遠(yuǎn)離航道海域低頻海洋環(huán)境噪聲垂直指向性

單元春，林建恒，衣雪娟，江鵬飛，孫軍平，李 娜

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所北海研究站，山東 青島 266114；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

海洋環(huán)境噪聲是海洋聲信道中的背景聲場(chǎng)，包含大量的環(huán)境信息與噪聲源信息，它不僅是海洋中目標(biāo)探測(cè)的干擾聲場(chǎng)，又是海洋波導(dǎo)環(huán)境和相關(guān)噪聲源的重要信息源。而海洋環(huán)境噪聲垂直指向性既可以表征噪聲源的方向特性，又可以反映出海洋環(huán)境噪聲的傳播特性，還可以作為反演海洋環(huán)境特性的聲場(chǎng)特征[2]。

早期，Kuperman等[3]提出了被廣泛采用的K/I模型，利用簡(jiǎn)正波理論計(jì)算了分層海洋中海洋環(huán)境噪聲空間特性。之后Harrison[4]提出一種利用射線理論計(jì)算海洋環(huán)境噪聲垂直指向性的方法，并且對(duì)比了3D算法與N×2D算法計(jì)算的垂直指向性。Yang等[5]利用互譜密度矩陣仿真計(jì)算了海洋環(huán)境噪聲垂直指向性。楊坤德[6]等通過仿真計(jì)算，討論了深海5 000 m完全聲道的風(fēng)關(guān)海洋環(huán)境噪聲垂直指向性。衣雪娟等[7-8]通過射線理論仿真計(jì)算了斜坡海底情況下，海洋環(huán)境噪聲的垂直指向性。

以上研究大多基于風(fēng)關(guān)噪聲等頻率較高的噪聲源，Knudsen等[9]與Wenz[10]的研究發(fā)現(xiàn)，深海低頻(10～500 Hz)海洋環(huán)境噪聲主要來自于航船與地震等噪聲源的貢獻(xiàn)，在10～100 Hz頻段內(nèi)，航船噪聲級(jí)較其他類型噪聲級(jí)更高，所以是該頻段內(nèi)的主要噪聲源。

本文基于一次南海某海域的實(shí)測(cè)海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，并假設(shè)低頻環(huán)境噪聲主要來自于遠(yuǎn)處航道的大型航船貢獻(xiàn)的航行噪聲，利用3D射線算法，考慮復(fù)雜地形中聲線的水平折射效應(yīng)，計(jì)算了低頻海洋環(huán)境噪聲的垂直指向性，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行了比較。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果分析了垂直接收陣陣元間距與能夠形成穩(wěn)定垂直指向性的海洋環(huán)境噪聲頻率之間的關(guān)系，給出了當(dāng)陣元間距與波長(zhǎng)之比大于1/2時(shí)，利用垂直陣測(cè)量分析海洋環(huán)境噪聲垂直指向性的適用情況。

1 航道內(nèi)航船引起海洋環(huán)境噪聲三維模型

1.1 航船噪聲空間分布模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)期間的艦船自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)數(shù)據(jù)，繪制出如圖1所示的航船軌跡，圖中A點(diǎn)為水聽器接收陣位置，藍(lán)、紅、綠線分別表示實(shí)驗(yàn)第1、2、3 d的航船軌跡?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)期間航船較為密集的區(qū)域位于半徑跨度140～270 km范圍內(nèi)的兩個(gè)扇環(huán)之間。將航船軌跡圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到圖2所示的兩個(gè)大扇環(huán)區(qū)域，其中R1扇環(huán)區(qū)位于距離接收陣140～210 km、水平方位角為170°～280°的區(qū)域；R2扇環(huán)區(qū)距離接收陣210～270 km、水平方位角為210°～280°。

圖1 實(shí)驗(yàn)期間實(shí)驗(yàn)海域航船軌跡Fig.1 Trajectory of ships during the experiment

圖2 簡(jiǎn)化航道區(qū)域模型Fig.2 Simplified model of ship lane area

假設(shè)航船在R1與R2兩個(gè)扇環(huán)內(nèi)均勻分布，且由于航道內(nèi)的航船多為大型商船、郵輪等，這類船的平均吃水深度在10 m左右，所以設(shè)兩個(gè)扇環(huán)內(nèi)的噪聲源均位于海平面以下10 m處。

1.2 海洋環(huán)境噪聲垂直指向性

位于深度zs、水平距離rl、方位角θm處的點(diǎn)噪聲源，在深度為zn的接收陣第n個(gè)陣元處產(chǎn)生的聲壓為P(zn，rl，zs，θm)，則接收點(diǎn)處的海洋環(huán)境噪聲場(chǎng)為各海面噪聲源在接收點(diǎn)產(chǎn)生聲場(chǎng)的疊加：

式中：Il，m表示單位面積內(nèi)的聲強(qiáng)，Sl，m表示單位面積，代表距離與方位角上的隨機(jī)相位信息，Ψl與Ψm為0～2π之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)。

海洋環(huán)境噪聲的垂直指向性可以通過噪聲的互譜密度計(jì)算，令q為平面波陣響應(yīng)向量：

式中：k表示平面波矢量，β為俯仰角，xn表示方向矢量，n為接收陣元序號(hào)，N為垂直接收陣陣元數(shù)。通過垂直陣測(cè)得的海洋環(huán)境噪聲垂直指向性定義為

式(5)表征海洋環(huán)境噪聲隨俯仰角的變化關(guān)系，其中C為互譜密度矩陣。為便于對(duì)比，本文中將式(5)獲得的垂直指向性仿真結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。

2 低頻航船海洋環(huán)境噪聲垂直指向性

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及數(shù)據(jù)處理

海洋環(huán)境噪聲獲取實(shí)驗(yàn)在中國南海南部某海域進(jìn)行，采用如圖3所示的由一根電纜連接的32陣元等間隔垂直水聽器陣，可以保證32個(gè)陣元采集到的數(shù)據(jù)是同步的，相鄰陣元間隔為20 m；垂直陣陣元的深度分布范圍為265～885 m，布放處水深為2 370 m，由布放在海面附近與浮球相連接的電池倉為其提供長(zhǎng)時(shí)間供電。海試時(shí)的聲速剖面如圖4所示，其中深度小于2 000 m的聲速采用CTD實(shí)測(cè)獲取，深度大于2 000 m的聲速是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得。

圖3 海試期間水聽器陣布放示意圖Fig.3 Deployment of hydrophone array during the experiment

圖4 實(shí)驗(yàn)期間的聲速剖面Fig.4 Sound speed profile during the experiment

實(shí)測(cè)環(huán)境噪聲的垂直指向性為

式中：Xzn(f)是第n個(gè)陣元接收到的噪聲頻域信號(hào)，上方的“橫線”表示對(duì)多個(gè)時(shí)段的處理結(jié)果取平均，zn為水聽器的深度，θ為聲波到達(dá)方向與陣列法線方向的夾角：-90°≤θ≤90°，計(jì)算時(shí)角度間隔為1°，波數(shù)k=2πf/c(c為水中的參考聲速)，n為陣元序號(hào)。為方便對(duì)比，對(duì)式(6)得到的B(θ)進(jìn)行歸一化處理，則得到歸一化后的實(shí)測(cè)環(huán)境噪聲的垂直指向性。

2.2 不同頻率實(shí)測(cè)與仿真垂直指向性

2.2.1 實(shí)測(cè)海洋環(huán)境噪聲垂直指向性

圖5～7分別為試驗(yàn)期間第15、42、65 h的不同頻率海洋環(huán)境噪聲垂直指向性圖像，0°對(duì)應(yīng)水平方向，角度為負(fù)時(shí)對(duì)應(yīng)海面方向?？梢钥闯觯捎诮邮贞囘h(yuǎn)離航道區(qū)域，所以低頻噪聲主要來自于水平方向，且主要集中于-30°～30°范圍內(nèi)，來自海面方向與海底方向的環(huán)境噪聲貢獻(xiàn)很小，可以認(rèn)為，當(dāng)距離接收陣較遠(yuǎn)處存在航道時(shí)，航道內(nèi)的低頻航船噪聲以接近水平方向入射垂直接收陣，且海底反射與海面反射的聲能量很小，可以忽略。

圖5 在試驗(yàn)的第15 h測(cè)量的海洋環(huán)境噪聲不同頻率時(shí)的垂直指向性圖Fig.5 Vertical directionality patterns of ocean ambient noise at different frequencies measured at the 15th h of the experiment

由圖1～2可知，雖然在大部分時(shí)間段內(nèi)，大型航船位于航道區(qū)域內(nèi)，但是某些時(shí)段內(nèi)，在距離接收陣較近處也有航船經(jīng)過，在這些時(shí)間段內(nèi)，垂直指向性圖像的主瓣不會(huì)集中在-30°～30°范圍內(nèi)，而是出現(xiàn)如圖8所示的情況。

圖6 在試驗(yàn)的第42 h測(cè)量的海洋環(huán)境噪聲不同頻率時(shí)的垂直指向性圖Fig.6 Vertical directionality patterns of ocean ambient noise at different frequencies measured at the 42nd h of the experiment

圖7 在試驗(yàn)的第65 h測(cè)量的海洋環(huán)境噪聲不同頻率時(shí)的垂直指向性圖Fig.7 Vertical directionality patterns of ocean ambient noise at different frequencies measured at the 65th h of the experiment

觀察圖8中頻率為50 Hz時(shí)的垂直指向性圖像，發(fā)現(xiàn)在-90°～50°方向，垂直指向性圖像出現(xiàn)了副極大，在50°～90°范圍內(nèi)也有較高的翹尾，但是20 Hz、30 Hz與37.5 Hz的圖像在對(duì)應(yīng)的角度并沒有出現(xiàn)較高的副極大與翹尾，只是主瓣位于-50°～50°范圍內(nèi)，主瓣寬度相比圖4～6而言較寬。出現(xiàn)這種情況的原因在于，當(dāng)接收陣的相鄰陣元間距d與單頻噪聲的波長(zhǎng)λ之比不超過1/2，即d/λ≤1/2時(shí)，均勻線陣接收到的來自任意方向信號(hào)形成的垂直指向性圖像在-90°～90°的角度范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)影響主瓣的副極大，而50 Hz環(huán)境噪聲的波長(zhǎng)為30 m，海上實(shí)驗(yàn)與仿真計(jì)算時(shí)，垂直均勻線陣的陣元間距為20 m，此時(shí)d/λ≤2/3，在這種情況下，只有當(dāng)線陣接收到的信號(hào)來自-30°～30°時(shí)，垂直指向性圖像在-90°～90°范圍內(nèi)才不會(huì)出現(xiàn)副極大，圖9與圖10分別給出d/λ≤1/2與d/λ≤2/3時(shí)，信號(hào)從不同方向入射均勻線陣時(shí)的垂直指向性圖像。

圖8 在試驗(yàn)的第61 h測(cè)量的海洋環(huán)境噪聲不同頻率時(shí)的垂直指向性圖Fig.8 Vertical directionality patterns of ocean ambient noise at different frequencies measured at the 61st h of the experiment

均勻線陣的指向性公式為

式中：N為陣元數(shù)目，d為陣元間距，λ為波長(zhǎng)，θ1為信號(hào)來波方向。

對(duì)比圖9與圖10可以看出，當(dāng)信號(hào)的入射角度為0°時(shí)，二者的垂直指向性圖像相同；當(dāng)入射角度為20°時(shí)，d/λ=2/3，在-90°附近垂直指向性圖像出現(xiàn)了極低的翹尾，但此時(shí)并沒有出現(xiàn)與主瓣高度相當(dāng)?shù)母睒O大；而當(dāng)入射角度為30°時(shí)，d/λ=2/3，在-80°附近出現(xiàn)了很高的副極大，對(duì)入射方向的真實(shí)信號(hào)產(chǎn)生了干擾。

圖9 d/λ=1/2時(shí)，不同方向入射信號(hào)的垂直指向性Fig.9 Vertical directivity of the incident signals in different directions when d/λ=1/2

圖10 d/λ=2/3時(shí)，不同方向入射信號(hào)的垂直指向性Fig.10 Vertical directivity of the incident signals in different directions when d/λ=2/3

結(jié)合圖5～10可知，當(dāng)d/λ≤1/2的條件無法滿足時(shí)，利用均勻線陣的指向性判斷信號(hào)來波方向時(shí)，需要根據(jù)信號(hào)頻率來確定對(duì)應(yīng)的角度適用范圍。

2.2.2 仿真海洋環(huán)境噪聲垂直指向性

計(jì)算時(shí)采用垂直接收陣的參數(shù)和布放方式與海試時(shí)相同，仿真地形、聲速剖面和海試時(shí)島礁地形參數(shù)、聲速剖面一致。不考慮海水吸收，海水密度為1 g·cm-3。海底參數(shù)選擇水平不變的單層海底底質(zhì)模型，聲速為1 650 m·s-1，密度為1.8 g·cm-3，衰減系數(shù)為0.517×(f/1 000)1.07。

圖11為將航道簡(jiǎn)化為兩個(gè)扇環(huán)形區(qū)域后，利用三維射線算法仿真計(jì)算得到的不同頻率海洋環(huán)境噪聲的垂直指向性，對(duì)比圖5～7可以看出，低頻環(huán)境噪聲主要來自于水平方向，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的相似性，所以將航道簡(jiǎn)化為扇環(huán)，并且假設(shè)低頻環(huán)境噪聲源主要為航道內(nèi)的航船環(huán)境噪聲來進(jìn)行仿真計(jì)算有一定的合理性，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果仍存在一些差異。如當(dāng)頻率為20 Hz、30 Hz以及37.5 Hz時(shí)，實(shí)測(cè)海洋環(huán)境噪聲垂直指向性的主瓣寬度相對(duì)仿真結(jié)果而言更寬，說明以上3個(gè)頻率的低頻環(huán)境噪聲不僅僅來自于位于遠(yuǎn)處航道的航船。結(jié)合如圖12所示的Wenz曲線[10]來看，20～50 Hz的低頻海洋環(huán)境噪聲不僅來自于航船噪聲，也有地震噪聲與爆炸聲等聲源的影響，且頻率越低，地震噪聲與爆炸聲的影響越大，所以頻率為20 Hz、30 Hz以及37.5 Hz的海洋環(huán)境噪聲不僅有來自遠(yuǎn)離接收陣航道處航船噪聲的貢獻(xiàn)，也有地震、爆炸聲等其他聲源的影響，后者到達(dá)接收陣時(shí)的入射角度比遠(yuǎn)處航船噪聲到達(dá)接收陣之后的入射角度大，導(dǎo)致實(shí)測(cè)環(huán)境噪聲垂直指向性主瓣比仿真計(jì)算得到的垂直指向性主瓣更寬。

圖11 利用三維射線算法計(jì)算得到的不同頻率時(shí)的垂直指向性仿真結(jié)果Fig.11 Vertical directionality patterns of ocean ambient noise at different frequencies simulated by the 3D ray algorithm of sound propagation

圖12 海洋環(huán)境噪聲的Wenz曲線[10]Fig.12 Wenz curves of ocean ambient noise[10]

3 結(jié)論

本文基于一次島礁復(fù)雜地形海域的海洋環(huán)境噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合同步AIS航船分布數(shù)據(jù)，分析了遠(yuǎn)離航道區(qū)域頻率為20～50 Hz的海洋環(huán)境噪聲垂直指向性特征及其形成機(jī)理。通過三維射線聲傳播算法計(jì)算了當(dāng)接收陣遠(yuǎn)離航道區(qū)域時(shí)，航道引起的低頻海洋環(huán)境噪聲的垂直指向性。結(jié)合線陣指向性與低頻海洋環(huán)境噪聲的貢獻(xiàn)源，定性分析了該島礁海域低頻海洋環(huán)境噪聲垂直指向性的形成原因，以及當(dāng)d/λ大于1/2時(shí)，利用垂直陣獲取海洋環(huán)境噪聲垂直指向性的適用條件。

仿真計(jì)算時(shí)，未考慮停泊航船與小型航船的影響，將航船分布簡(jiǎn)化為扇環(huán)形航道區(qū)域雖有一定的合理性且計(jì)算結(jié)果也較符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是此劃分方式依然較為粗糙，在后續(xù)的研究中將繼續(xù)完善航道區(qū)域航船噪聲的分布模型。