實(shí)測(cè)海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)譜級(jí)特性研究

魏永星，于金花，李　琦，周　瑩，?！≌埽Ｖ救A，高　超

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津　300112）

實(shí)測(cè)海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)譜級(jí)特性研究

魏永星，于金花，李琦，周瑩，常哲，牛志華，高超

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112）

通過對(duì)噪聲測(cè)量潛標(biāo)系統(tǒng)測(cè)得的94 d海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)及相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合時(shí)頻、相關(guān)性、統(tǒng)計(jì)特性分析，得到試驗(yàn)海區(qū)風(fēng)速、降雨等自然現(xiàn)象與噪聲譜級(jí)之間的關(guān)系。分析結(jié)果表明，海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)與風(fēng)速變化在低頻段相關(guān)性較低，高頻段相關(guān)性較高，同時(shí)1 kHz以上頻段譜級(jí)值分布接近呈正態(tài)分布；降雨對(duì)環(huán)境噪聲的影響主要分布在500 Hz以上頻段。

海洋環(huán)境噪聲；風(fēng)速；相關(guān)性；統(tǒng)計(jì)特性；降雨

海洋環(huán)境噪聲是永恒存在的聲場(chǎng)，包含了豐富的水體、海面、海底等環(huán)境信息，研究者可以通過充分研究海洋環(huán)境噪聲來獲得海洋環(huán)境的物理特性及豐富的海洋聲學(xué)信息，還可以利用海洋環(huán)境噪聲的寬頻帶和任意時(shí)間存在的特性提取相關(guān)的海洋環(huán)境參數(shù)。

根據(jù)Knudsen，Urick，Wenz與Carey等的海洋環(huán)境噪聲文獻(xiàn)，可以將不同環(huán)境噪聲源分為相互覆蓋的三段：（1）低頻段1～100 Hz，主要來源于潮、浪、涌的壓力脈動(dòng)，大尺度湍流以及遠(yuǎn)處的風(fēng)暴、地震等；（2）10～500 Hz，總體來說較為平緩，來源于遠(yuǎn)處的航船，強(qiáng)弱與航運(yùn)的頻繁程度有關(guān)；（3）500 Hz～25 kHz頻段，主要來源于風(fēng)動(dòng)海面。其中，風(fēng)關(guān)噪聲、降雨噪聲是海洋環(huán)境的主要噪聲源之一，也是本文的重點(diǎn)研究對(duì)象。

本文以海洋環(huán)境噪聲測(cè)量潛標(biāo)系統(tǒng)在某海域獲取的94 d海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)及相應(yīng)的氣象資料為依托，通過時(shí)頻變換、相關(guān)性、統(tǒng)計(jì)特性分析等研究海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)的時(shí)間變化特性以及風(fēng)速、降雨等因素對(duì)海洋環(huán)境噪聲的影響。

1　資料處理方法

1.1海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)

海洋環(huán)境噪聲級(jí)（NL）是用來衡量環(huán)境噪聲強(qiáng)弱的一個(gè)量。本文將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理得到噪聲譜級(jí)值，分段時(shí)保證FFT的頻率分辨率不大于1 Hz，并對(duì)每段數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理。因?yàn)閷?shí)測(cè)數(shù)據(jù)量充足，在數(shù)據(jù)分段時(shí)并未進(jìn)行重疊處理。多段數(shù)據(jù)之間進(jìn)行功率譜平均后進(jìn)行帶寬歸一化，即可得到該時(shí)間段的1/3倍頻程噪聲譜級(jí)值［1］，具體公式如下：

設(shè)有效噪聲信號(hào)為x（n），將其分為I段，每段長(zhǎng)度為N，設(shè)第i段信號(hào)序列為xi（n），將xi（n）乘以窗函數(shù)w（n），其傅里葉變換為：

式中：i=1，2，……，I；k=0，1，2……，N-1。

則第i段修正（加窗）周期圖為：

則x（n）的功率譜估值P（k）為上述I個(gè)修正周期圖的線性平均：

式中：k=0，1，2，……，N-1。

1/3倍頻程噪聲譜級(jí)值如式（4）所示：

式中：NL（fi）為1/3倍頻程中心頻率fi處的噪聲譜級(jí)值；fh，fl分別為fi的上下限頻率對(duì)應(yīng)的頻率位置；Δf為頻率分辨率；M（fi）為水聽器靈敏度。

1.2相關(guān)理論

兩變量之間的相關(guān)現(xiàn)象一般以相關(guān)系數(shù)來表示，基本公式如式（5）：

1.3統(tǒng)計(jì)理論

許多統(tǒng)計(jì)理論是建立在正態(tài)分布的基礎(chǔ)上，一般來說，資料達(dá)到一定的數(shù)量，會(huì)呈現(xiàn)正態(tài)分布。正態(tài)分布的指數(shù)方程式如式（6）所示：

式中：x為實(shí)測(cè)噪聲譜級(jí)值；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；μ為期望值。

2　資料來源及處理流程圖

本文中使用的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)來源于海洋環(huán)境噪聲測(cè)量潛標(biāo)系統(tǒng)在某海域進(jìn)行的94 d的連續(xù)測(cè)量。風(fēng)速、降雨資料來源于美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）再分析資料，空間分辨率為1°×1°。

本文資料分析流程如圖1所示。

圖1　資料分析流程圖

3　數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

3.1風(fēng)速對(duì)環(huán)境噪聲譜級(jí)的影響

海面粗糙度是高頻段自然噪聲的噪聲源，與風(fēng)速有關(guān)［2］。風(fēng)造成的氣泡、空化以及海面激勵(lì)所產(chǎn)生的浪花會(huì)產(chǎn)生噪聲影響高頻段。如果能準(zhǔn)確給出海洋環(huán)境噪聲級(jí)與風(fēng)速的關(guān)系，可以通過海洋環(huán)境噪聲的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來反演海面風(fēng)速。1948年Knudson等［3］整理了第二次世界大戰(zhàn)期間海洋環(huán)境噪聲的海上測(cè)量數(shù)據(jù)，獲得以海況或者風(fēng)力為參數(shù)的著名的Knudson譜，此后發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速與海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)的相關(guān)性比海況的相關(guān)性更好。1964年P(guān)iggott［4］指出，在淺海（水深40 m以內(nèi)）噪聲譜級(jí)與風(fēng)速的對(duì)數(shù)呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，1972年Crouch和Bur［5］將此結(jié)果推廣到5 000 m深海。

3.1.1噪聲譜級(jí)與風(fēng)速時(shí)頻及相關(guān)分析 本文將潛標(biāo)系統(tǒng)得到的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、剔除異常值后做時(shí)頻分析，得到風(fēng)速與海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)的時(shí)間變化圖2所示。

圖2　94 d風(fēng)速與海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)時(shí)間變化圖

由圖2可以看出，在頻率較高即500 Hz以上時(shí)，譜級(jí)值與風(fēng)速的相關(guān)性較好，頻率較低即時(shí)500 Hz以下時(shí)相關(guān)性較差，說明風(fēng)速與高頻相關(guān)程度高。

仔細(xì)觀察風(fēng)速變化，發(fā)現(xiàn)在6月22日出現(xiàn)高峰值，著重分析6月17日00:00至6月30日23:00共14 d數(shù)據(jù)，得到其風(fēng)速與海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)的時(shí)間變化如圖3所示。

圖3　14 d風(fēng)速與海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)時(shí)間變化圖

由圖3可以看出，海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值的低頻段與風(fēng)速的變化趨勢(shì)不太相似，主要是因?yàn)榈皖l段主要噪聲源為遠(yuǎn)處航船噪聲，風(fēng)速的影響較小，出現(xiàn)的峰值也是由于航船引起的；而高頻處在6月22日出現(xiàn)高峰，升高了近20 dB，此時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速高達(dá)15 m/s。

為定量分析風(fēng)速對(duì)噪聲譜級(jí)值的影響程度，圖4給出了譜級(jí)與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)曲線：

圖4　海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)

由圖4可以看出，500 Hz以下的頻段譜級(jí)值與風(fēng)速的相關(guān)性較低，低于0.45，分析原因是該頻段遠(yuǎn)處船舶噪聲占主要因素；500 Hz以上高頻段相關(guān)性較高，高于0.45，分析原因是該頻段風(fēng)關(guān)噪聲占主要因素。

3.1.2噪聲譜級(jí)的統(tǒng)計(jì)特性分析由于海洋環(huán)境噪聲是隨機(jī)的，本文對(duì)94 d的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特性分析得到風(fēng)關(guān)海洋噪聲級(jí)的統(tǒng)計(jì)特性。

50 Hz，100 Hz，1 000 Hz，8 000 Hz四個(gè)中心頻點(diǎn)的概率分布如圖5所示。

圖5　50 Hz，100 Hz，1 000 Hz，8 000 Hz頻譜值概率分布圖

由圖5可以明顯看出，海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)在1 kHz以上大致符合正態(tài)分布，因?yàn)檫@一頻段的海洋環(huán)境噪聲主要是由海面風(fēng)引起的，測(cè)量時(shí)間跨度長(zhǎng)，所產(chǎn)生的噪聲接近于正態(tài)分布，此次海試結(jié)果與文獻(xiàn)［6］的結(jié)果類似。在1 kHz以下頻段為非正態(tài)分布，原因是航船噪聲是該頻段的主要噪聲源，其時(shí)空特性變化決定了非正態(tài)分布的特性。

3.2降雨對(duì)環(huán)境噪聲譜級(jí)的影響

當(dāng)海面受到雨滴拍打，甚至產(chǎn)生氣泡時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生降雨噪聲，使海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)發(fā)生變化，其強(qiáng)度有時(shí)比風(fēng)關(guān)噪聲大得多，是影響海洋環(huán)境背景噪聲級(jí)的一個(gè)重要干擾源，會(huì)極大降低聲納的檢測(cè)能力，影響水聲通信的應(yīng)用頻段和降低水聲設(shè)備的性能。不同的降雨強(qiáng)度產(chǎn)生的雨噪聲具有獨(dú)特的譜形狀。軍事上，海面降雨產(chǎn)生的高強(qiáng)度寬頻帶的雨聲能夠降低聲納的檢測(cè)能力。

此次海試時(shí)間跨度較長(zhǎng)，降雨信息十分豐富，故分析結(jié)果有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。本文統(tǒng)計(jì)該次海試不同降雨情況下的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值，得到降雨與噪聲譜級(jí)之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6　降雨與噪聲譜級(jí)之間的關(guān)系

由圖6（a）可以看出，在500 Hz以下的低頻段降雨影響程度不大，原因?yàn)樵摰皖l段船舶噪聲占主要因素；500 Hz以上高頻段不同的降雨影響程度變化較大；陣雨比晴朗時(shí)高10 dB左右，中雨比陣雨高5 dB左右，暴雨時(shí)噪聲譜近于“白噪聲”，比晴朗時(shí)高出約25 dB。此次分析結(jié)果與Heindsman等人在長(zhǎng)島海峽觀測(cè)到的降雨自然噪聲譜結(jié)果（如圖6（b）所示）大致符合，譜線形狀較相似。

建立降雨強(qiáng)度與噪聲譜級(jí)之間的定量關(guān)系，不僅有助于掌握海洋環(huán)境噪聲源的相關(guān)知識(shí)，而且有利于實(shí)現(xiàn)利用海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)的變化反演海上降雨的技術(shù)。

4　結(jié)論

本文通過對(duì)94 d連續(xù)海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)值及風(fēng)速、降雨等自然現(xiàn)象的時(shí)頻變換及相關(guān)性、統(tǒng)計(jì)特性分析得到以下結(jié)論：

（1）海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)與風(fēng)速變化在500 Hz以上高頻段相關(guān)性較高，500 Hz以下低頻段相關(guān)性較低，同時(shí)1 kHz以上譜級(jí)值分布大致呈正態(tài)分布，1 kHz以下非正態(tài)分布。原因分析是高頻段風(fēng)生噪聲占主要因素，低頻段船舶噪聲占主要因素；

（2）降雨主要影響噪聲頻段為500 Hz以上。暴雨時(shí)噪聲譜近于“白噪聲”，比晴朗時(shí)高出約25 dB。

在本文的研究基礎(chǔ)之上可以進(jìn)一步把噪聲信號(hào)當(dāng)作有用的信號(hào)進(jìn)行寬頻帶和時(shí)間特性加以分析利用，從而實(shí)現(xiàn)海況和降雨級(jí)別等海洋中氣象參數(shù)的反演，這將對(duì)海洋開發(fā)、天氣預(yù)報(bào)、海洋氣候?qū)W研究及國(guó)防軍事起到重要的作用。

［1］徐功慧，陳鴻志，王二慶，等.海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法［J］.海洋技術(shù)，2011，30（2）：70-71.

［2］劉伯勝，雷家煜.水聲學(xué)原理［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.

［3］Knudsen VO，Alford R S，EmlingJ W.Underwater Ambient Noise［J］.Journal ofMarine Research，1948，7:410-429.

［4］PiggottCL.AmbietSeaNoiseatLowFrequenciesin ShallowWateroftheScotian Shelfs［J］.Journalofthe AcousticalSocietyofAmerica，1964，36（11）:2152-2163.

［5］Crouch W W，Burt P J.The Logarithmic Dependence of Surface-Generated Ambient-Sea-Noise Spectrum Level on Wind Speed［J］.Journal ofthe Acoustical SocietyofAmerica（Part 2），1972，51（3）:1066-1072.

［6］Hsiang-Chih C，Chi-Fang C，Ruey-Chang W.Analysis of the Significantly Statistical Duration to Clarify the Uncertainty of Ambient Noises Due toEnvironmental Changes［C］//OCEANS2008 MTS/IEEE Kobe Techno-Ocean，2008：1-5.

Analysis on the Characteristics of Measured Ocean Ambient Noise Spectrum

WEI Yong-xing，YU Jin-hua，LI Qi，ZHOU Ying，CHANG Zhe，NIU Zhi-hua，GAO Chao
National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China

Through 94 d ocean ambient noise data and corresponding meteorological data collected from a submersible buoy system，joint time-frequency，correlation and statistical analyses are conducted to derive the relations between the noise spectrum and natural phenomena such as wind speed and rainfall.The analysis results show a lower correlation between noise spectrum and wind speed change in the lower frequency band and a higher correlation in the upper frequency bands.The distribution of noise spectrum level is close to the normal distribution above 1 kHz frequency and the effects of rainfall on ambient noise spectrum mainly appear in the band above 500 Hz.

ocean ambient noise；wind speed；correlation；statistical analysis；rainfall

TB566

A

1003-2029（2016）03-0036-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.007

2015-07-11

國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（201005004）

魏永星（1987-），女，助理工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理與研究。E-mail：weiyongxing1987@163.com