復(fù)雜海洋環(huán)境艦船水下噪聲特性研究

楊 華 ,瞿 洋 ,胡廣龍

（1.中國(guó)人民解放軍92932 部隊(duì)，廣東 湛江 524000；2.中國(guó)人民解放軍92682 部隊(duì)，廣東 湛江 524000）

艦船水下噪聲特性指的是艦船在水下運(yùn)動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的聲音特性。艦船水下噪聲是指艦船在水中所發(fā)出的聲音信號(hào)，主要包括頻率特性、強(qiáng)度特性、時(shí)域特性以及空間特性等。復(fù)雜海洋環(huán)境下艦船水下噪聲特性的研究具有重要的科學(xué)和實(shí)際意義，它不僅關(guān)乎海洋生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展，還涉及海洋工程建設(shè)的效率和安全。通過深入研究艦船水下噪聲特性，可以更好地理解和控制水下噪聲的產(chǎn)生和傳播機(jī)理，為保護(hù)海洋環(huán)境推進(jìn)海洋工程建設(shè)提供科學(xué)支撐。

1 艦船在復(fù)雜海洋環(huán)境航行的概述

艦船在復(fù)雜海洋環(huán)境中的航行是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。復(fù)雜海洋環(huán)境包括海浪、潮汐、洋流、海冰、淺灘等多種因素，這些因素會(huì)對(duì)艦船的穩(wěn)定性、航行性能和安全性產(chǎn)生影響。在面對(duì)這些復(fù)雜的海洋條件時(shí)，艦船需要采取一系列應(yīng)對(duì)措施，以確保航行的穩(wěn)定和安全[1]。

首先，艦船需要根據(jù)復(fù)雜海洋環(huán)境的實(shí)際情況進(jìn)行路線規(guī)劃和航速調(diào)整。在面對(duì)大浪、強(qiáng)潮汐或者冰區(qū)時(shí)，艦船可以選擇避開風(fēng)浪較大的區(qū)域，或者調(diào)整航速以減緩對(duì)船體的沖擊和壓力。同時(shí)，艦船船員需要密切關(guān)注海洋環(huán)境的變化，及時(shí)更新導(dǎo)航信息，以確保航線的安全和有效[2]。其次，艦船需要配備先進(jìn)的航行設(shè)備和技術(shù)，以提高航行的適應(yīng)性和可靠性。艦船應(yīng)該配備穩(wěn)定性控制系統(tǒng)、動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)等先進(jìn)設(shè)備，以應(yīng)對(duì)不同的海洋條件和航行要求。同時(shí)，艦船船員需要接受專業(yè)的訓(xùn)練，掌握航行技巧和應(yīng)急處理能力，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境中可能出現(xiàn)的突發(fā)情況。

總之，艦船在復(fù)雜海洋環(huán)境中的航行需要充分考慮海洋條件的多樣性和不確定性。通過合理規(guī)劃航線、調(diào)整航速，配備先進(jìn)的航行設(shè)備和培訓(xùn)專業(yè)的船員，艦船可以在復(fù)雜海洋環(huán)境中保持穩(wěn)定航行，確保船員的安全和船體的完整，同時(shí)保障航行任務(wù)的順利完成[3]。

2 復(fù)雜海洋環(huán)境艦船水下噪聲特性分析

2.1 噪聲干擾分析

海洋環(huán)境的多樣性和不確定性使得艦船在航行和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的水下噪聲增加，并對(duì)海洋生物和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的影響[4]。噪聲干擾的分析需要綜合考慮海洋環(huán)境因素和艦船運(yùn)動(dòng)特性，以揭示復(fù)雜海洋環(huán)境中噪聲產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

首先，復(fù)雜海洋環(huán)境中的海浪和強(qiáng)風(fēng)是主要的噪聲源之一。大浪和強(qiáng)風(fēng)會(huì)引起艦船在水中的振動(dòng)和顫動(dòng)，從而產(chǎn)生較大的流體動(dòng)力學(xué)噪聲。海浪的波浪沖擊和水流渦旋等也會(huì)增加艦船外殼和機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生更高水平的水下噪聲。此外，海冰的碰撞和摩擦也可能導(dǎo)致艦船的噪聲增加。噪聲干擾對(duì)海洋生物的生存和導(dǎo)航具有重要影響。例如，海洋哺乳動(dòng)物如鯨類和海豚依賴聲音進(jìn)行通信和覓食，噪聲干擾可能干擾它們的生態(tài)行為，影響其遷徙和繁殖。其次，復(fù)雜海洋環(huán)境中的潮汐和洋流也會(huì)增加艦船水下噪聲的干擾。潮汐和洋流的流速變化會(huì)導(dǎo)致船體與海水之間的摩擦和渦旋，產(chǎn)生較大的流體動(dòng)力學(xué)噪聲。此外，洋流的作用可能使船體產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而增加結(jié)構(gòu)噪聲。比如表1 中海域環(huán)境的噪聲數(shù)據(jù)。

表1 洋流引起窗體震動(dòng)的結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)據(jù)

根據(jù)表1，洋流速度的增加明顯影響船體振動(dòng)頻率和結(jié)構(gòu)噪聲水平。隨洋流速度增大，船體振動(dòng)頻率由10Hz 增至20Hz，可能因渦流和湍流等影響導(dǎo)致。同時(shí)，結(jié)構(gòu)噪聲水平從80dB 升至90dB，顯示洋流或增加了結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。觀察到洋流速度與船體振動(dòng)頻率、噪聲水平呈正相關(guān)，暗示洋流可能加大船體振動(dòng)頻率，從而提高結(jié)構(gòu)噪聲水平。這噪聲增加或?qū)Υ瑔T和海洋生物不利，尤其在生態(tài)保護(hù)和敏感區(qū)域需重視噪聲對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響。

總之，復(fù)雜海洋環(huán)境下艦船水下噪聲的干擾是一個(gè)復(fù)雜而多樣的問題。海洋環(huán)境的多樣性使得艦船水下噪聲特性具有一定的不確定性。為了有效解決這一問題，需要綜合考慮海洋環(huán)境因素、艦船特性以及噪聲產(chǎn)生機(jī)理，深入分析噪聲干擾對(duì)海洋生態(tài)的影響，為保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境規(guī)劃海洋工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 噪聲頻譜變化分析

噪聲頻譜變化特性分析是對(duì)艦船水下噪聲在復(fù)雜海洋環(huán)境中頻率分布變化進(jìn)行研究的過程。在復(fù)雜海洋環(huán)境中，海浪、潮汐、洋流等因素會(huì)對(duì)艦船水下噪聲產(chǎn)生影響，導(dǎo)致噪聲頻譜發(fā)生變化[5]。噪聲頻譜變化特性分析對(duì)于了解噪聲產(chǎn)生機(jī)理、評(píng)估噪聲對(duì)海洋生態(tài)和軍事應(yīng)用的影響具有重要意義。

首先，噪聲頻譜變化特性分析需要對(duì)艦船水下噪聲的頻譜進(jìn)行采樣和監(jiān)測(cè)。通過使用水下聲學(xué)傳感器，可以實(shí)時(shí)獲取艦船水下噪聲的頻譜信息。然而，在復(fù)雜海洋環(huán)境中，噪聲頻譜會(huì)因?yàn)楹Ｑ髼l件的變化而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化。（如表2 所示）

表2 復(fù)雜海洋環(huán)境下艦船水下噪聲的頻譜水平

由表2 可知，艦船水下噪聲隨頻率增加逐漸降低。低頻（10Hz 到100Hz）下噪聲較高，約80～90dB；高頻（1000Hz 到5000Hz）下噪聲約65dB。艦船水下噪聲在不同頻率呈現(xiàn)頻譜特性，隨頻率增加，噪聲逐漸減小。特別是高頻范圍，噪聲變化幅度大（68～75dB），或受艦船結(jié)構(gòu)振動(dòng)和水下活動(dòng)等因素影響更敏感。

因此，需要對(duì)不同時(shí)間段、不同海區(qū)和不同航行狀態(tài)下的噪聲頻譜進(jìn)行采集和對(duì)比分析，以獲取全面準(zhǔn)確的噪聲頻譜數(shù)據(jù)。其次，噪聲頻譜變化特性分析需要關(guān)注噪聲頻譜的主要變化趨勢(shì)和特點(diǎn)。復(fù)雜海洋環(huán)境中，海浪和洋流等因素可能導(dǎo)致噪聲頻譜出現(xiàn)峰值或谷值，頻率范圍可能會(huì)擴(kuò)展或收縮。這些變化可能對(duì)噪聲的傳播和聚集產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響噪聲的傳播范圍和強(qiáng)度。

2.3 噪聲傳播影響分析

噪聲傳播影響是指艦船水下噪聲在復(fù)雜海洋環(huán)境中傳播過程中所產(chǎn)生的影響。在海洋環(huán)境中，噪聲的傳播受到海洋條件的影響，包括海水的聲速、密度、溫度和鹽度等因素，以及海洋底質(zhì)和水層的反射和吸收。這些因素共同作用，導(dǎo)致噪聲在海洋中傳播時(shí)發(fā)生衰減、散射、反射和干擾等現(xiàn)象，進(jìn)而影響到海洋生態(tài)系統(tǒng)和艦船的聲納性能。

首先，噪聲傳播影響對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響。海洋生物如鯨類、海豚、海龜?shù)葘?duì)聲音敏感，它們利用聲音進(jìn)行通信、覓食和導(dǎo)航。然而，艦船水下噪聲的傳播會(huì)干擾海洋生物的正常生態(tài)行為。強(qiáng)大的噪聲源可能使海洋生物的聲信號(hào)被掩蓋，導(dǎo)致它們之間的通信受阻。噪聲傳播還可能對(duì)海洋生物的覓食行為產(chǎn)生影響，使其難以定位和捕捉獵物。對(duì)遷徙性海洋生物而言，噪聲干擾可能導(dǎo)致其迷失或偏離遷徙路線，對(duì)整個(gè)種群的生態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，保護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)，降低艦船水下噪聲傳播對(duì)海洋生物的干擾，是維護(hù)海洋生態(tài)平衡和生物多樣性的重要措施。其次，噪聲傳播影響對(duì)艦船聲納性能具有重要意義。艦船在海洋中使用聲納進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)、通信和導(dǎo)航。然而，復(fù)雜海洋環(huán)境中的噪聲傳播會(huì)影響艦船聲納信號(hào)的傳播和接收。噪聲在傳播過程中可能受到反射和散射，導(dǎo)致聲納信號(hào)的衰減和干擾。這使得艦船的目標(biāo)探測(cè)能力受到限制，降低了其水下目標(biāo)的檢測(cè)距離和準(zhǔn)確性。此外，噪聲傳播的影響可能增加艦船的被探測(cè)性，降低了其在復(fù)雜海域中的隱蔽性和安全性。因此，對(duì)噪聲傳播的深入研究，有助于優(yōu)化艦船聲納系統(tǒng)設(shè)計(jì)和聲納作戰(zhàn)策略，提高艦船適應(yīng)能力。

總之，噪聲傳播影響在復(fù)雜海洋環(huán)境中具有廣泛的影響。對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)和艦船聲納性能產(chǎn)生影響，有必要采取措施減少噪聲傳播的不利影響。保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，降低艦船水下噪聲源，以及優(yōu)化艦船聲納系統(tǒng)，都是維護(hù)海洋生態(tài)平衡的關(guān)鍵舉措。

2.4 噪聲遮蔽和遮擋效應(yīng)分析

噪聲遮蔽和遮擋效應(yīng)分析是研究復(fù)雜海洋環(huán)境中噪聲傳播過程中的兩種現(xiàn)象。噪聲遮蔽是指噪聲源之間的相互干擾，導(dǎo)致某些區(qū)域的噪聲水平降低；而噪聲遮擋是指噪聲傳播過程中遇到障礙物，使得一側(cè)的噪聲水平相對(duì)較低。這兩種現(xiàn)象對(duì)于海洋環(huán)境和艦船航行都具有重要影響。例如，當(dāng)多個(gè)艦船或其他噪聲源同時(shí)存在于某一區(qū)域時(shí)，它們之間的相互干擾可能導(dǎo)致該區(qū)域的噪聲水平下降。噪聲遮蔽效應(yīng)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)具有影響，可能干擾海洋生物之間的通信和覓食行為，影響它們的生態(tài)行為。

另外，噪聲遮擋效應(yīng)指的是噪聲傳播過程中遇到障礙物對(duì)噪聲的影響。在復(fù)雜海洋環(huán)境中，海水的聲速、密度、溫度和鹽度等因素，以及海底地形等都會(huì)對(duì)噪聲傳播產(chǎn)生影響。當(dāng)噪聲傳播過程中遇到障礙物時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致一側(cè)的噪聲水平相對(duì)較低，形成噪聲遮擋效應(yīng)。噪聲遮擋效應(yīng)可能影響到噪聲傳播范圍和方向性，對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)和海洋生物的聲信號(hào)傳遞和覓食行為產(chǎn)生影響。例如，在某大海域，噪聲遮蔽和遮擋效應(yīng)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 噪聲遮蔽和遮擋效應(yīng)數(shù)據(jù)分析

表3 記錄了不同地點(diǎn)和時(shí)間段下的噪聲水平，并對(duì)噪聲遮蔽效應(yīng)和遮擋效應(yīng)進(jìn)行了定量分析。噪聲遮蔽效應(yīng)表示噪聲源之間的相互干擾程度，可以用百分比表示；噪聲遮擋效應(yīng)表示噪聲在傳播過程中遇到障礙物的影響程度，也可以用百分比表示。數(shù)據(jù)表顯示，不同海域和時(shí)間段下的噪聲水平存在差異。例如，海域A 和海域B 的噪聲在同一時(shí)間段內(nèi)變化范圍大，約100～120dB，可能源或強(qiáng)度不同。噪聲遮蔽效應(yīng)也有變化，海域A 在不同時(shí)間段遮蔽效應(yīng)不同，可能受干擾影響。海域B 在不同時(shí)間段遮擋效應(yīng)也有差異，可能受障礙物影響。

總體而言，噪聲遮蔽和遮擋效應(yīng)的分析顯示出復(fù)雜海洋環(huán)境中噪聲傳播的多樣性和不確定性。不同時(shí)間段和海域的噪聲水平、噪聲遮蔽效應(yīng)和遮擋效應(yīng)都呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，這可能與海洋環(huán)境和噪聲源的差異有關(guān)。深入研究噪聲遮蔽和遮擋效應(yīng)，對(duì)于了解噪聲傳播機(jī)理、評(píng)估噪聲對(duì)海洋生態(tài)和生物的影響，以及優(yōu)化噪聲控制策略和聲納作戰(zhàn)策略具有重要意義。

3 結(jié)語

綜上所述，本研究對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境下艦船水下噪聲特性進(jìn)行了深入研究，通過數(shù)據(jù)收集和分析，揭示了艦船水下噪聲的頻譜特性、噪聲干擾分析以及噪聲傳播影響等關(guān)鍵信息。研究發(fā)現(xiàn)，隨著洋流速度的增加，艦船水下噪聲頻譜表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，同時(shí)噪聲遮蔽和遮擋效應(yīng)可能對(duì)噪聲傳播產(chǎn)生重要影響。這些研究成果對(duì)于深入了解艦船水下噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、評(píng)估噪聲對(duì)海洋生態(tài)和生物的影響，以及制定有效的噪聲控制策略具有重要意義。