蔣東閣， 林建恒， 孫軍平， 江鵬飛， 衣雪娟， 馬 力， 蔣國健

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所北海研究站，山東 青島 266023；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院水聲環(huán)境特性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

淺海環(huán)境噪聲時(shí)間平穩(wěn)性與起伏特性實(shí)測分析*

蔣東閣1，2， 林建恒1，3， 孫軍平1， 江鵬飛1， 衣雪娟1， 馬 力3， 蔣國健1

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所北海研究站，山東 青島 266023；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院水聲環(huán)境特性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

海洋環(huán)境噪聲具有時(shí)域非平穩(wěn)和幅度起伏的特性。對于淺海海洋環(huán)境噪聲的時(shí)間平穩(wěn)性與起伏特性的研究，能夠揭示淺海海洋環(huán)境噪聲在時(shí)間尺度上的特性，為岸基與淺海聲吶的設(shè)計(jì)、使用以及近岸安保提供技術(shù)支持。本文對實(shí)測的淺海海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行時(shí)間平穩(wěn)性與起伏特性分析，通過計(jì)算瞬時(shí)功率譜起伏率的概率分布，選取適當(dāng)判別門限來確定環(huán)境噪聲的平穩(wěn)時(shí)間，得到淺海環(huán)境噪聲平穩(wěn)時(shí)間在3～5min內(nèi)，并且不同頻率的平穩(wěn)時(shí)間不同；淺海環(huán)境噪聲低頻段與高頻段在不同時(shí)間尺度上的起伏特性不同。本文還討論了海況、季節(jié)和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)對淺海環(huán)境噪聲平穩(wěn)性的影響，分析表明噪聲源的變化是引起淺海環(huán)境噪聲場平穩(wěn)性變化的主要原因。

時(shí)間平穩(wěn)性；起伏特性；平穩(wěn)時(shí)間；瞬時(shí)功率譜起伏率

海洋聲信號(hào)的起伏是基本的水聲現(xiàn)象之一[1]。由于聲源特性、多途干涉、海面波浪以及溫度微結(jié)構(gòu)等原因[2-3], 接收到的聲信號(hào)總是起伏的[4-7]。實(shí)際接收的海洋環(huán)境噪聲是緩慢時(shí)變[1]、非平穩(wěn)的，但它可以看做是分段平穩(wěn)信號(hào)。分析這類信號(hào)需要解決的主要問題是分段時(shí)間的確定。

對于淺海海洋環(huán)境噪聲的時(shí)間平穩(wěn)性與起伏特性的研究，不僅能夠揭示淺海海洋環(huán)境噪聲在時(shí)間尺度上的特性，也為后續(xù)信號(hào)處理提供平穩(wěn)性處理依據(jù)，為岸基聲吶的設(shè)計(jì)、使用以及近岸安保等提供相關(guān)背景噪聲參數(shù)。

Huang N E[10]等提出基于Hilbert時(shí)頻譜的平穩(wěn)度概念來研究信號(hào)的平穩(wěn)性，此方法處理海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，運(yùn)算復(fù)雜；Theiler[11]通過構(gòu)造平穩(wěn)的替代數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)平穩(wěn)性檢測，而對于海洋環(huán)境噪聲構(gòu)造替代數(shù)據(jù)有些不切實(shí)際；本文通過計(jì)算不同時(shí)間段的瞬時(shí)功率譜起伏率的概率分布，與適當(dāng)門限進(jìn)行比較來確定信號(hào)的平穩(wěn)時(shí)間，并分析海洋環(huán)境噪聲在不同時(shí)間尺度上的起伏特性，討論海況、季節(jié)和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)對淺海環(huán)境噪聲平穩(wěn)性的影響。

1 海洋環(huán)境噪聲時(shí)頻譜

基于快速傅立葉變換的譜分析是處理海洋環(huán)境噪聲的傳統(tǒng)方法，但此方法假定處理的信號(hào)是平穩(wěn)的。而海洋環(huán)境噪聲是非平穩(wěn)的，特別在淺海，由于復(fù)雜的傳播環(huán)境以及噪聲源的隨機(jī)特性，淺海環(huán)境噪聲的平穩(wěn)性分析更加復(fù)雜。對于非平穩(wěn)或非線性的信號(hào)，人們發(fā)展了信號(hào)的時(shí)頻分析法[8-9]。時(shí)頻分析是在非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)時(shí)變的功率譜基礎(chǔ)上引入時(shí)間軸，用以表達(dá)信號(hào)的功率譜隨時(shí)間的變化情況[12]。

本文時(shí)頻分析方法采用短時(shí)傅里葉變換，基本原理如下：

(1)

式中:z(u)為信號(hào)；g(u-t)為移動(dòng)量為t的窗函數(shù)；Sz(t,f)為時(shí)頻譜。

常見的海洋環(huán)境噪聲時(shí)頻譜如圖1所示，圖2顯示在有航船靠近時(shí)時(shí)頻譜圖產(chǎn)生的明顯的干涉現(xiàn)象。

海洋環(huán)境噪聲時(shí)頻譜能夠很好地反應(yīng)海洋環(huán)境噪聲在時(shí)域與頻域的特點(diǎn)，能夠反應(yīng)在特定時(shí)間、特定作用頻段內(nèi)干擾的情況，本文基于環(huán)境噪聲的時(shí)頻譜分析環(huán)境噪聲的平穩(wěn)性。

2 時(shí)頻譜平穩(wěn)性檢測基本原理

信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)與功率譜互為傅里葉變換，所以平穩(wěn)性可以體現(xiàn)在功率譜隨時(shí)間的波動(dòng)上。平穩(wěn)信號(hào)的功率譜不隨時(shí)間變化，非平穩(wěn)信號(hào)的功率譜會(huì)隨時(shí)間改變。因此，比較不同時(shí)間點(diǎn)上功率譜的相似程度[12]可以判斷信號(hào)的平穩(wěn)性，得到平穩(wěn)時(shí)間。另外，不同頻率環(huán)境噪聲的平穩(wěn)性不同[10]，某些頻率分量可能是非平穩(wěn)的，同時(shí)另一些頻率分量可能是平穩(wěn)的。

圖1 典型海洋環(huán)境噪聲時(shí)頻譜圖

圖2 有航船經(jīng)過時(shí)噪聲時(shí)頻譜圖

(2)

式中：符號(hào)“<>”表示取平均；κ(·)此處表示差值；n=1,2,…,N，N為T0時(shí)間內(nèi)Sz(tn,f)的個(gè)數(shù)。

時(shí)段內(nèi)瞬時(shí)功率譜與時(shí)段功率譜均值之間的差值和時(shí)段功率譜均值之比為：

(3)

3 實(shí)驗(yàn)描述與數(shù)據(jù)處理

3.1 實(shí)驗(yàn)描述

實(shí)驗(yàn)選定在中國某淺海海域的2個(gè)不同實(shí)驗(yàn)點(diǎn)(相踞約20海里)。兩試驗(yàn)點(diǎn)海深均為23 m，海底底質(zhì)為泥沙。時(shí)間從5～12月份，采用坐底式水聽器，每月進(jìn)行一次連續(xù)海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)采集，采集時(shí)間為8 h。

3.2 平穩(wěn)性分析

選取6月份實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)性分析,短時(shí)傅里葉分析窗函數(shù)為1 s，以60 s步長依次增大分析數(shù)據(jù)長度，并取門限γ=0.1 ，得到1/3倍頻程頻率不同時(shí)間段內(nèi)瞬時(shí)功率譜起伏率<0.1的概率，如表1所示。其中T的單位是分鐘(min)，f的單位是赫茲(Hz)。表中灰色底紋對應(yīng)T為相應(yīng)f的平穩(wěn)時(shí)間。

續(xù)表1

從表1中發(fā)現(xiàn)不同頻率的平穩(wěn)時(shí)間不同，且同一頻率計(jì)算的平穩(wěn)時(shí)間的概率較其他時(shí)間段的概率差別不大(同一頻率中，表中灰色底紋概率與沒有底紋的概率相差不大)，具有很大的隨機(jī)性，需要進(jìn)行多次統(tǒng)計(jì)平均處理。

圖3中兩幅圖分別為單頻點(diǎn)瞬時(shí)功率譜起伏率的概率分布圖。從圖3中，可以更加明顯的說明平穩(wěn)時(shí)間選取的依據(jù)。圖中3條曲線代表3個(gè)不同時(shí)間的瞬時(shí)功率譜起伏率的概率密度，當(dāng)門限選擇0.1時(shí)，圖中代表T=3 min的曲線與門限圍成的面積最大，也就是T=3 min時(shí)，瞬時(shí)功率譜起伏率<0.1的概率最大，T=3 min為對應(yīng)頻率的平穩(wěn)時(shí)間。

選取590段不同時(shí)間起點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均計(jì)算，得到6月份淺海環(huán)境噪聲平穩(wěn)時(shí)間最終值，詳見圖4所示。

從圖4可以看出，6月份淺海環(huán)境噪聲平穩(wěn)時(shí)間在3～5 min之內(nèi)。除個(gè)別頻點(diǎn)外，低頻段(500Hz以下)平穩(wěn)時(shí)間約在3～4 min，較高頻段(500Hz以上)平穩(wěn)時(shí)間在3.5min以上，可見與低頻段相比，較高頻段平穩(wěn)時(shí)間較長，分析原因?yàn)椋瑢?shí)驗(yàn)時(shí)海況較好，實(shí)驗(yàn)海域存在漁船作業(yè)，風(fēng)關(guān)噪聲作用頻段較航船噪聲作用頻段穩(wěn)定。

圖3 25和12.5kHz平穩(wěn)性分析

圖4 1/3倍頻程頻點(diǎn)平穩(wěn)時(shí)間

3.3 起伏特性分析

結(jié)合上述計(jì)算的平穩(wěn)時(shí)間，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于起伏特性進(jìn)行分析，我們從平穩(wěn)時(shí)間內(nèi)和平穩(wěn)時(shí)間外2個(gè)時(shí)間尺度來進(jìn)行考慮。

3.3.1 平穩(wěn)時(shí)間內(nèi)起伏 從表1中可以明顯看出，在低頻段(630Hz以下)起伏率小于0.1的概率大于0.75，表明瞬時(shí)功率譜起伏率波動(dòng)較??；較高頻段(大于630Hz)，起伏率小于0.1的概率絕大部分小于0.65，可知，在平穩(wěn)時(shí)間內(nèi)較高頻段幅度起伏比低頻段大。

3.3.2 平穩(wěn)時(shí)間外時(shí)段起伏 根據(jù)圖4計(jì)算不同頻率平穩(wěn)時(shí)間，并對6月份數(shù)據(jù)分頻率根據(jù)不同平穩(wěn)時(shí)間進(jìn)行分段處理，得到不同頻率噪聲譜級隨不同平穩(wěn)時(shí)間變化的起伏特性，如圖5所示。從圖中可以看出低頻段(800Hz以下)幅度起伏較大，約5dB，而較高頻段(大于800Hz)幅度起伏較低約2dB。得到，在平穩(wěn)時(shí)間以外時(shí)段，較高頻段幅度起伏比低頻段小。

圖5 不同頻率海洋環(huán)境噪聲起伏特性

3.4 海況，季節(jié)，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)對平穩(wěn)性影響

海洋環(huán)境噪聲的時(shí)間平穩(wěn)性較大程度因不同海區(qū)而異，也可能受測量季節(jié)、實(shí)驗(yàn)海況的影響。本文分析實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)對平穩(wěn)性有影響的3個(gè)因素(海況，季節(jié)與實(shí)驗(yàn)地點(diǎn))，從7個(gè)月份實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中找出各因素所占最大貢獻(xiàn)的數(shù)據(jù)段，分析其對平穩(wěn)性的影響，分析結(jié)果如圖6所示。圖6a給出不同海況的對比，虛線表示海況較好(0～1級海況)，實(shí)線表示海況較差(4～5級海況)；圖6b給出不同實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的對比，虛線與實(shí)線表示相距20海里的兩實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)；圖6c給出不同季節(jié)的對比，虛線表示6月份，實(shí)線表示11月份。分析頻率范圍為10～10kHz。

(a. 海況對平穩(wěn)時(shí)間的影響;b. 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)對平穩(wěn)時(shí)間的影響;c.季節(jié)對平穩(wěn)時(shí)間的影響。a. Effect of sea conditions on stationary time; b. Effect of experimental sites on stationary time; c. Effect of seasons on stationary time.)

圖6 季節(jié)，海況，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)對平穩(wěn)時(shí)間的影響

Fig.6 Effect of seasons, sea conditions and experimental sites on stationary time

從圖6中可以看到，當(dāng)海況變差時(shí)，分析頻率范圍內(nèi)平穩(wěn)時(shí)間減小約半分鐘；而對于相差20海里的2個(gè)不同觀測地點(diǎn)，600Hz以上頻段，平穩(wěn)時(shí)間較為一致，而在600Hz以下部分頻段，平穩(wěn)時(shí)間相差約1 min，分析原因?yàn)閷?shí)線代表地點(diǎn)較靠近航道，受到航船噪聲影響。因?yàn)閮傻攸c(diǎn)距離并非相當(dāng)大，所以，分析出來的結(jié)果雖不能說明不同海區(qū)對平穩(wěn)性的影響有多大，但可以很好佐證在該實(shí)驗(yàn)海域，平穩(wěn)時(shí)間的確在3～5 min；分析不同季節(jié)的影響，發(fā)現(xiàn)冬季的環(huán)境噪聲平穩(wěn)時(shí)間明顯小于夏季環(huán)境噪聲平穩(wěn)時(shí)間，分析主要原因在于夏季禁漁期，導(dǎo)致淺海漁船較少，而從9月份開海以后，海面存在大量漁船作業(yè)?？蓞⒁妶D7所示。分析知道，相較于夏冬季節(jié)變化的海洋傳播特性，航船的干擾對于平穩(wěn)性的影響更顯著。

圖7 不同月份環(huán)境噪聲譜級變化

4 結(jié)論

本文通過計(jì)算瞬時(shí)功率譜起伏率的概率分布來分析平穩(wěn)性，計(jì)算簡單、快捷。通過對淺海海洋環(huán)境噪聲平穩(wěn)性的處理，計(jì)算平穩(wěn)時(shí)間，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行不同時(shí)間尺度處理，得到不同頻率的譜級起伏特性；并考慮海況、季節(jié)以及實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)對平穩(wěn)性的影響。得出淺海環(huán)境噪聲時(shí)間平穩(wěn)性與起伏特性如下特點(diǎn)：

(1) 淺海環(huán)境噪聲平穩(wěn)時(shí)間約為3～5 min，且較高頻段平穩(wěn)時(shí)間大于低頻段平穩(wěn)時(shí)間；

(2) 在較小的時(shí)間尺度(平穩(wěn)時(shí)間內(nèi))上，低頻段的淺海海洋環(huán)境噪聲幅度起伏小于較高頻段幅度起伏；在較大的時(shí)間尺度上，即在平穩(wěn)時(shí)間以外時(shí)段，低頻段淺海海洋環(huán)境噪聲幅度起伏大于較高頻段幅度起伏；

(3) 海況變差將使淺海環(huán)境噪聲平穩(wěn)時(shí)間減小；

(4) 在淺海，航船干擾是影響環(huán)境噪聲平穩(wěn)性最主要因素。

從平穩(wěn)性的分析上，可以明顯看到，淺海環(huán)境噪聲不同源作用頻段的平穩(wěn)性不同，而且噪聲源的不同是引起平穩(wěn)性變化的主要原因。本文分析給出航船干擾是影響淺海環(huán)境噪聲平穩(wěn)性的最主要因素，但海況對環(huán)境噪聲平穩(wěn)性的影響未做深入分析，將開展進(jìn)一步工作討論。

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責(zé)任編輯 陳呈超

Analysis of Time Stationarity and Fluctuation of Measured Ocean Ambient Noise in Shallow Water

JIANG Dong-Ge1，2, LIN Jian-Heng1，3, SUN Jun-Ping1，2,JIANG Peng-Fei1, YI Xue-Juan1, MA Li3, JIANG Guo-Jian1

(1.Qingdao Lab, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266023, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3.The Key Laboratory of Underwater Acoustic Environment,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190, China)

Ocean ambient noise is non-stationary on time, and fluctuating on amplitude. Studies on time stationarity and fluctuation of ocean ambient noise in shallow water can reveal characteristics of ocean ambient noise in the time scale, and be helpful for the design and use of shore-based sonar and sonar in shallow water, and coastal security. In this paper, the measured ocean ambient noise data in shallow water are analyzed. Probability distribution of the rate of transient power spectrum fluctuation is calculated. Comparing the probability distribution with an appropriate threshold, stationary time about 3-5 minutes of ocean ambient noise in shallow water is determined, and fluctuation between low and high frequency band in different time scale is different. The impacts of the different sea conditions, different seasons and different experimental sites on the conclusions are also discussed. It is shown that a major factor affecting the stationarity of ocean ambient noise in shallow water is the changing of noise sources.

time stationarity; fluctuation; stationary time; rate of transient power spectrum fluctuation

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11174314；11474301；11204345) 資助 Supported by National Natural Science Fundation of China (11174314；11474301；11204345)

2014-09-20；

2015-10-12

蔣東閣(1990-)，男，碩士生。E-mail:jiangdongge@mail.ioa.ac.cn

P734+.2

A

1672-5174(2017)08-140-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20140434

蔣東閣，林建恒，孫軍平, 等. 淺海環(huán)境噪聲時(shí)間平穩(wěn)性與起伏特性實(shí)測分析[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 47(8)：140-144.

JIANG Dong-Ge, LIN Jian-Heng, SUN Jun-Ping, et al. Analysis of time stationarity and fluctuation of measured ocean ambient noise in shallow water[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(8)：140-144.