劉 洋，李 然，杜敬林

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

由于海洋環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，即使同一個(gè)海域，在不同的海況、季節(jié)、水文條件下，其海洋背景噪聲場特性也存在巨大差異. 開展背景噪聲噪聲場矢量特征觀測并基于測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析是深入認(rèn)識(shí)淺海環(huán)境特性的重要環(huán)節(jié). 本文從淺海背景噪聲理論出發(fā)，對(duì)背景噪聲矢量特征進(jìn)行理論建模，進(jìn)一步結(jié)合試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.

1 淺海背景噪聲基礎(chǔ)理論

按照發(fā)聲機(jī)理可將海洋環(huán)境噪聲分為4類：海洋動(dòng)力噪聲、海洋生物噪聲、海洋中的人為噪聲和海洋熱噪聲[1]. 引起海洋噪聲的各種噪聲源對(duì)海洋背景噪聲的貢獻(xiàn)差異主要體現(xiàn)在頻率特性上，Wenz曲線將譜級(jí)曲線分為3段：海洋湍流、遠(yuǎn)處行船和風(fēng)引起的海面擾動(dòng). 一般認(rèn)為風(fēng)生海洋環(huán)境噪聲和行船噪聲是海洋環(huán)境噪聲的重要組成[2]，其能量分布在10 Hz～20 kHz頻段. 遠(yuǎn)處航船噪聲主要作用在10 Hz～1 kHz較低頻段，而風(fēng)生噪聲則在數(shù)百赫茲～20 kHz頻段，其中風(fēng)關(guān)海面噪聲起主要作用，其他噪聲源如雨噪聲的主要作用頻段在幾千赫茲至幾十千赫茲. 可見行船噪聲、風(fēng)生噪聲和降雨等間歇源對(duì)海洋背景噪聲的貢獻(xiàn)同時(shí)作用在幾百赫茲～10 kHz的頻段內(nèi)，依具體海域噪聲源強(qiáng)度分布以及聲場傳播的不同，它們?cè)诓煌l率處于相互競爭的關(guān)系.

在一定的條件下，海洋背景噪聲與海面風(fēng)速具有高度相關(guān)的特點(diǎn)，Knudsen使用風(fēng)生噪聲模型對(duì)100 Hz以上海洋環(huán)境噪聲作了分析，給出了以海況或風(fēng)速作為參數(shù)的Knudson譜. 海洋背景噪聲在數(shù)百赫茲到20 kHz的頻段，譜曲線以約-17 dB/10倍頻程的規(guī)律下降，并發(fā)現(xiàn)了在一定條件下不同頻率處譜級(jí)和風(fēng)速的對(duì)數(shù)都成線性關(guān)系，但線性程度有所差異. 可以認(rèn)為風(fēng)速和頻率對(duì)噪聲聲壓譜的影響是兩種過程，海洋環(huán)境風(fēng)生噪聲聲壓譜P是風(fēng)速υ和頻率f的函數(shù)，大致上某一風(fēng)速下風(fēng)生海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)和風(fēng)速的譜級(jí)-頻率對(duì)數(shù)的關(guān)系以及某一頻率下譜級(jí)-風(fēng)速關(guān)系[3]，即P(υ,f)具有如下關(guān)系

P(υ,f)=υgfq.(1)

風(fēng)生噪聲譜級(jí)可表示為

SPL1(υ,f)=Glg(υ)+Qlg(f),(2)

式中：G=20lg(g),Q=20lg(q).

海洋背景噪聲聲壓譜級(jí)SPL(f)則可以表示為

(3)

式中：SPL0為其它形式噪聲源的貢獻(xiàn).

大量的實(shí)測海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)數(shù)據(jù)分析表明：對(duì)于某一海域某風(fēng)速下頻率為1 kHz以上的風(fēng)關(guān)海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)-對(duì)數(shù)頻率之間關(guān)系式，其譜級(jí)下降的斜率bf在風(fēng)速變化時(shí)基本保持不變，即

(4)

著名的Knudsen 譜曲線和Wenz 譜曲線，以及國內(nèi)實(shí)測結(jié)果均證實(shí)了這一點(diǎn).

文獻(xiàn)[4]給出了我國黃海、東海淺海域風(fēng)關(guān)海洋環(huán)境噪聲的譜級(jí)和海面風(fēng)速的關(guān)系，如圖 1 所示. 圖 1 中每條曲線都是多次觀測結(jié)果的平均值，其譜斜率約為-17 dB/10 oct或-6 dB/oct左右.

根據(jù)該關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者提出了噪聲譜級(jí)與風(fēng)速對(duì)數(shù)的回歸半經(jīng)驗(yàn)公式，其合理性經(jīng)過了許多實(shí)驗(yàn)的證明. 一般達(dá)到均衡海面狀況和穩(wěn)態(tài)過程中，線性回歸是定量描述噪聲特征的一種較好的方法. 但在實(shí)際海洋中引起海洋參數(shù)機(jī)理的多樣性以及地域特殊性決定了特定頻段海洋風(fēng)生以及行船關(guān)系的復(fù)雜性. 首先，隨著航運(yùn)業(yè)和航船噪聲的發(fā)展，人為海洋環(huán)境噪聲源強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)平均值明顯上升，不同頻段以及不同強(qiáng)度風(fēng)力和譜級(jí)的關(guān)系具有重要差異； 其次，影響深海環(huán)境噪聲的因素相對(duì)淺海陸架簡單，近岸的風(fēng)場結(jié)構(gòu)比開闊海域復(fù)雜； 再有，噪聲場時(shí)變性會(huì)受噪聲源時(shí)變空變性的影響，因此風(fēng)生噪聲并非在所有情況下占優(yōu)勢. 國內(nèi)學(xué)者提出了考慮行船與V字形的風(fēng)速模型[5]，將航船活動(dòng)以及其受風(fēng)速制約的作用同總噪聲級(jí)聯(lián)系了起來.

圖 1 黃海淺海海域和東海某海域風(fēng)關(guān)海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)Fig.1 The noise spectrum level of the ocean environment about wind in the Yellow Sea shallow sea and a sea area in the East China Sea

NL2=B(f)+20n(f)lgV,(6)

式中:NL1為航船噪聲級(jí)；NL2為風(fēng)生噪聲級(jí)；Vk為轉(zhuǎn)移風(fēng)速；AfBf為常數(shù)；n為風(fēng)生噪聲回歸系數(shù)；m為航船噪聲回歸系數(shù).

2 基于矢量水聽器的淺海背景噪聲分析方法

針對(duì)淺海背景噪聲觀測、分析的需求[6，7]，設(shè)計(jì)了座底式矢量接收系統(tǒng)，分頻段使用4分量低頻和3分量高頻矢量傳感器獲取20～10 000 Hz的海洋背景噪聲數(shù)據(jù). 其中4分量傳感器Vz(t)方向朝向海底，3分量傳感器Vz(t)方向朝向海底，其余方向由羅經(jīng)及現(xiàn)場方位校準(zhǔn)獲得.

2.1 典型聲壓與振速頻譜分析

使用功率譜估計(jì)的方法[8]給出各自傳感器的聲壓及振速正交分量的自譜估計(jì)，得到海洋背景噪聲聲壓譜級(jí)Sp2(f)和振速譜級(jí)SVx2(f),SVy2,SVz2(f)，以評(píng)價(jià)海洋背景噪聲場在不同方位的強(qiáng)度以及聲場的各向異性. 圖 2 給出了典型的 20 Hz～10 kHz海洋環(huán)境噪聲聲壓與振速1/3 Oct譜級(jí)，譜級(jí)量值以某一參考級(jí)給出.

圖 2 典型20 Hz～10 kHz海洋環(huán)境噪聲聲壓與振速1/3 Oct譜級(jí)Fig.2 Typical 20 Hz～10 kHz ocean ambient noise pressure and vibration velocity 1/3Oct spectrum level

2.2 聲壓與振速比值譜分析

根據(jù)海面噪聲模型可以推導(dǎo)出理論上聲壓和振速間的比值為

式中：n為待定系數(shù)，n通常取0.9～1.1，對(duì)應(yīng)的聲壓與水平振速和垂直振速比值在對(duì)數(shù)運(yùn)算后為5～6 dB和2～3 dB，而實(shí)際水體的值與噪聲源的各向異性和具體的傳播條件有關(guān)，需要試驗(yàn)測定.

就海洋噪聲的來源考慮，風(fēng)生噪聲來自于波動(dòng)表面，對(duì)于淺海有效作用的波動(dòng)表面為5倍水深，因此風(fēng)生噪聲的主要來源方向應(yīng)是垂直方向，當(dāng)接收系統(tǒng)附近沒有行船干擾時(shí)，Vz通道就體現(xiàn)了波動(dòng)表面的真實(shí)信息，而遠(yuǎn)處行船噪聲的方向多數(shù)來源于水平方向. 這樣垂直方向聲壓、振速比值實(shí)際上體現(xiàn)了行船噪聲與風(fēng)生噪聲之間的關(guān)系. 在行船噪聲與風(fēng)生噪聲相競爭的頻段內(nèi)，很難從頻率上區(qū)分風(fēng)生噪聲與行船噪聲，這樣，利用聲壓、振速垂直、水平各項(xiàng)異性的差異來區(qū)分風(fēng)生噪聲和行船噪聲就顯得較為有意義.

另一方面，經(jīng)過同季節(jié)多組數(shù)據(jù)的對(duì)比，聲壓與水平振速的比值相對(duì)比較穩(wěn)定，約為

而聲壓與振速的垂直分量比值隨季節(jié)變化相對(duì)劇烈，圖 3 統(tǒng)計(jì)了典型的聲壓與振速垂直分量比值在不同季節(jié)、水文環(huán)境的結(jié)果.

圖 3 不同季節(jié)典型聲壓與振速垂直分量比值統(tǒng)計(jì)Fig.3 Typical ratio of sound pressure to vertical component of vibration velocity in different seasons

結(jié)果顯示，聲壓與振速垂直分量的比值隨頻率變化的起伏在3～5 dB之內(nèi)，相對(duì)較為穩(wěn)定，但隨季節(jié)起伏較大，不同季節(jié)從1～24 dB不等，也就是說聲壓譜級(jí)一定的情況下，振速的起伏與季節(jié)有很大關(guān)系，其最小值都出現(xiàn)在夏季禁漁期的6～7月份，值在1～7.5 dB之間，非禁漁期達(dá)到10～24 dB不等，而冬季行船較為稀少的2月也達(dá)到了10～15 dB.

根據(jù)良好水文淺海聲傳播計(jì)算結(jié)果，振速垂直分量Vz低于水平分量Vx和Vy約10 dB，這與冬季的測試結(jié)果相符. 夏季振速Vz有所提升，一方面行船的減少使得聲壓譜級(jí)下降，另一方面負(fù)梯度和負(fù)躍層水文環(huán)境下，下層的溫度低于上層，使得聲場垂直分量的比重增加，即負(fù)躍層和負(fù)梯度下聲場垂直方向性極大值更多地偏向垂直方向.

3 淺海背景噪聲與海洋環(huán)境參數(shù)的關(guān)系及統(tǒng)計(jì)模型

3.1 綜合考慮行船風(fēng)生噪聲的海洋環(huán)境噪聲統(tǒng)計(jì)模型

風(fēng)生噪聲是海洋背景噪聲的重要來源，海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)與風(fēng)速依賴關(guān)系的經(jīng)典模型是Piggott提出的噪聲譜級(jí)NL依賴于風(fēng)速V對(duì)數(shù)的線性關(guān)系[9]，可以寫成

NL=A(f)+20n(f)lgV,(10)

式中：A(f)為常數(shù)；n(f)為回歸斜率.

該關(guān)系在許多深海地區(qū)得到了廣泛的驗(yàn)證，一般說來影響深海環(huán)境噪聲的因素相對(duì)于淺海大陸架來說相對(duì)簡單，因此用高頻段噪聲譜和風(fēng)速的依賴關(guān)系來觀測和預(yù)報(bào)風(fēng)速達(dá)到了相當(dāng)高的水平. 然而在淺海區(qū)，風(fēng)速并非在所有場合都是占絕對(duì)主導(dǎo)作用的因素，例如行船噪聲會(huì)在特定頻帶和風(fēng)生噪聲形成競爭關(guān)系. 此外由于近岸的緣故，風(fēng)場的結(jié)構(gòu)情況較開闊海面復(fù)雜，加之噪聲場的時(shí)變性(季節(jié)、周、日變化)會(huì)受到噪聲源特性、空間分布以及水聲信道特性的影響，必須綜合考慮不同噪聲源的時(shí)間、空間變化規(guī)律.

因此，綜合考慮行船噪聲NL1與風(fēng)生噪聲NL2的影響，建立模型

NL1=A(f)-20mlg(V),(11)

NL2=B(f)+20n(f)lg(V),(12)

式中：A(f),B(f)為常數(shù)；n(f),m(f)為回歸斜率；NL1是來自遠(yuǎn)處海面航船的貢獻(xiàn)，與航道分布，在航船只數(shù)有關(guān)；A(f)代表了試驗(yàn)海區(qū)穩(wěn)定的行船噪聲級(jí)，而實(shí)際上航船噪聲也受風(fēng)速的制約，在觀測中普遍發(fā)現(xiàn)風(fēng)力增強(qiáng)到一定程度時(shí)出港的船只數(shù)會(huì)明顯減少，因此會(huì)出現(xiàn)測量的噪聲級(jí)反而比風(fēng)力較低時(shí)更低的情形，在模型中用-20mlg(V)來描述. 因此，在特定的季節(jié)(航運(yùn)、水文)條件下，風(fēng)速達(dá)到一定的臨界風(fēng)速，NL1比NL2小時(shí)，風(fēng)速將起到主導(dǎo)作用，臨界風(fēng)速和頻率及不同季節(jié)的航運(yùn)量有關(guān). 對(duì)航運(yùn)的調(diào)查需要耗費(fèi)大量的資源，這里主要考察在臨界風(fēng)速以上海洋環(huán)境噪聲隨風(fēng)速的變化情況.

3.2 環(huán)境噪聲時(shí)變性與噪聲成分分析

選擇4月非禁漁期航運(yùn)密度較大且風(fēng)力變化較為豐富的時(shí)間，對(duì)海洋環(huán)境噪聲及風(fēng)速進(jìn)行了連續(xù)觀測，圖 4 給出了座底式測量系統(tǒng)觀測的日變化曲線. 觀測數(shù)據(jù)從4月8日20：00到4月9日21:00，根據(jù)風(fēng)力和行船規(guī)律將日變化分為兩個(gè)階段：

圖 4 海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)與風(fēng)速連續(xù)變化圖Fig.4 Marine environmental noise spectrum level and continuous change of wind speed

第一階段，4月7日20:00開始風(fēng)力從10 kN開始增加，并在夜間00:00達(dá)到最大值20 kN，然后緩慢下降，到4月9日9:00下降到3 kN左右. 此階段背景噪聲譜級(jí)從500 Hz～5 kHz起伏較小(在5 dB以下)，并且日變化趨勢與風(fēng)速趨勢相同. 在21:00～次日6:00風(fēng)速較高時(shí)段海面風(fēng)浪很大，小型漁船、商船很少出動(dòng)，從水聽器監(jiān)聽得到的結(jié)果顯示，此時(shí)航運(yùn)聲音很小. 以上分析表明，這一階段風(fēng)生噪聲起到了主要作用.

第二階段，當(dāng)4月9日7:00之后航運(yùn)開始豐富，此時(shí)雖然風(fēng)速較低，但噪聲譜級(jí)持續(xù)增加，并且從500～5 000 Hz各頻點(diǎn)的譜級(jí)均有較大的時(shí)變起伏，達(dá)到10～20 dB，不同頻點(diǎn)譜級(jí)起伏的變化趨勢和形狀表現(xiàn)出很明顯的周期相似特性，此周期性與風(fēng)速監(jiān)視無關(guān)，這是航船噪聲具有的特點(diǎn)，監(jiān)聽及基于AIS的行船調(diào)查結(jié)果也表明航運(yùn)量的增加. 以上分析表明，這段時(shí)期航船噪聲是主要來源.

分析表明：500 Hz～5 kHz之間，在航運(yùn)豐富的時(shí)段，風(fēng)速在10 kN以下，譜級(jí)有較大的起伏，這時(shí)航運(yùn)占主導(dǎo)因素； 當(dāng)風(fēng)速大于10 kN時(shí)，航運(yùn)減小，譜級(jí)起伏減小，風(fēng)生噪聲是主導(dǎo)因素. 清晰地體現(xiàn)出風(fēng)速變化條件下，風(fēng)生噪聲與航船噪聲二者貢獻(xiàn)間的競爭關(guān)系. 圖 5 為當(dāng)日矢量方向性的估計(jì)結(jié)果，方向性的監(jiān)視表明：第一階段趨于各向同性，第二階段行船噪聲的各向異性程度較強(qiáng)，主極大方向?qū)?yīng)于航道位置.

圖 5 1 kHz海洋環(huán)境噪聲方向性時(shí)變圖Fig.5 1 kHz marine environmental noise directional time-varying graph

3.3 噪聲譜級(jí)與風(fēng)速的依賴關(guān)系

圖 6 給出了不同風(fēng)速及航運(yùn)密度下的海洋環(huán)境噪聲頻譜，可見在10 kN風(fēng)速以上環(huán)境噪聲與風(fēng)速形成正相關(guān)規(guī)律，而風(fēng)速在10 kN以下，海洋環(huán)境噪聲與風(fēng)速出現(xiàn)了相反的變化規(guī)律，8 kN風(fēng)速時(shí)的行船噪聲譜級(jí)在500 Hz～10 kHz范圍內(nèi)與20 kN的風(fēng)生噪聲相當(dāng)，而3 kN風(fēng)速時(shí)的行船噪聲高于20 kN風(fēng)速時(shí)的風(fēng)生噪聲.

圖 6 不同風(fēng)速及航運(yùn)密度下的海洋環(huán)境噪聲頻譜Fig.6 Marine environmental noise spectrum under different wind speed and shipping density

對(duì)風(fēng)速及噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致同步與平均處理[10]，圖 7 給出了典型頻點(diǎn)風(fēng)速與噪聲譜級(jí)的對(duì)應(yīng)情況，選擇風(fēng)生噪聲起主導(dǎo)作用的中等以上的風(fēng)速，針對(duì)風(fēng)生噪聲回歸模型為

NL2=B(f)+20n(f)lgV.(10)

使用最小二乘法對(duì)風(fēng)生噪聲進(jìn)行擬合分析，推導(dǎo)出風(fēng)生噪聲的回歸系數(shù). 圖 8 為典型頻點(diǎn)風(fēng)速的擬合回歸結(jié)果.

分析結(jié)果表明，在10～20 kN風(fēng)速條件下，1 kHz 以上風(fēng)關(guān)噪聲占主導(dǎo)，并且噪聲譜級(jí)與風(fēng)速的對(duì)數(shù)成正比，在當(dāng)前的航運(yùn)情況下，800 Hz 以下風(fēng)關(guān)噪聲起主導(dǎo)作用的臨界風(fēng)速高于10 kN. 表 1 給出了觀測海區(qū)非禁漁期典型10～20 kN風(fēng)速情況下1～10 kHz風(fēng)關(guān)噪聲回歸分析結(jié)果.

圖 7 譜級(jí)與風(fēng)速的對(duì)應(yīng)情況Fig.7 The correspondence between the spectral level and the wind speed

圖 8 典型頻點(diǎn)風(fēng)速的擬合回歸結(jié)果Fig.8 Typical frequency point and wind speed fitting regression results

f/ kHz11.251.622.53.15456.3810n0.50.70.91.01.11.11.00.80.50.50.4

4 結(jié) 論

本文依據(jù)淺海海洋背景噪聲理論,利用基于矢量水聽器的座底式海洋背景噪聲觀測系統(tǒng)獲取了不同海況、季節(jié)、水文條件的背景噪聲數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)結(jié)果分析：

1) 海洋背景噪聲譜級(jí)隨季節(jié)變化規(guī)律很大程度上取決于不同季節(jié)海洋環(huán)境聲速分布以及風(fēng)、行船、雨等噪聲源的變化規(guī)律.

2) 通過聲壓與振速的比值譜可以體現(xiàn)出海洋環(huán)境聲場的各向異性，海洋環(huán)境不同頻率的各向異性差異明顯.

建立了考慮行船風(fēng)生噪聲的海洋背景噪聲統(tǒng)計(jì)模型，并推導(dǎo)出1～10 kHz風(fēng)關(guān)噪聲回歸系數(shù)，為深入分析淺海環(huán)境特性提供技術(shù)支撐.