東中國海夏季海洋環(huán)境噪聲特性分析

李 娜，林建恒，胡 濤，江鵬飛，孫軍平，衣雪娟，單元春,3

（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)院水聲環(huán)境特性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

海洋環(huán)境噪聲是海洋的駐留聲場，一方面它攜帶了許多海洋環(huán)境信息，如水文特性、海底底質(zhì)特性以及風(fēng)速、海況等信息，利用環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)可以快速有效地反演海洋環(huán)境參數(shù)[1-3]；另一方面海洋環(huán)境噪聲作為目標(biāo)檢測的主要背景干擾之一[4]，直接影響聲吶系統(tǒng)的正常工作，限制被動聲吶設(shè)備性能的發(fā)揮。Knudson 等[5]和Wenz[6]根據(jù)大量實(shí)測數(shù)據(jù)細(xì)致地描述了 20 世紀(jì)相關(guān)海域海洋環(huán)境噪聲的源特性和譜特性，得到了經(jīng)典的環(huán)境噪聲譜曲線，不同的噪聲源產(chǎn)生的噪聲譜曲線斜率不同。

通常情況下，20～500 Hz 頻率范圍內(nèi)的主要噪聲源為遠(yuǎn)處的航船噪聲，而500 Hz～20 kHz 頻段內(nèi)的常見噪聲源為風(fēng)生噪聲。關(guān)于航船噪聲源，JIANG 等[7]分析了近年來我國黃海海域的商船輻射噪聲特性，建立了現(xiàn)代商船輻射噪聲的源級模型，提高了低頻海洋環(huán)境噪聲的預(yù)測精度。彭子龍[8]根據(jù)舟山群島測得的大量非合作船信號，基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律建立了航船聲源級模型，在200 Hz 以下頻段，改進(jìn)了RANDI-3 模型。關(guān)于風(fēng)關(guān)噪聲源，林建恒等[9]在分段反演風(fēng)速方法的基礎(chǔ)上，考慮海域和水聲傳播條件的影響，提出了一種海洋環(huán)境噪聲估計(jì)風(fēng)速的修正方法，該方法具有較好的魯棒性。蔣東閣[10]基于南海深水海域三次海洋環(huán)境噪聲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了射線理論風(fēng)生噪聲模型，并修正了Harrison 的源級公式。孫磊等[11]通過分析南海某海域的環(huán)境噪聲實(shí)測數(shù)據(jù)，定量研究各頻率點(diǎn)的風(fēng)關(guān)特性，得出1 kHz 頻率點(diǎn)附近海洋環(huán)境噪聲級受海洋面風(fēng)影響最為明顯。近年來，海洋環(huán)境噪聲的統(tǒng)計(jì)特性也是研究的重要方向之一，文獻(xiàn)[12-14]從概率分布、方差與標(biāo)準(zhǔn)差、偏度與峰度等角度對不同海域?qū)崪y海洋環(huán)境噪聲譜級的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了分析。

本文基于我國東海某海域夏季海洋環(huán)境噪聲實(shí)測數(shù)據(jù)，分別從其時頻特性、噪聲級的概率分布情況以及風(fēng)關(guān)特性三個方面進(jìn)行分析，給出了夏季東海海洋環(huán)境噪聲的相關(guān)特性。

1 海洋環(huán)境噪聲試驗(yàn)情況簡介

試驗(yàn)地點(diǎn)位于我國東海某海域，海深約325 m，測量設(shè)備為32 元等間距水聽器垂直陣，布放深度為74～263 m，海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)的采集時長為10 d，采樣頻率為17.067 kHz。圖1 是試驗(yàn)期間利用溫鹽深儀（Conductance Temperature Depth,CTD）測得的聲速剖面，由于夏季海洋表面受日照的影響，形成負(fù)聲速梯度剖面。圖2 是試驗(yàn)期間的風(fēng)速 概率分布柱狀圖，數(shù)據(jù)源自美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP），風(fēng)速的時間采樣間隔為6 h。

圖1 實(shí)驗(yàn)海域聲速剖面圖 Fig.1 Sound speed profile in the experimental waters

圖2 實(shí)驗(yàn)期間風(fēng)速的概率分布 Fig.2 Probability distribution of wind speed during the experiment

2 海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)處理

2.1 海洋環(huán)境噪聲譜級

將實(shí)測的有效海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)分成L段，每一段用xl（n），l=1,2,…,L表示，則環(huán)境噪聲的譜級可表示為

其中：

式中：Xlj′為離散信號xl（n）的傅里葉變換譜，j為頻譜中的譜線索引，N為傅里葉變換點(diǎn)數(shù)，fs為采樣頻率，分別為窄帶信號的下限頻率fL與上限頻率fH對應(yīng)的頻率索引，Mv和D分別為水聽器的靈敏度和放大倍數(shù)。

圖3 是測量得到的海洋環(huán)境噪聲時間-頻率圖，分析頻段為20～5 000 Hz。從圖3 中可以看出，試 驗(yàn)期間，該海域100 Hz 以下頻段的海洋環(huán)境噪聲級約為110 dB。在100 Hz 以下頻段，海洋環(huán)境的噪聲級較高，隨著頻率的增加，噪聲級逐漸減小。

圖3 海洋環(huán)境噪聲時頻圖 Fig.3 Time-frequency diagram of ocean ambient noise

2.2 海洋環(huán)境噪聲譜級統(tǒng)計(jì)特性

由Wenz 曲線可知，海洋環(huán)境噪聲包含多種聲源，聲源的隨機(jī)性和不確定性導(dǎo)致海洋環(huán)境噪聲的變化呈現(xiàn)隨機(jī)性的特點(diǎn)。下面從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的角度，分析海洋環(huán)境噪聲級在不同頻段的概率分布情況。

卡方（χ2）分布是數(shù)理統(tǒng)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛的概率分布之一。n個獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量的平方和服從卡方分布，其概率密度函數(shù)為

正態(tài)分布的概率密度函數(shù)為

式中：μ和σ分別表示隨機(jī)變量x的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

選取某日7：00～18：00 時間段內(nèi)采集得到的海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行分析，由于風(fēng)速的采樣間隔較長，該分析時段對應(yīng)的風(fēng)速分別為5.27 和5.29 m·s-1。圖4 是不同頻率（100 Hz、300 Hz、1 kHz、3 kHz）時，海洋環(huán)境噪聲級的統(tǒng)計(jì)特性，其中柱狀圖是實(shí)測的海洋環(huán)境噪聲級的概率分布圖，紅色曲線是與 之相應(yīng)的概率分布擬合曲線。頻率為100 和300 Hz的海洋環(huán)境噪聲級概率分布接近于χ2分布，自由度分別為8 和6，而頻率為1 kHz 和3 kHz 的海洋環(huán)境噪聲級更接近于正態(tài)分布。這是由于在低頻時，遠(yuǎn)處的航船噪聲是環(huán)境噪聲的主要聲源，其隨機(jī)性和不均勻性導(dǎo)致海洋環(huán)境噪聲級呈現(xiàn)非正態(tài)分布的特性；而在高頻時，風(fēng)關(guān)噪聲是主要的噪聲源，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的風(fēng)速變化較小，故環(huán)境噪聲級呈現(xiàn)穩(wěn)定的正態(tài)分布特性。

圖4 不同頻率的海洋環(huán)境噪聲級概率分布 Fig.4 Probability distributions of ocean ambient noise levels at different frequencies

圖5（a）～5（d）分別比較了實(shí)驗(yàn)期間海洋環(huán)境噪聲級在不同頻率、不同風(fēng)速下的概率分布特性。觀察圖 5（a）、5（b），可以看出風(fēng)速變化對 100 和300 Hz 的海洋環(huán)境噪聲級的概率分布影響較小，而隨著風(fēng)速變大、海況變差（如圖 5（c）、5（d）所示），1 kHz 和3 kHz 海洋環(huán)境噪聲級概率分布的期望增大，方差也有所增加，分析其原因，一方面可能是由于風(fēng)速數(shù)據(jù)的采樣間隔較長，時間分辨率較低，一段時間內(nèi)瞬時風(fēng)速變化較大，風(fēng)速增加風(fēng)生噪聲的強(qiáng)度也隨之增加，背景噪聲級的期望變高，導(dǎo)致海洋環(huán)境噪聲級起伏較大；另一方面，考慮到海浪的各態(tài)歷經(jīng)性，方差增大，符合風(fēng)作用下風(fēng)浪生成階段的海浪譜特征。

圖5 不同海況下不同頻率的海洋環(huán)境噪聲級概率分布 Fig.5 Probability distributions of ocean ambient noise levels at different frequencies in different sea conditions

2.3 海洋環(huán)境噪聲風(fēng)關(guān)特性

根據(jù)皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式，海面風(fēng)速和海洋環(huán)境噪聲級的互相關(guān)系數(shù)可以表示為

式中：xi、yi分別表示海洋環(huán)境噪聲級和相應(yīng)的風(fēng)速對數(shù)，分別表示環(huán)境噪聲級和風(fēng)速對數(shù)的時間平均，其中，風(fēng)速對數(shù)的表達(dá)式為lgV，V表示風(fēng)速。

圖6 是不同風(fēng)速下的海洋環(huán)境噪聲1/3 倍頻程平均功率譜，在20～320 Hz 頻段內(nèi)，環(huán)境噪聲譜級與風(fēng)速的變化無明顯關(guān)系；在320 Hz 以上頻段，環(huán)境噪聲譜級隨風(fēng)速增加而增大。圖7 是計(jì)算得到的海洋環(huán)境噪聲譜級與風(fēng)速對數(shù)的相關(guān)系數(shù)。在20～320 Hz 頻段，相關(guān)系數(shù)小于0.4，該頻段內(nèi)主要噪聲源為航船噪聲，海洋環(huán)境噪聲譜級與風(fēng)速對數(shù)呈弱相關(guān)；在400～1 000 Hz 頻段內(nèi)，相關(guān)系數(shù)逐漸增大，表明海面風(fēng)速的變化對海洋環(huán)境噪聲級的影響逐漸增大；在1 000 Hz 以上時，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6 以上，海洋環(huán)境噪聲譜級與風(fēng)速對數(shù)呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性。

圖6 不同風(fēng)速下的海洋環(huán)境噪聲1/3 倍頻程平均功率譜 Fig.6 One third octave average power spectrums of ocean ambient noise at different wind speeds

圖7 不同頻率的海洋環(huán)境噪聲級與風(fēng)速對數(shù)的相關(guān)系數(shù) Fig.7 Correlation coefficients between the logarithm of wind speed and the ocean ambient noise level at different frequencies

圖8（a）～8（b）比較了不同風(fēng)速、不同頻率時海洋環(huán)境噪聲譜級隨深度的變化。結(jié)果表明，風(fēng)速越 大，風(fēng)關(guān)噪聲的譜級越大，且譜級幾乎不隨深度的變化而變化，基本均勻分布在整個水體層中（海面和海底的噪聲譜級未進(jìn)行觀測）。對比圖8（a）、8（b）發(fā)現(xiàn)，頻率20 Hz 和40 Hz 對應(yīng)的噪聲譜級隨深度的變化而變得雜亂無章，且20 Hz 處的噪聲譜級均大于40 Hz 處的譜級。分析其原因，低頻部分噪聲可能來自航船聲源的遠(yuǎn)距離傳播信號，其譜級垂向復(fù)雜度可能與低階簡正波疊加有關(guān)。根據(jù)Wenz 曲線分析，20～50 Hz 的海洋環(huán)境噪聲不僅包含航船噪聲，還包括地震擾動噪聲、爆炸聲以及海洋潮汐、湍流噪聲，頻率越接近 50 Hz，遠(yuǎn)處航船噪聲對相應(yīng)頻段的噪聲影響越大，從兩圖中可見低于40 Hz的環(huán)境噪聲譜級隨深度的變化規(guī)律與高頻不同，這可能源自海洋潮汐、湍流的影響，有待進(jìn)一步研究。

圖8 不同風(fēng)速時海洋環(huán)境噪聲譜級垂直分布 Fig.8 Vertical distributions of ocean ambient noise spectrum levels at different wind speeds

3 結(jié)論

本文基于實(shí)測的東中國海夏季某海域海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，分別從時頻圖特性、噪聲級統(tǒng)計(jì)特性和風(fēng)關(guān)特性三個方面進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

（1）100 Hz 以下頻段的海洋環(huán)境噪聲級約為110 dB，隨著頻率的增加，噪聲級逐漸減小。

（2）海洋環(huán)境噪聲級在100 和300 Hz 的低頻段服從自由度為6～8 的χ2分布，在1 000 Hz 和3 000 Hz 高頻段服從正態(tài)分布。不同海況對低頻段的環(huán)境噪聲級概率分布幾乎無影響，對高頻段噪聲級的正態(tài)分布的均值和方差會產(chǎn)生一定的影響；

（3）在20～320 Hz 頻段內(nèi)，海洋環(huán)境噪聲級與風(fēng)速呈現(xiàn)弱相關(guān)，隨著頻率的增加，相關(guān)系數(shù)逐漸增大，在1 000 Hz 以上相關(guān)系數(shù)為0.6～0.7。在不同頻率時，高頻段的風(fēng)關(guān)噪聲的譜級基本不隨深度變化。40 Hz 以下的譜級隨深度變得雜亂，這可能源自海洋潮汐、湍流噪聲以及遠(yuǎn)處航船噪聲低階簡正波疊加的影響，有待進(jìn)一步的分析研究。