韓 梅 王 超 孫芹東 王文龍 呂 勇

(1 海軍潛艇學(xué)院 青島 266199)

(2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 青島 266237)

0 引言

海洋環(huán)境噪聲是海洋中普遍存在的固有聲場(chǎng)，其是影響聲吶系統(tǒng)探測(cè)和定位的重要參數(shù)，也是影響潛艇隱蔽性的重要因素[1]。海洋環(huán)境噪聲的組成十分復(fù)雜，其中50～500 Hz頻率范圍內(nèi)航船噪聲為主要噪聲源，而在100 Hz以上的高頻段海洋環(huán)境噪聲則與海面風(fēng)速具有很好的相關(guān)性，由于潮汐或波浪運(yùn)動(dòng)造成的靜壓力則會(huì)產(chǎn)生極低頻的海洋環(huán)境噪聲。為了提高水聲設(shè)備水中目標(biāo)探測(cè)性能，加強(qiáng)海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)成為了一個(gè)重要課題，值得關(guān)注的是，迄今我國(guó)對(duì)開闊大洋區(qū)的海洋環(huán)境噪聲認(rèn)識(shí)還很不足，一定程度上制約了聲吶裝備的發(fā)展[2?3]。關(guān)于海洋環(huán)境噪聲特性的研究已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[4?23]，這些測(cè)量結(jié)果基本都是基于傳統(tǒng)海洋環(huán)境觀測(cè)手段獲得，而無(wú)法充分了解海洋環(huán)境噪聲時(shí)空域特性。海洋環(huán)境噪聲時(shí)空域特性是非常復(fù)雜的，其在不同時(shí)間、不同深度、不同海域的海洋環(huán)境噪聲都存在巨大差異，因此需要對(duì)海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間和大范圍的觀測(cè)才足以分析其特性。

多剖面浮標(biāo)作為一種水下漂流移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)，其通過(guò)改變自身浮力可多次實(shí)現(xiàn)上浮和下潛運(yùn)動(dòng)，具有在位時(shí)間長(zhǎng)、噪聲水平低、隱蔽性能高、成本低、易操作等優(yōu)點(diǎn)，且其平臺(tái)技術(shù)相對(duì)成熟，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于全球海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。與潛標(biāo)、岸基聲吶和水聲測(cè)量船等傳統(tǒng)觀測(cè)手段相比，浮標(biāo)在海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)方面的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢(shì)，且浮標(biāo)平臺(tái)只有在水面下潛階段和水下準(zhǔn)備上浮階段油泵電機(jī)工作時(shí)才會(huì)產(chǎn)生短暫的平臺(tái)噪聲，因此可在浮標(biāo)平臺(tái)上集成聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)和廣域的海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與試驗(yàn)說(shuō)明

1.1 水下聲學(xué)浮標(biāo)

本文通過(guò)在現(xiàn)有中船710所“HM2000”多剖面浮標(biāo)平臺(tái)基礎(chǔ)上集成聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，研制出了一種具有海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)能力的“G-Argo”水下聲學(xué)浮標(biāo)平臺(tái)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由北斗天線、矢量水聽器、水聲信號(hào)處理機(jī)、浮標(biāo)主體和浮標(biāo)底座組成，其中水聲信號(hào)處理機(jī)主要完成矢量水聽器接收信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和處理，由浮標(biāo)主體控制其工作策略。圖2實(shí)線給出了水下聲學(xué)浮標(biāo)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)聲壓通道(本文所處理數(shù)據(jù)為聲學(xué)系統(tǒng)聲壓通道采集)自噪聲譜級(jí)，為了比較，圖中同時(shí)給出了Knudsen曲線在海況0級(jí)(SS0)、1級(jí)(SS1)、3級(jí)(SS0)和6級(jí)(SS6)條件下的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)，由圖2可以看出，水下聲學(xué)浮標(biāo)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)自噪聲譜級(jí)均小于0級(jí)海況海洋環(huán)境噪聲，因此聲學(xué)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)可有效評(píng)估海洋環(huán)境噪聲特性[23]。圖3給出了“G-Argo”水下聲學(xué)浮標(biāo)海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)流程圖，水下聲學(xué)浮標(biāo)可多次上浮、下潛，具備原位坐底和定深漂流兩種工作模式，其海上連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)則與海洋環(huán)境噪聲采樣策略和自動(dòng)上浮通信周期有關(guān)，一般能夠?qū)崿F(xiàn)海上連續(xù)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)多達(dá)幾個(gè)月。2019年8月在南中國(guó)海某海區(qū)組織了8臺(tái)“G-Argo”水下聲學(xué)浮標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)獲取了不同位置點(diǎn)為期1天的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，討論了附近航船噪聲對(duì)不同頻率海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)的影響。

圖1 搭載聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的水下聲學(xué)浮標(biāo)示意圖Fig.1 Underwater acoustic buoy integrated with acoustic measuring system

圖2 聲學(xué)系統(tǒng)自噪聲測(cè)試曲線Fig.2 Self-noise test curves of acoustic system

圖3 水下聲學(xué)浮標(biāo)海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)流程圖Fig.3 Flowchart of underwater acoustic buoy monitoring ambient noise

1.2 試驗(yàn)說(shuō)明

2019年8月，由海軍潛艇學(xué)院主導(dǎo)，與天津大學(xué)和中船710所共同合作在南中國(guó)海某海區(qū)開展了一次大型水下無(wú)人平臺(tái)聲學(xué)試驗(yàn)，此次試驗(yàn)共包含8臺(tái)“G-Argo”水下聲學(xué)浮標(biāo)和9臺(tái)水下聲學(xué)滑翔機(jī)[23]，此次試驗(yàn)的目的主要是驗(yàn)證兩型水下移動(dòng)平臺(tái)海洋環(huán)境觀測(cè)能力和對(duì)海上目標(biāo)探測(cè)性能。圖4給出了試驗(yàn)海區(qū)地理位置，其所在區(qū)域位于北緯16?59′至17?31′、東經(jīng)110?37′至110?59′之間的一個(gè)60 km×40 km的矩形海域內(nèi)，試驗(yàn)區(qū)域海深約為1500 m，離三亞港約160 km。試驗(yàn)期間海況較好且變化不大，試驗(yàn)船風(fēng)速儀測(cè)量海面風(fēng)速約為2級(jí)，船載投棄式溫深儀測(cè)量得到的聲速剖面結(jié)果顯示，海深30 m以內(nèi)為均勻?qū)?，聲道軸在深度1000 m附近。

圖4 水下聲學(xué)浮標(biāo)試驗(yàn)海區(qū)位置Fig.4 The location of the underwater acoustic buoy experiment site

試驗(yàn)期間，設(shè)置“G-Argo”水下聲學(xué)浮標(biāo)定漂深度為200 m，容差±100 m，聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)在浮標(biāo)平臺(tái)深度大于100 m后開始上電工作，在整個(gè)浮標(biāo)定深漂流階段聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)全程開機(jī)采集水聲信號(hào)，并用船載AIS 雷達(dá)設(shè)備實(shí)時(shí)接收試驗(yàn)海區(qū)水面航船信息。圖5給出了07:00–19:00時(shí)間段內(nèi)1#、5#、7#水下聲學(xué)浮標(biāo)和周圍水面航船相對(duì)位置態(tài)勢(shì)圖，由圖可以看出：“G-Argo-1#”水下聲學(xué)浮標(biāo)在09:26–18:53時(shí)間段內(nèi)沿119?方向漂流距離約6.0 km，漂流速度平均約0.36 kn；“G-Argo-5#”水下聲學(xué)浮標(biāo)在09:03–18:54時(shí)間段內(nèi)沿134?方向漂流距離約9.4 km，漂流速度平均約0.47 kn；“G-Argo-7#”水下聲學(xué)浮標(biāo)在07:30–18:49時(shí)間段內(nèi)沿140?方向漂流距離約7.6 km，漂流速度平均約0.34 kn。試驗(yàn)期間有水面航船經(jīng)過(guò)浮標(biāo)位置點(diǎn)附近，其中：12:33–14:02時(shí)間段內(nèi)，水面航船(MMSI：414350640，船長(zhǎng)：42 m，船寬：6 m)以航速8.4 kn航向301?經(jīng)過(guò)試驗(yàn)海區(qū)，在13:15時(shí)間點(diǎn)附近與“G-Argo-1#”和“G-Argo-5#”浮標(biāo)距離較近，分別為2 km和3 km左右；16:48–20:00時(shí)間段內(nèi)為設(shè)備回收階段，試驗(yàn)船(電科一號(hào)，MMSI：412524240，船長(zhǎng)：80 m，船寬：18 m)由停機(jī)待機(jī)區(qū)向浮標(biāo)位置點(diǎn)航行，進(jìn)行設(shè)備打撈；16:48–17:34時(shí)間段內(nèi)，試驗(yàn)船電科一號(hào)航速6.4 kn 航向277?；17:34–18:20時(shí)間段內(nèi)，試驗(yàn)船電科一號(hào)航速在1～6 kn之間根據(jù)任務(wù)變向變速航行，在18:20時(shí)間點(diǎn)與“G-Argo-1#”浮標(biāo)平臺(tái)距離較近約1.5 km。

圖5 “G-Argo”浮標(biāo)平臺(tái)和附近水面航船相對(duì)位置點(diǎn)Fig.5 Relative position of “G-Argo” buoy platform and nearby surface vessel

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

本文主要討論20 Hz～3 kHz頻率范圍內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)隨時(shí)間的變化特性，以及附近航船噪聲對(duì)其的影響。原始信號(hào)每10 min 取10 s 數(shù)據(jù)后采用1/3倍頻程進(jìn)行處理，測(cè)量數(shù)據(jù)的采樣率為20 kHz，處理過(guò)程中將處理數(shù)據(jù)截取分成10段長(zhǎng)度為1 s的數(shù)據(jù)，每秒數(shù)據(jù)進(jìn)行32768點(diǎn)快速傅里葉變換(Fast Fourier transform,FFT)，對(duì)10段數(shù)據(jù)分別進(jìn)行計(jì)算并剔除野值后進(jìn)行求和平均，該方法能夠很好地反映海洋環(huán)境噪聲頻譜特性[16]。圖6(a)給出了“G-Argo-1#”浮標(biāo)平臺(tái)定深漂流工作期間平臺(tái)深度隨時(shí)間變化情況，其中，在09:07和15:55兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)由于聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)異常導(dǎo)致浮標(biāo)平臺(tái)上浮。圖6(b)給出了20 Hz、63 Hz、100 Hz、200 Hz、400 Hz、800 Hz、1.6 kHz和3.15 kHz 8個(gè)頻點(diǎn)中心處海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)隨時(shí)間變化曲線，由圖也可以明顯看出，在13:15、17:34和18:20時(shí)間點(diǎn)附近由于水面航船影響而引起的譜級(jí)增大，海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)在1.6 kHz 頻點(diǎn)處在以上3個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別升高了約11 dB、5 dB和12 dB，而水面航船對(duì)100 Hz以下的低頻段海洋環(huán)境噪聲影響卻不顯著，其中在水面航船與浮標(biāo)平臺(tái)距離較近的18:20時(shí)間點(diǎn)，由于水面航船影響環(huán)境噪聲譜級(jí)在100 Hz 頻點(diǎn)處升高了僅約5 dB。

圖7給出了“G-Argo-1#”水下聲學(xué)浮標(biāo)在12:30、13:15、15:55、16:50、17:34和18:20 6個(gè)時(shí)間點(diǎn)海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)隨頻率變化曲線，表1則列出了以上6個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)平臺(tái)深度上不同中心頻點(diǎn)1/3倍頻程譜級(jí)，由圖7和表1可以看出，浮標(biāo)平臺(tái)附近水面航船對(duì)200 Hz～1.6 kHz頻段范圍內(nèi)海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)影響較顯著；除水面航船影響時(shí)間點(diǎn)外，在100 Hz以上的高頻段，海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)隨頻率變化趨勢(shì)與Knudsen曲線具有很好的一致性，約以?4～?7 dB 每倍頻程的規(guī)律下降，符合典型風(fēng)關(guān)噪聲變化規(guī)律[20]。

圖6 G-Argo-1#結(jié)果Fig.6 G-Argo-1# results

圖7 不同時(shí)刻海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)頻率特性曲線Fig.7 Spectrum levels of ambient noise as a function of frequency at different times

圖8(a)和圖8(b)分別給出了09:30–18:30時(shí)間段內(nèi)“G-Argo-5#”水下聲學(xué)浮標(biāo)平臺(tái)深度和8個(gè)頻點(diǎn)處海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)隨時(shí)間變化情況，可以看出，“G-Argo-5#” 浮標(biāo)在下潛至最大下潛深度232 m后浮標(biāo)平臺(tái)開始慢慢上浮，最后浮標(biāo)定深漂流工作階段平臺(tái)深度基本穩(wěn)定在150 m左右；在13:15時(shí)間點(diǎn)附近同樣可以看到由于水面航船(MMSI：414350640)噪聲影響而引起的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)在1.6 kHz 頻點(diǎn)處有約6 dB的譜級(jí)升高，而相比“G-Argo-1#”浮標(biāo)噪聲譜級(jí)在該時(shí)間點(diǎn)升高值小約5 dB，這是由于“G-Argo-5#”浮標(biāo)平臺(tái)距水面航船(MMSI：414350640)相對(duì)較遠(yuǎn)造成的；而水面航船經(jīng)過(guò)對(duì)3.15 kHz 頻點(diǎn)處的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)則幾乎沒(méi)有影響，這是由于高頻段傳播損失較大造成的。圖9(a)和圖9(b)則分別給出了11:00–18:30時(shí)間段內(nèi)“G-Argo-7#”水下聲學(xué)浮標(biāo)平臺(tái)深度和8個(gè)頻點(diǎn)處海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)隨時(shí)間變化情況，由圖可以看出，“G-Argo-7#”浮標(biāo)在整個(gè)定深漂流工作階段平臺(tái)深度基本穩(wěn)定在130 m左右，在12:31時(shí)間點(diǎn)附近由于受小型水面航船影響(該水面航船沒(méi)有AIS信號(hào)，通過(guò)雷達(dá)掃描得到)，海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)在1.6 kHz和3.15 kHz 頻點(diǎn)處各有約3 dB的譜級(jí)升高，而在200 Hz以下的低頻段海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)則幾乎不受影響。由于“G-Argo-7#”浮標(biāo)平臺(tái)與水面航船(MMSI：414350640、MMSI：412524240)距離較遠(yuǎn)，因此在13:00–18:30時(shí)間段內(nèi)63 Hz～3.15 kHz頻段范圍內(nèi)海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)基本不隨時(shí)間發(fā)生變化，而20 Hz 頻點(diǎn)處海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)則在16:40和18:20兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)附近分別有13 dB和8 dB的譜級(jí)升高，這可能是由于潮汐或波浪造成的靜水壓力而引起的。

表1 不同時(shí)間不同深度海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)表Table1 Ambient noise spectrum levels at different time and depth

圖8 G-Argo-5#結(jié)果Fig.8 G-Argo-5# results

圖9 G-Argo-7#結(jié)果Fig.9 G-Argo-7# results

3 結(jié)論

本文利用2019年8月在南中國(guó)海某海區(qū)組織的多臺(tái)“G-Argo”水下聲學(xué)浮標(biāo)試驗(yàn)?zāi)骋话滋斓臄?shù)據(jù)，分析給出了20 Hz～3.15 kHz頻率范圍內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)，試驗(yàn)期間浮標(biāo)平臺(tái)附近有水面航船經(jīng)過(guò)，借此探討了附近水面航船對(duì)不同頻點(diǎn)海洋環(huán)境噪聲影響。結(jié)果表明，浮標(biāo)平臺(tái)附近水面航船對(duì)200 Hz～1.6 kHz頻段范圍內(nèi)海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)影響較顯著，另外，除水面航船影響時(shí)間點(diǎn)外，在100 Hz以上的高頻段，海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)約以?4 dB～?7 dB 每倍頻程的規(guī)律下降，符合典型風(fēng)關(guān)噪聲變化規(guī)律。但是，本文只提供了南中國(guó)海某一特定海域一天范圍內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，這不足以評(píng)估整個(gè)南中國(guó)海范圍內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲特性，因此需要進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間和更大范圍內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲測(cè)量，以便獲取完整的海洋環(huán)境噪聲分布數(shù)據(jù)和分析環(huán)境噪聲統(tǒng)計(jì)特性變化規(guī)律。本文工作顯示，水下漂流移動(dòng)平臺(tái)在海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用具有良好的廣闊前景。