李 娜，林建恒，胡 濤，江鵬飛，孫軍平，衣雪娟，單元春,3

（1.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所北海研究站，山東青島 266114；2.中國(guó)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(guó)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(chǎng)，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(cè)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(dòng)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(cè)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(guó)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(jí)模型，提高了低頻海洋環(huán)境噪聲的預(yù)測(cè)精度。彭子龍[8]根據(jù)舟山群島測(cè)得的大量非合作船信號(hào)，基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律建立了航船聲源級(jí)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(jí)公式。孫磊等[11]通過分析南海某海域的環(huán)境噪聲實(shí)測(cè)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(jí)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(duì)不同海域?qū)崪y(cè)海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了分析。

本文基于我國(guó)東海某海域夏季海洋環(huán)境噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別從其時(shí)頻特性、噪聲級(jí)的概率分布情況以及風(fēng)關(guān)特性三個(gè)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(jiǎn)介

試驗(yàn)地點(diǎn)位于我國(guó)東海某海域，海深約325 m，測(cè)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(shí)長(zhǎng)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(cè)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(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP），風(fēng)速的時(shí)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(jí)

將實(shí)測(cè)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(jí)可表示為

其中：

式中：Xlj′為離散信號(hào)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(hào)的下限頻率fL與上限頻率fH對(duì)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(cè)量得到的海洋環(huán)境噪聲時(shí)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(jí)約為110 dB。在100 Hz 以下頻段，海洋環(huán)境的噪聲級(jí)較高，隨著頻率的增加，噪聲級(jí)逐漸減小。

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

2.2 海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)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(jí)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(gè)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(shí)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(zhǎng)，該分析時(shí)段對(duì)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(shí)，海洋環(huán)境噪聲級(jí)的統(tǒng)計(jì)特性，其中柱狀圖是實(shí)測(cè)的海洋環(huán)境噪聲級(jí)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(jí)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(jí)更接近于正態(tài)分布。這是由于在低頻時(shí)，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(jí)呈現(xiàn)非正態(tài)分布的特性；而在高頻時(shí)，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(jí)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(jí)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(jí)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(duì) 100 和300 Hz 的海洋環(huán)境噪聲級(jí)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(jí)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(zhǎng)，時(shí)間分辨率較低，一段時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)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(jí)的期望變高，導(dǎo)致海洋環(huán)境噪聲級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)和相應(yīng)的風(fēng)速對(duì)數(shù)，分別表示環(huán)境噪聲級(jí)和風(fēng)速對(duì)數(shù)的時(shí)間平均，其中，風(fēng)速對(duì)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(jí)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(jí)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(jí)與風(fēng)速對(duì)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(jí)與風(fēng)速對(duì)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(duì)海洋環(huán)境噪聲級(jí)的影響逐漸增大；在1 000 Hz 以上時(shí)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6 以上，海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)與風(fēng)速對(duì)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(jí)與風(fēng)速對(duì)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(shí)海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)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(jí)越大，且譜級(jí)幾乎不隨深度的變化而變化，基本均勻分布在整個(gè)水體層中（海面和海底的噪聲譜級(jí)未進(jìn)行觀測(cè)）。對(duì)比圖8（a）、8（b）發(fā)現(xiàn)，頻率20 Hz 和40 Hz 對(duì)應(yīng)的噪聲譜級(jí)隨深度的變化而變得雜亂無章，且20 Hz 處的噪聲譜級(jí)均大于40 Hz 處的譜級(jí)。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(hào)，其譜級(jí)垂向復(fù)雜度可能與低階簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)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(jí)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(shí)海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)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(cè)的東中國(guó)海夏季某海域海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，分別從時(shí)頻圖特性、噪聲級(jí)統(tǒng)計(jì)特性和風(fēng)關(guān)特性三個(gè)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(jí)約為110 dB，隨著頻率的增加，噪聲級(jí)逐漸減小。

（2）海洋環(huán)境噪聲級(jí)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(duì)低頻段的環(huán)境噪聲級(jí)概率分布幾乎無影響，對(duì)高頻段噪聲級(jí)的正態(tài)分布的均值和方差會(huì)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(jí)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(shí)，高頻段的風(fēng)關(guān)噪聲的譜級(jí)基本不隨深度變化。40 Hz 以下的譜級(jí)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(jiǎn)正波疊加的影響，有待進(jìn)一步的分析研究。