水下聲學浮標南中國海海洋環(huán)境噪聲實測分析?

韓 梅 王 超 孫芹東 王文龍 呂 勇

(1 海軍潛艇學院 青島 266199)

(2 青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室 青島 266237)

0 引言

海洋環(huán)境噪聲是海洋中普遍存在的固有聲場，其是影響聲吶系統(tǒng)探測和定位的重要參數(shù)，也是影響潛艇隱蔽性的重要因素[1]。海洋環(huán)境噪聲的組成十分復雜，其中50～500 Hz頻率范圍內(nèi)航船噪聲為主要噪聲源，而在100 Hz以上的高頻段海洋環(huán)境噪聲則與海面風速具有很好的相關(guān)性，由于潮汐或波浪運動造成的靜壓力則會產(chǎn)生極低頻的海洋環(huán)境噪聲。為了提高水聲設(shè)備水中目標探測性能，加強海洋環(huán)境噪聲觀測成為了一個重要課題，值得關(guān)注的是，迄今我國對開闊大洋區(qū)的海洋環(huán)境噪聲認識還很不足，一定程度上制約了聲吶裝備的發(fā)展[2?3]。關(guān)于海洋環(huán)境噪聲特性的研究已有大量文獻報道[4?23]，這些測量結(jié)果基本都是基于傳統(tǒng)海洋環(huán)境觀測手段獲得，而無法充分了解海洋環(huán)境噪聲時空域特性。海洋環(huán)境噪聲時空域特性是非常復雜的，其在不同時間、不同深度、不同海域的海洋環(huán)境噪聲都存在巨大差異，因此需要對海洋環(huán)境噪聲進行長時間和大范圍的觀測才足以分析其特性。

多剖面浮標作為一種水下漂流移動觀測平臺，其通過改變自身浮力可多次實現(xiàn)上浮和下潛運動，具有在位時間長、噪聲水平低、隱蔽性能高、成本低、易操作等優(yōu)點，且其平臺技術(shù)相對成熟，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于全球海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。與潛標、岸基聲吶和水聲測量船等傳統(tǒng)觀測手段相比，浮標在海洋環(huán)境噪聲觀測方面的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢，且浮標平臺只有在水面下潛階段和水下準備上浮階段油泵電機工作時才會產(chǎn)生短暫的平臺噪聲，因此可在浮標平臺上集成聲學測量系統(tǒng)，以實現(xiàn)長時和廣域的海洋環(huán)境噪聲觀測。

1 數(shù)據(jù)來源與試驗說明

1.1 水下聲學浮標

本文通過在現(xiàn)有中船710所“HM2000”多剖面浮標平臺基礎(chǔ)上集成聲學測量系統(tǒng)，研制出了一種具有海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測能力的“G-Argo”水下聲學浮標平臺，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由北斗天線、矢量水聽器、水聲信號處理機、浮標主體和浮標底座組成，其中水聲信號處理機主要完成矢量水聽器接收信號的采集、存儲和處理，由浮標主體控制其工作策略。圖2實線給出了水下聲學浮標聲學測量系統(tǒng)聲壓通道(本文所處理數(shù)據(jù)為聲學系統(tǒng)聲壓通道采集)自噪聲譜級，為了比較，圖中同時給出了Knudsen曲線在海況0級(SS0)、1級(SS1)、3級(SS0)和6級(SS6)條件下的海洋環(huán)境噪聲譜級，由圖2可以看出，水下聲學浮標聲學測量系統(tǒng)在整個頻率范圍內(nèi)自噪聲譜級均小于0級海況海洋環(huán)境噪聲，因此聲學系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)可有效評估海洋環(huán)境噪聲特性[23]。圖3給出了“G-Argo”水下聲學浮標海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測流程圖，水下聲學浮標可多次上浮、下潛，具備原位坐底和定深漂流兩種工作模式，其海上連續(xù)工作時長則與海洋環(huán)境噪聲采樣策略和自動上浮通信周期有關(guān)，一般能夠?qū)崿F(xiàn)海上連續(xù)觀測時長多達幾個月。2019年8月在南中國海某海區(qū)組織了8臺“G-Argo”水下聲學浮標試驗，試驗獲取了不同位置點為期1天的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，討論了附近航船噪聲對不同頻率海洋環(huán)境噪聲譜級的影響。

圖1 搭載聲學測量系統(tǒng)的水下聲學浮標示意圖Fig.1 Underwater acoustic buoy integrated with acoustic measuring system

圖2 聲學系統(tǒng)自噪聲測試曲線Fig.2 Self-noise test curves of acoustic system

圖3 水下聲學浮標海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測流程圖Fig.3 Flowchart of underwater acoustic buoy monitoring ambient noise

1.2 試驗說明

2019年8月，由海軍潛艇學院主導，與天津大學和中船710所共同合作在南中國海某海區(qū)開展了一次大型水下無人平臺聲學試驗，此次試驗共包含8臺“G-Argo”水下聲學浮標和9臺水下聲學滑翔機[23]，此次試驗的目的主要是驗證兩型水下移動平臺海洋環(huán)境觀測能力和對海上目標探測性能。圖4給出了試驗海區(qū)地理位置，其所在區(qū)域位于北緯16?59′至17?31′、東經(jīng)110?37′至110?59′之間的一個60 km×40 km的矩形海域內(nèi)，試驗區(qū)域海深約為1500 m，離三亞港約160 km。試驗期間海況較好且變化不大，試驗船風速儀測量海面風速約為2級，船載投棄式溫深儀測量得到的聲速剖面結(jié)果顯示，海深30 m以內(nèi)為均勻?qū)?，聲道軸在深度1000 m附近。

圖4 水下聲學浮標試驗海區(qū)位置Fig.4 The location of the underwater acoustic buoy experiment site

試驗期間，設(shè)置“G-Argo”水下聲學浮標定漂深度為200 m，容差±100 m，聲學測量系統(tǒng)在浮標平臺深度大于100 m后開始上電工作，在整個浮標定深漂流階段聲學測量系統(tǒng)全程開機采集水聲信號，并用船載AIS 雷達設(shè)備實時接收試驗海區(qū)水面航船信息。圖5給出了07:00–19:00時間段內(nèi)1#、5#、7#水下聲學浮標和周圍水面航船相對位置態(tài)勢圖，由圖可以看出：“G-Argo-1#”水下聲學浮標在09:26–18:53時間段內(nèi)沿119?方向漂流距離約6.0 km，漂流速度平均約0.36 kn；“G-Argo-5#”水下聲學浮標在09:03–18:54時間段內(nèi)沿134?方向漂流距離約9.4 km，漂流速度平均約0.47 kn；“G-Argo-7#”水下聲學浮標在07:30–18:49時間段內(nèi)沿140?方向漂流距離約7.6 km，漂流速度平均約0.34 kn。試驗期間有水面航船經(jīng)過浮標位置點附近，其中：12:33–14:02時間段內(nèi)，水面航船(MMSI：414350640，船長：42 m，船寬：6 m)以航速8.4 kn航向301?經(jīng)過試驗海區(qū)，在13:15時間點附近與“G-Argo-1#”和“G-Argo-5#”浮標距離較近，分別為2 km和3 km左右；16:48–20:00時間段內(nèi)為設(shè)備回收階段，試驗船(電科一號，MMSI：412524240，船長：80 m，船寬：18 m)由停機待機區(qū)向浮標位置點航行，進行設(shè)備打撈；16:48–17:34時間段內(nèi)，試驗船電科一號航速6.4 kn 航向277?；17:34–18:20時間段內(nèi)，試驗船電科一號航速在1～6 kn之間根據(jù)任務(wù)變向變速航行，在18:20時間點與“G-Argo-1#”浮標平臺距離較近約1.5 km。

圖5 “G-Argo”浮標平臺和附近水面航船相對位置點Fig.5 Relative position of “G-Argo” buoy platform and nearby surface vessel

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

本文主要討論20 Hz～3 kHz頻率范圍內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲譜級隨時間的變化特性，以及附近航船噪聲對其的影響。原始信號每10 min 取10 s 數(shù)據(jù)后采用1/3倍頻程進行處理，測量數(shù)據(jù)的采樣率為20 kHz，處理過程中將處理數(shù)據(jù)截取分成10段長度為1 s的數(shù)據(jù)，每秒數(shù)據(jù)進行32768點快速傅里葉變換(Fast Fourier transform,FFT)，對10段數(shù)據(jù)分別進行計算并剔除野值后進行求和平均，該方法能夠很好地反映海洋環(huán)境噪聲頻譜特性[16]。圖6(a)給出了“G-Argo-1#”浮標平臺定深漂流工作期間平臺深度隨時間變化情況，其中，在09:07和15:55兩個時間點由于聲學測量系統(tǒng)異常導致浮標平臺上浮。圖6(b)給出了20 Hz、63 Hz、100 Hz、200 Hz、400 Hz、800 Hz、1.6 kHz和3.15 kHz 8個頻點中心處海洋環(huán)境噪聲譜級隨時間變化曲線，由圖也可以明顯看出，在13:15、17:34和18:20時間點附近由于水面航船影響而引起的譜級增大，海洋環(huán)境噪聲譜級在1.6 kHz 頻點處在以上3個時間點分別升高了約11 dB、5 dB和12 dB，而水面航船對100 Hz以下的低頻段海洋環(huán)境噪聲影響卻不顯著，其中在水面航船與浮標平臺距離較近的18:20時間點，由于水面航船影響環(huán)境噪聲譜級在100 Hz 頻點處升高了僅約5 dB。

圖7給出了“G-Argo-1#”水下聲學浮標在12:30、13:15、15:55、16:50、17:34和18:20 6個時間點海洋環(huán)境噪聲譜級隨頻率變化曲線，表1則列出了以上6個時間點對應(yīng)平臺深度上不同中心頻點1/3倍頻程譜級，由圖7和表1可以看出，浮標平臺附近水面航船對200 Hz～1.6 kHz頻段范圍內(nèi)海洋環(huán)境噪聲譜級影響較顯著；除水面航船影響時間點外，在100 Hz以上的高頻段，海洋環(huán)境噪聲譜級隨頻率變化趨勢與Knudsen曲線具有很好的一致性，約以?4～?7 dB 每倍頻程的規(guī)律下降，符合典型風關(guān)噪聲變化規(guī)律[20]。

圖6 G-Argo-1#結(jié)果Fig.6 G-Argo-1# results

圖7 不同時刻海洋環(huán)境噪聲譜級頻率特性曲線Fig.7 Spectrum levels of ambient noise as a function of frequency at different times

圖8(a)和圖8(b)分別給出了09:30–18:30時間段內(nèi)“G-Argo-5#”水下聲學浮標平臺深度和8個頻點處海洋環(huán)境噪聲譜級隨時間變化情況，可以看出，“G-Argo-5#” 浮標在下潛至最大下潛深度232 m后浮標平臺開始慢慢上浮，最后浮標定深漂流工作階段平臺深度基本穩(wěn)定在150 m左右；在13:15時間點附近同樣可以看到由于水面航船(MMSI：414350640)噪聲影響而引起的海洋環(huán)境噪聲譜級在1.6 kHz 頻點處有約6 dB的譜級升高，而相比“G-Argo-1#”浮標噪聲譜級在該時間點升高值小約5 dB，這是由于“G-Argo-5#”浮標平臺距水面航船(MMSI：414350640)相對較遠造成的；而水面航船經(jīng)過對3.15 kHz 頻點處的海洋環(huán)境噪聲譜級則幾乎沒有影響，這是由于高頻段傳播損失較大造成的。圖9(a)和圖9(b)則分別給出了11:00–18:30時間段內(nèi)“G-Argo-7#”水下聲學浮標平臺深度和8個頻點處海洋環(huán)境噪聲譜級隨時間變化情況，由圖可以看出，“G-Argo-7#”浮標在整個定深漂流工作階段平臺深度基本穩(wěn)定在130 m左右，在12:31時間點附近由于受小型水面航船影響(該水面航船沒有AIS信號，通過雷達掃描得到)，海洋環(huán)境噪聲譜級在1.6 kHz和3.15 kHz 頻點處各有約3 dB的譜級升高，而在200 Hz以下的低頻段海洋環(huán)境噪聲譜級則幾乎不受影響。由于“G-Argo-7#”浮標平臺與水面航船(MMSI：414350640、MMSI：412524240)距離較遠，因此在13:00–18:30時間段內(nèi)63 Hz～3.15 kHz頻段范圍內(nèi)海洋環(huán)境噪聲譜級基本不隨時間發(fā)生變化，而20 Hz 頻點處海洋環(huán)境噪聲譜級則在16:40和18:20兩個時間點附近分別有13 dB和8 dB的譜級升高，這可能是由于潮汐或波浪造成的靜水壓力而引起的。

表1 不同時間不同深度海洋環(huán)境噪聲譜級表Table1 Ambient noise spectrum levels at different time and depth

圖8 G-Argo-5#結(jié)果Fig.8 G-Argo-5# results

圖9 G-Argo-7#結(jié)果Fig.9 G-Argo-7# results

3 結(jié)論

本文利用2019年8月在南中國海某海區(qū)組織的多臺“G-Argo”水下聲學浮標試驗?zāi)骋话滋斓臄?shù)據(jù)，分析給出了20 Hz～3.15 kHz頻率范圍內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲譜級，試驗期間浮標平臺附近有水面航船經(jīng)過，借此探討了附近水面航船對不同頻點海洋環(huán)境噪聲影響。結(jié)果表明，浮標平臺附近水面航船對200 Hz～1.6 kHz頻段范圍內(nèi)海洋環(huán)境噪聲譜級影響較顯著，另外，除水面航船影響時間點外，在100 Hz以上的高頻段，海洋環(huán)境噪聲譜級約以?4 dB～?7 dB 每倍頻程的規(guī)律下降，符合典型風關(guān)噪聲變化規(guī)律。但是，本文只提供了南中國海某一特定海域一天范圍內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，這不足以評估整個南中國海范圍內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲特性，因此需要進行更長時間和更大范圍內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲測量，以便獲取完整的海洋環(huán)境噪聲分布數(shù)據(jù)和分析環(huán)境噪聲統(tǒng)計特性變化規(guī)律。本文工作顯示，水下漂流移動平臺在海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測方面應(yīng)用具有良好的廣闊前景。