(單位dB)由式(7)表示[12]：

圖5 臺風(fēng)“羅莎”中心與水聽器的間距隨時間的變化

在實際海洋環(huán)境中，臺風(fēng)過境時的水下噪聲強(qiáng)度是風(fēng)成噪聲和雨成噪聲的強(qiáng)度之和，即水下噪聲的理論譜(單位：dB)由式(9)給出：

當(dāng)總的噪聲譜級和風(fēng)成噪聲級已知時，由式(9)可以得到雨成噪聲的譜級。

2 實驗研究

第1節(jié)在理論上對臺風(fēng)過境時的水下噪聲譜級進(jìn)行了分析，并給出了雨成噪聲的理論表達(dá)式。本節(jié)根據(jù)在中國某深海海域?qū)崪y的臺風(fēng)過境時的水下噪聲數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和理論驗證。

2.1 實驗數(shù)據(jù)分析

為了衡量臺風(fēng)中的雨成噪聲對水下環(huán)境噪聲的影響程度，2013年11月中國科學(xué)院聲學(xué)研究所在中國某深海海域開展了一次海上實驗。水聽器布放深度為1 130 m，采樣頻率為8 kHz，設(shè)定的水下工作方式是連續(xù)實時地記錄聲信號。實驗海域海深為3 640 m，海底平坦。在水聽器接收系統(tǒng)工作期間，一個名為“羅莎”的臺風(fēng)(國際編號1329)途經(jīng)水聽器，最近距離為3 km。臺風(fēng)的中心與水聽器之間的距離隨時間的變化如圖5所示。本次臺風(fēng)中的氣象數(shù)據(jù)，如最大風(fēng)速和眼區(qū)氣壓來自中央氣象臺。

實驗測量的噪聲譜以1/3倍頻程帶寬處理，環(huán)境噪聲譜的窄帶功率譜級如式(10)所示：

圖6給出了臺風(fēng)過境前后水聽器測量得到的海洋環(huán)境噪聲譜隨時間的變化情況。在13時和20時出現(xiàn)的噪聲峰值是因為臺風(fēng)眼壁兩次經(jīng)過接收器上方。在16時出現(xiàn)的噪聲谷值是因為臺風(fēng)眼區(qū)經(jīng)過接收器時，風(fēng)速和降雨量急劇減小造成的。通過圖6的時頻結(jié)構(gòu)可以看出，臺風(fēng)激發(fā)的水下噪聲強(qiáng)度會明顯提高海洋的背景噪聲級，從幾十赫茲至幾千赫茲的噪聲頻帶范圍都會受到臺風(fēng)影響。

圖6 臺風(fēng)“羅莎”過境時測量的噪聲譜時頻結(jié)構(gòu)

圖7給出了不同時刻的噪聲譜分布情況。為了便于比較，第二天的時間已經(jīng)加上24小時的時差。由圖7可知，這些噪聲譜的斜率主要分為兩種，一種是-3 dB/oct(集中在5時，13時，17.6時和25時)，另一種是-1.5 dB/oct(集中在10.5時和22.5時)。這是因為當(dāng)臺風(fēng)的雨帶經(jīng)過水聽器上方時，雨成噪聲會影響海洋背景噪聲譜，表現(xiàn)為噪聲譜強(qiáng)度和斜率的變化。對比圖6可知，10.5時和22.5時分別是在最大噪聲強(qiáng)度之前和之后的時刻，距離峰值的時差約2小時，這兩個時刻除了受到風(fēng)成噪聲的影響，也同時受到雨成噪聲的影響。由圖7可知，5時的噪聲譜級低于13時的噪聲譜級，這是因為在5時臺風(fēng)中心與水聽器的距離大于210 km，而在13時臺風(fēng)中心與水聽器的距離為85 km。由圖3可知，210 km處的風(fēng)速遠(yuǎn)小于85 km處的風(fēng)速，由于風(fēng)速越低，風(fēng)成噪聲強(qiáng)度越小，導(dǎo)致5時的噪聲譜級較低。

噪聲譜之間的相關(guān)系數(shù)可以反映譜的變化情況。圖8～10給出三個中心頻率處噪聲譜的時間變化情況、噪聲譜的斜率隨時間的變化情況以及噪聲譜之間的相關(guān)系數(shù)，其中譜斜率和譜相關(guān)的頻段范圍是0.5～3 kHz。

圖8顯示了噪聲譜峰值出現(xiàn)在13時和20時附近，并且除了圖中紅圈區(qū)域之外，噪聲強(qiáng)度隨著中心頻率的增大而減小，呈現(xiàn)規(guī)律的遞減結(jié)構(gòu)。圖8中的兩個紅圈，分別對應(yīng)的時間為9.8時至12.5時和21.8時至23時，這兩個時間段的噪聲譜強(qiáng)度與頻率變化的關(guān)系較小，噪聲強(qiáng)度集中，對比圖9可知，該時段的噪聲譜斜率出現(xiàn)明顯的抬升，斜率至-0.5，即斜率的模明顯減小。而在紅圈對應(yīng)時刻之外的其它時間區(qū)域內(nèi)，噪聲的斜率基本保持在-1。紅圈時刻和最大噪聲級時刻相差約2 h，這分別對應(yīng)臺風(fēng)的雨帶和眼壁的影響時間。

圖7 臺風(fēng)“羅莎”過境期間六個時刻的水下噪聲譜

圖8 三個中心頻率的噪聲譜級隨時間的變化

圖9 噪聲譜斜率隨時間的變化，頻帶范圍0.5～3 kHz

以臺風(fēng)中心的噪聲作為參考噪聲譜，將不同時刻的噪聲譜與參考噪聲譜做相關(guān)，如圖10所示，在紅圈時刻外，相關(guān)系數(shù)保持在0.93以上，在紅圈內(nèi)相關(guān)系數(shù)減小至0.75，其中16.1時相關(guān)系數(shù)為1，這是噪聲譜自相關(guān)導(dǎo)致的。因此，臺風(fēng)中的降雨主要出現(xiàn)在眼壁到達(dá)前和離開后的時刻，時間間隔約2 h，持續(xù)時間1～2 h。需要說明的是，選取眼區(qū)的噪聲譜為參考譜是因為在臺風(fēng)過境時，航船因為停港避風(fēng)的原因，水下環(huán)境噪聲主要來自臺風(fēng)中的風(fēng)和雨激發(fā)的聲波，在眼區(qū)經(jīng)過水聽器時，由于眼區(qū)風(fēng)平浪靜，天氣晴朗，這時測量的噪聲譜可以被認(rèn)為受到風(fēng)、雨、船舶等因素的影響較小，適合作為參考噪聲譜。

圖10 噪聲譜之間的相關(guān)系數(shù)隨時間的變化，頻帶范圍0.5～3 kHz

2.2 對比分析

圖11 實驗測量和噪聲模型對比

3 結(jié)論

本文分析了臺風(fēng)過境前后雨成噪聲對水下環(huán)境噪聲的影響，將數(shù)值模型和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。得到以下結(jié)論：

(1) 臺風(fēng)過境期間，風(fēng)成噪聲和雨成噪聲是水下環(huán)境噪聲的主要成分。

(4) 在風(fēng)速和降雨量已知的情況下，通過噪聲模型可以計算雨成噪聲譜與風(fēng)成噪聲譜，理論計算與實驗結(jié)果較為一致。

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The effects of typhoon induced rainfall on underwater ambient noise

XU Dong1,2, LI Feng-hua1

(1. State Key Laboratory of Acoustics, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The effects of rain generated noise on underwater ambient noise spectrum during typhoon transit are analyzed by using numerical model and experimental data. This numerical model is based on the normal mode theory and the statistical analysis of rain generated noise. The ambient noise intensity without taking account of ship and wildlife noise is mainly the sum of rain and wind generated noise. The acoustic data collected in an experiment are used to investigate the characteristics of ambient noise. It is observed that the received noise intensity in deep water would be affected by the rainfall noise at the time of two hours before the eye wall of typhoon arrival and after its departure. Besides, the spectrum levels of rain generated noise are about 5-6 dB higher than those of wind generated noise at the frequencies from 1 kHz to 3 kHz, and the spectral slope of the former is flatter than the later one. By comparisons, it is shown that the simulated curves of the numerical model are in good agreement with the experimental data.

underwater noise; rainfall; typhoon; spectral level

P733.22

A

1000-3630(2019)-01-0071-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.012

2018-01-13;

2018-02-25

國家自然科學(xué)基金(11125420, 41561144006)

徐東(1991－), 男, 浙江溫州人, 博士研究生, 研究方向為水聲物理。

李風(fēng)華, E-mail: lfh@mail.ioa.ac.cn