南海冬季環(huán)境噪聲譜級特性分析

朱方偉 鄭廣贏 劉福臣

（聲納技術(shù)重點實驗室 第七一五研究所，杭州，310023）

海洋環(huán)境噪聲是海洋中的固有聲場[1]，海面風(fēng)浪、遠處航船、海洋湍流和海洋生物活動等各種噪聲源輻射的噪聲在傳播過程中受到水體、海面和海底等因素的影響，形成了一個極為復(fù)雜的海洋環(huán)境噪聲場。噪聲場攜帶了豐富的環(huán)境信息，包括水文、氣象、航船等信息，通過對海洋環(huán)境噪聲的處理與分析，依據(jù)聲學(xué)反演的方法可以推測出海洋環(huán)境參數(shù)，這是海洋環(huán)境噪聲研究的意義所在。

1948 年，Kundson 等[2]根據(jù)整理的第二次世界大戰(zhàn)期間獲得的海洋環(huán)境噪聲的測量數(shù)據(jù)，得到了以海況或風(fēng)力為參數(shù)的Knudson 環(huán)境噪聲譜級曲線。1962 年，Wenz[3]依據(jù)理論研究與大量實驗數(shù)據(jù)的驗證，總結(jié)得到了1 Hz～100 kHz 的海洋環(huán)境噪聲譜。1964 年，Piggott[4]根據(jù)淺海環(huán)境噪聲的測量結(jié)果得出噪聲譜級與風(fēng)速的對數(shù)呈線性關(guān)系。1972 年，Crouch 和Burt[5]將此結(jié)果在深海進行了驗證。值得提及的是Wenz 譜是一種較為寬泛的平均譜，更接近于深海真實的噪聲情況[6]。根據(jù)Wenz 譜可將噪聲源大致分為互相重疊的三類：海洋湍流、遠處航船以及風(fēng)生噪聲。隨著人類的探索逐步向深遠海發(fā)展，深海海洋環(huán)境噪聲的研究具有重要意義。目前針對中國南海深海域的環(huán)境噪聲研究相對較少，本文通過對2020 年2 月份南海某海域潛標(biāo)系統(tǒng)記錄的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)的分析，研究南海深海全海深的環(huán)境噪聲譜特性。

1 測量系統(tǒng)

潛標(biāo)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性以及較寬的頻段范圍等是測量海洋環(huán)境噪聲的較好選擇[7]。試驗地點位于南海某海域，附近漁船較少，對環(huán)境噪聲測量的影響較小。本次海試潛標(biāo)系統(tǒng)由重物、溫深測量儀（Temperature-Depth system，TD）、自容式水聽器、聲學(xué)釋放器、甲板單元等組成，其中自容式水聽器靈敏度均較大，能獲得較為精確的噪聲測量數(shù)據(jù)。圖1 為自容式溫鹽深剖面儀（Conductivity- Temperature-Depth system，CTD）測得的聲速剖面，可以看到該處水深為1350 m，深海聲道軸在900 m水深處，滿足一般意義下海深大于1000 m 對深海的定義。

圖1 布放點CTD 測得的聲速剖面圖

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 海洋環(huán)境噪聲譜

本文利用頻域分析方法對數(shù)據(jù)進行處理[8]。

2.1.1 噪聲數(shù)據(jù)的選取和分段 將潛標(biāo)系統(tǒng)測量得到的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，每間隔一定時間截取成L 個長度為N 的數(shù)據(jù)分段ui(n)，每個分段時間長度為t，記測量數(shù)據(jù)的采樣頻率為fs，T 為采樣周期，則

2.1.2 噪聲數(shù)據(jù)處理

由帕斯卡定理可將數(shù)據(jù)分段u[n]的能量表示為

其中

對各個中心頻率f0的1/3 倍頻程內(nèi)做功率譜分析，

式中

記水聽器的靈敏度為M，接收系統(tǒng)放大倍數(shù)為m，水聽器信號段采集到的電壓有效值為u(n)，則接收噪聲信號的聲壓級可以表示為

可以得到聲壓為

通過式（5）和（6）可以得到環(huán)境噪聲的譜級為

2.2 相關(guān)理論

皮爾遜相關(guān)系數(shù)[9]的變化范圍在-1～1 之間，系數(shù)的值越接近1 表示x 和y 的正相關(guān)線性程度就越好，系數(shù)的值越接近-1 表示x 和y 的負相關(guān)線性程度越好，而系數(shù)的值為0 表示兩個變量間沒有線性關(guān)系。變量x 與y 的皮爾遜相關(guān)系數(shù)定義為

其中，變量x 與y 的協(xié)方差和標(biāo)準(zhǔn)差可分別表示為

至此可以得到皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式為

考慮海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速的相關(guān)性，則x 表示海洋環(huán)境噪聲譜級，y 表示風(fēng)速對數(shù)數(shù)值。

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

采用沉底布放的潛標(biāo)系統(tǒng)測得該海域100 h 內(nèi)400 m 深度處海洋環(huán)境噪聲譜級隨頻率和時間的變化圖，見圖2?？梢钥闯觯@段時間內(nèi)噪聲譜級主要集中于100 Hz 以內(nèi)的頻段，平均譜級大于90 dB，且隨著頻率的增加噪聲譜級逐漸減小。值得注意的是，10 Hz 左右的譜級強弱隨時間呈現(xiàn)一定周期性，周期為24 h，可能與海洋湍流有關(guān)或晝夜交替有關(guān)。

圖2 海洋噪聲譜級隨頻率和時間變化圖

3.1 噪聲譜級與風(fēng)速時頻分析

為便于比較不同頻率的噪聲譜級與風(fēng)速的聯(lián)系，選擇了2020 年2 月25～29 日間的風(fēng)速變化較大的時間段，圖3 分別給出了該段時間內(nèi)的風(fēng)速和深度400 m 處環(huán)境噪聲譜級隨時間的變化曲線?？梢钥闯觯瑘D3 中500 Hz 以上的高頻噪聲隨時間的變化曲線與風(fēng)速隨時間的變化曲線具有很好地相似性，而100 Hz 左右的頻段的噪聲隨時間的變化曲線與風(fēng)速隨時間的變化曲線的相似性較差。這與Wenz譜描述的較為吻合：頻段在20～500 Hz 的海洋環(huán)境噪聲主要來自于遠處行船，而頻段在500 Hz～20 kHz 的海洋環(huán)境噪聲則主要來自風(fēng)生噪聲。其中1 kHz 左右頻段的噪聲譜級受風(fēng)速影響較大，不同風(fēng)速下環(huán)境噪聲譜級起伏達到了7 dB。

圖3 風(fēng)速（上）和噪聲譜級（下）隨時間變化圖

3.2 風(fēng)速與海洋環(huán)境噪聲相關(guān)性分析

為進一步研究海洋噪聲功率譜密度與風(fēng)速的相似性與深度-頻率的關(guān)系，利用潛標(biāo)系統(tǒng)測得的噪聲數(shù)據(jù)與風(fēng)速對數(shù)計算相關(guān)系數(shù)。其中，深度分別對應(yīng)20 個的自容式水聽器的布放深度，為全海深分布，中心頻率范圍為10 Hz～16 kHz。

深海的海洋環(huán)境噪聲在不同的頻段處有著不同的特性，在1～20 kHz 內(nèi)主要存在三種噪聲源，分別為海洋湍流噪聲、航船噪聲以及風(fēng)生噪聲。其中湍流噪聲主要由湍流區(qū)內(nèi)部壓力變化的聲效應(yīng)產(chǎn)生，是頻率分布1～幾十Hz 的主要噪聲源，航船噪聲由遠處行船發(fā)出的大功率機械噪聲，是幾十Hz～幾百Hz 的主要噪聲源；風(fēng)生噪聲由風(fēng)對海面作用產(chǎn)生，是中高頻段海洋環(huán)境噪聲的主要噪聲源。由圖4 可以看出，噪聲譜級與風(fēng)速對數(shù)在600 Hz以上頻段處的相關(guān)系數(shù)較高。對600 Hz 以上頻段的風(fēng)生噪聲與風(fēng)速對數(shù)的相關(guān)系數(shù)分析可知，相關(guān)系數(shù)在深度上分布較為均勻，說明風(fēng)生噪聲在垂直方向上受傳播損失影響較小，可以影響整個深海水層。

為了進一步研究不同風(fēng)速下深海環(huán)境噪聲譜級與風(fēng)速的相關(guān)性在水深-頻率上的分布，將潛標(biāo)系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)根據(jù)平均風(fēng)速大小分別為3 kn、8 kn和11 kn 的時間段截成3 段進行相關(guān)系數(shù)計算后在圖5 中給出。

圖4 風(fēng)速對數(shù)與噪聲譜級相關(guān)系數(shù)的深度-頻率變化圖

圖5 不同風(fēng)速影響下噪聲譜級與深度-頻率的相關(guān)系數(shù)圖

由圖5 可以看出隨著風(fēng)速的增大，在1～50 Hz與600 Hz 以上相關(guān)系數(shù)的中高頻段出現(xiàn)了明顯的升高，其中1～50 Hz 主要受到海洋湍流的影響，可知風(fēng)速通過影響海洋湍流從而使低頻的海洋環(huán)境噪聲升高，而在中間的頻段主要受航船噪聲的影響，與風(fēng)速幾乎沒有相關(guān)性，在600 Hz 以上的頻段主要為風(fēng)生噪聲，覆蓋整個水深，這個頻段下3 kn 風(fēng)速時平均相關(guān)系數(shù)為0.69，8 kn 時平均相關(guān)系數(shù)為0.76，11 kn 下平均相關(guān)性系數(shù)0.83，由此可見在中高頻段風(fēng)速大小和噪聲譜級與風(fēng)速對數(shù)的相關(guān)系數(shù)成正比。

3.3 遠處航船噪聲對噪聲譜級的影響

從圖4 和圖5 中能發(fā)現(xiàn)，在深海聲道軸附近60～800 Hz 內(nèi)出現(xiàn)一條相關(guān)性較高的水平條紋，初步推測是遠處航船噪聲的影響，為了證實這種猜測，本文分別選取了只有一艘航船靠近布放站位點和遠離布放站位點的數(shù)據(jù)分段，作了不同頻率下海洋噪聲譜級隨深度的變化圖，如圖6 所示。

圖6 不同航船位置處、不同頻率下海洋噪聲譜級與深度的關(guān)系圖

從圖6 中可以看到，在12 Hz 時，由于受到海洋湍流等因素的影響，噪聲譜級在深度上分布較為雜亂，而800 Hz 頻率以上的頻段噪聲譜級在深度上分布較為均勻，兩圖的主要區(qū)別是在聲道軸附近航船遠離布放站位點時的噪聲譜級要遠大于航船靠近站位點時的噪聲譜級。通過比較，發(fā)現(xiàn)航船噪聲在垂直方向上衰減較快，但由于遠處航船噪聲遠距離主要依靠聲道軸傳播，因此可以傳播到更遠的距離，且衰減較少。

4 結(jié)論

本文利用潛標(biāo)系統(tǒng)測量的南海某深海海域全海深海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)進行了噪聲譜級與風(fēng)速的時頻分析與相關(guān)性分析以及航船噪聲分析，得出以下結(jié)論：

（1）600 Hz 以上的頻段尤其是1000 Hz 左右頻段的噪聲譜級與風(fēng)速相關(guān)性高，即風(fēng)速對噪聲譜級強弱起主要作用。

（2）由于海洋湍流噪聲和風(fēng)生噪聲源分布在無窮大的整片海域，因此在垂直方向可以到整個深海水層。

（3）在中高頻段，風(fēng)速大小和噪聲譜級與風(fēng)速對數(shù)的相關(guān)系數(shù)成正比。與此同時風(fēng)可以通過催生海洋湍流從而使低頻的海洋環(huán)境噪聲升高。

（4）遠處航船噪聲作為聲源導(dǎo)致噪聲遠距離傳播后主要能量集中在聲道軸附近。