（信号与信息处理专业论文）基于矢量水听器的海洋环境噪声测量装置及分析软件设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 分析海洋环境噪声矢量场特性对低噪声潜艇辐射噪声的测量、信号检测、 设备抗干扰能力和系统测量增益的有效提高、以及优化阵的设计技术和海洋 环境噪声测量设备( 浮标和布阵) 的研究具有重要的作用。 本文在研究海洋环境噪声和矢量水听器等基本理论的基础上，设计了基 于矢量水听器的海洋环境噪声测量存储装置，包括：装置的机械结构( 矢量 水听器的固定方式和壳体及其内部结构) 、内部电路的结构框图、电路器件的 选取原则，以及该测量存储装置的工作流程；与此同时，还设计了环境噪声 的测量系统和试验方案。 通过理论推导、计算机仿真运算，最终实现了海洋环境噪声矢量场特性 分析软件。该分析软件可以简便、快捷地计算出能反映海洋环境噪声矢量场 特性的几个基本物理量，即测量点处声压和质点振速任意一个正交分量间或 质点振速两个正交分量间的相干系数、谱密度和相位谱，以及所研究频段范 围内的海洋环境噪声源的方向和声压级。通过分析在不同测量条件下算得的 这几个物理量，还可以了解海洋环境噪声矢量场特性及其随条件变化而改变 的统计规律。 关键词：海洋环境噪声；矢量场特性；测量装置；分析软件 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fo c e a na m b i e n tn o i s ev e c t o rf i e l di su s e f u l0 1 1m a n y a s p e c t s ，i n c l u d i n gt h em e a s u r e m e n to f n o i s er a d i a t e df r o mq u i e ts u b m a r i n e ，s i g n a l d e t e c t i o n ，g r e a ti m p r o v e m e n to f t h ea n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t yf o re q u i p m e n ta n dt h e g a i ni ni n s t m m e n m f i o ns y s t e m a tt h es a m et i m e ，i ti sa l s ov e r yi m p o r t a n t t ot h e o p t i m u md e s i g no fh y d r o p h o n ea r r a ya n dt h ed e p l o y m e n to fo c e a na m b i e n tn o i s e m e a s u r e m e n td e v i c e a l t e r s t u d y i n g t h eb a s i c t h e o r y o fo c e a na m b i e n tn o i s ea n dv e c t o r h y d r o p h o n e ，am e a s u r i n ga n ds t o r i n gd e v i c ef o ro c e a na m b i e n tn o i s ei sd e s i g n e d ， b a s e d0 1 1v e c t o rh y d r o p h o n e d e s i g n so f t h ed e v i c ei n c l u d eam e c h a n i c a ls t r u c t u r e ， af r a m ed i a g r a mo fc i r c u i ti n s i d et h es h e l l ，p r i n c i p l eo fc o m p o n e n ts e l e c t i n g , a n d t h ew o r k f l o wf o rt h em e a s u r e m e n td e v i c e 。1 1 l ed e s i g no f t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e o ft h em e 嬲u r e m e n td e v i c ei n c l u d e sw a y so f6 ，【i n gv e c t o rh y d r o p h o n ea n ds h e l l ， a n ds t r u c t u r eo fi n t e r n a ls h e l l m e a n w h i l e ，d e s i g nt h ea m b i e n tn o i s em e a s u r e m e n t s y s t e ma n ds c h e m et h ee x p e r i m e n to f a m b i e n tn o i s em e a s u r e m e n t b yd e d u c t i o n so f t h e o r ya n ds i m u l a t i o n so f a l g o r i t h m s ，a n a l y z i n gs o f t w a r ei s r e a l i z e da tl a s t ，b yw h i c ha l lp h y s i c a lq u a n t i t i e sc a nb ec o n v e n i e n t l yc a l c u l a t e d t h e s ep h y s i c a lq u a n t i t i e sc a nr e f l e c ta n db eu s e dt oc o n c l u d et h ec h a r a c t e r i s t i c so f o c e a na m b i e n tn o i s ev e c t o rf i e l d , i n c l u d i n gt h ec o h e r e n t c o e f f i c i e n t , p h a s e s p e c t r u ma n ds p e e t m ld e n s i t yw h i c ha l eb e t w e e no c e a na m b i e n tn o i s ep r e s s u r e a n da n yo n eo ra n yt w oo f t h et h r e eo r t h o g o n a lc o m p o n e n t so f v i b r a t i o nv e l o c i t y , t h ed i r e c t i o no fo c e a na m b i e n tn o i s es o n r c e sw h o s ef r e q u e n c yi si nt h es p e c i f i e d f r e q u e n c yr a n g e ，a n dt h eo c e a na m b i e n tn o i s e sp r e s s u r el e v e l b ym e a n so f a n a d y z i n gt h o s ep h y s i c a lq u a n t i f i e sc a l c u l a t e di nd i f f e r e n tc o n d i t i o n , c o n c l u d i n g t h es t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i c so fo c e a na m b i e n tn o i s ev e c t o rf i e l da n dt h e i rv a r i e t y w i t hd i f f e r e n tm e a s u r c m e mc o n d i t i o n k e yw o r d s ：o c e a na m b i e n tn o i s e ；c h a r a c t e r i s t i c so fv e c t o rf i e l d ；m e a s u r e m e n t d e v i c e ；a n a l y z i n gs o r w a r e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：玉趁 日期：劫7 年易月侈日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 立题意义 人们预言：在2 1 世纪人类将更多地依赖地球上的蓝宝石一海洋，将更多 地从海洋中获取食物、能源、矿石，将从海洋中探索地球上生物起源的奥秘。 而迄今为止，在人们熟知的各种能量形式中，只有声波在海洋中具有最佳的 传播性能。因而，水声技术就成为人们研究和探索海洋的主要手段。 在进行海洋研究的时候，可以把海洋环境噪声看作是水声信道中的一种 背景干扰场。无论是对被动声纳还是主动声纳，海洋环境噪声都是其不可避 免的干扰。其中，作用于接收阵的海洋环境噪声场强度与结构是影响水声系 统性能的主要因素之一，因此，将环境噪声矢量场特性，与接收装置的设计、 布设、以及适当的信号处理方法相结合，将会极大地改善水声系统的性能。 实际上，不能只把海洋环境噪声看作是水声接收的一种干扰，在许多情 况下，还必须把水听器接收到的噪声看作是有用的信号。它携带着海区的水 文、生物甚至是气象的信息，在某种程度的可靠性下，可以根据海洋环境噪 声矢量场的特性来推测海洋上的风速、海浪的基频、以及海底的声参数等。 随着潜艇辐射噪声的降低，对潜艇辐射噪声检测、评估的方法和手段提 出了更高的要求，为了测量低噪声潜艇的辐射噪声，必须对潜艇试验海区的 海洋环境噪声矢量场特性有一个深入的了解。 目前，海洋环境噪声矢量场特性研究已经成为水声设备探测、以及测量 评估潜艇噪声特性和特征控制效果的关键技术和决定性因素之一。 国外许多国家都非常重视海洋环境噪声矢量场特性研究，它们的发展趋 势是把目标特性的测量评估、海洋环境噪声特性影响、海洋环境噪声建模、 水声探测、水中兵器设计等统一起来，综合考虑。在目标探测和测量中，非 常重视利用海洋环境噪声矢量场的声学特征和规律来提高探测或测量系统的 增益。美国在提高未来反潜系统性能需解决的关键问题中，已经把海洋环境 噪声矢量场特性的研究和利用作为今后1 0 年提高探测系统增益的主要依据 之一，可见其对海洋环境噪声矢量场的重视程度。 由于海洋环境的特殊性和复杂性，目标固有的声场特性既受到海洋环境 哈尔滨工程大学硕士学位论文 噪声波导多途效应的褶积性干扰，又受到海洋环境噪声的叠加影响。根据国 外经验，有效提高系统测量增益的信号处理技术，是在已知环境噪声场的方 向性、频谱特征、以及时一空相干特性等基本物理特征的基础上进行的，而 我国基本上没有对环境噪声矢量场特性进行长时间的测量和分析。因而，为 提高我国水声设备的探测能力和对低噪声潜艇的测试和评估能力，开展海洋 环境噪声矢量场特性研究是必不可少的重要环节。我国在“八五”和“九五”科 研实践期间，在技术和设备等方面为海洋环境噪声数据的采集和研究作了必 要的储备。但在系统地、有目的地、有计划地研究和利用海洋环境噪声矢量 场特性方面，我国与国外相比还存在一定的差距。 因此，本课题组决定开展海洋环境噪声矢量场特性方面的研究。本文是 在学习研究海洋环境噪声矢量场特性分析理论的基础上，构建了基于矢量水 听器的海洋环境噪声测量系统，并用m a t l a b 语言编写了海洋环境噪声矢 量场特性分析软件。 1 2 海洋环境噪声源概述 海洋环境噪声，又可以称为自然噪声，是水声信道的一种干扰背景场。 经过多年对海洋环境噪声的测量、研究，大大扩展了人们对海洋噪声源、及 其特性的认识。研究结果表明：无论是深海，还是浅海，海洋环境噪声场都 是多种声源的综合效应，对应其谱线的不同部分，这些声源中的某个或某几 个起着主要作用，其它声源的作用则是次要的。在所研究的频率范围内，环 境噪声在不同的频率上有不同的特性，并且随着环境条件( 例如风速等) 的 变化而变化。图1 1 很好地说明了深海环境噪声谱线的不同部分对应着不同 的主要声源。 该图是上世纪六十年代w c n z 在k n u d s o n 噪声谱级图的基础上，经过进 一步的分析总结，提出了海洋环境噪声文兹谱级图。如图所示：图中曲线大 体上可以分成互相覆盖的三段： ( 1 ) 1 h z - - 1 0 0 h z ：在此低频范围内每倍频程有8 d b 到1 0 d b 的衰减，此频 段的主要噪声源是潮、浪、涌的压力脉动、大尺度湍流以及远处的风暴、 地震，并且此频段的噪声级与风速无关。 ( 2 ) 1 0 i - i z - - 5 0 0 i - i z ：在此频率范围内有一段与风速无关，并经常有极值的谱， 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 且极值的位置变动较大。总的来说，这段谱较为平缓，它的主要噪声源 是远处的航船，并且这段谱级的强弱与航运的频繁程度有关。 ( 3 ) 5 0 0 h z - - 2 5 0 0 h z ，此频段内存在一个与风速、海况相关的谱级，且每倍 频程有5 d 骷_ 6 d b 的衰减，这一频段的噪声主要来源于风动海面“1 。 图1 1 深海环境噪声文兹谱级图 根据对海洋环境噪声文兹谱级图的分析可知：三个相互覆盖频段上的主 要噪声源是不同的。为了在测量、分析时，可以根据测量结果和测量条件分 析各噪声源对海洋环境噪声的影响，首先需要了解海洋环境噪声的主要噪声 源、及其性质。下面分别阐述深海、浅海的主要噪声源、以及间歇噪声源。 深海噪声源 从低频到高频的主要深海噪声源如下： ( 1 ) 潮汐和波浪的海水静压力效应 哈尔滨工程大学硕士学位论文 海洋潮汐会在压力谱中频率为l 或2 周，日处产生线状谱分量，它的频率 远低于通常水声设备的工作频率。海面波浪引起海水静压力变化的幅度随深 度的增加和表面波浪的减小而迅速降低，在深水中，这种干扰的影响并不严 重，可以不用考虑。 ( 2 ) 地震扰动 微震扰动或者地壳通常的运动具有约1 7 h z 的准周期性，在底层上有 1 0 - 4 c m 量级的垂直振幅，它们可以被认为是非常低频率范围内海洋环境噪声 的主要源。 ( 3 ) 海洋湍流 海洋中或大或小的无规则随机水流形成的湍流能够以凡种方式产生噪 声：首先，湍流会使水听器、电缆等颤动或作响，这是一种自噪声，不是环 境噪声的一部分，不需考虑；其次，湍流的压力变化会辐射到一定距离处， 在湍流以外的海水中产生噪声，并且它会随距离增大而迅速衰减，因此，这 种辐射噪声并不重要，也不用考虑；其三，湍流区内部压力变化的声效应， 对它估算的频谱与在1 h z 至2 0 h z 的十倍频程内所观测到的环境嗓声频谱非 常符合，因此，可以推断深海洋流的湍流是一种低频噪声源。 ( 4 ) 行船 通过观察大量的测量结果可知：首先，频率在1 0 0 h z 附近的环境噪声与 风和天气无关，并且其到达深水处水听器的方向接近水平；其次，频率在5 0 h z 至5 0 0 h z - 范围内的环境噪声，在航船频繁海区比在航船稀少的海区测量值高， 而且在此频率范围内，观测到的环境噪声谱有一段突起，或者一段平坦部分， 与船舶辐射噪声谱的极大值相当符合。由此可推断：频率在5 0 h z 至5 0 0 h z 的十倍频程内，远处航船是环境噪声的主要噪声源。 ( 5 ) 海面波浪 大量的测量结果表明：在5 0 0 h z 至2 5 k h z 的频率范围内，环境噪声级与 海况有直接关系，而且噪声级与用于测量的水听器所在地的风速有关。因此， 海面粗糙度是更高频段环境噪声的主要源。 ( 6 ) 分子热噪声 海洋分子的热嗓声会限制水听器的高频灵敏度。它会在高于2 5 k h z 的频 率范围内起主要作用。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 浅海噪声源 与较为确定的深海环境噪声情形相反，浅海环境噪声的变化要大得多， 其环境噪声源在不同时间和不同地点都会显著地不同，某一频率下的环境噪 声主要是由以下三类噪声源以不同的形式混合而成。 ( 1 ) 行船和工业噪声 ( 2 ) 风成噪声 ( 3 ) 生物噪声 在一个特定的时间和地点，环境噪声特性取决于这些声源的“混合”情况。 因为这种混合情况会随时间、地点的变化而发生变化，所以环境噪声特性也 就表现出时时、处处有显著的变化性。因此，在海湾、港口以及近海地区， 仅能给出环境噪声特性的粗略指示。 海洋环境噪声的间歇源 所谓间歇声源是指暂时存在的噪声源，海洋中有许多间歇噪声源。其中 几种主要的间歇源如下： ( 1 ) 生物噪声 该噪声主要是指鲸、某些鱼和虾等生物发出的噪声，有时会高出背景噪 声3 0 d b 至5 0 d b 。生物噪声所占频带较宽，占据了1 0 h z 至几十k h z 范围内 的频段，最大的噪声强度值一般出现在2 0 0 h z 至4 k h z 之间。生物噪声的地 域性和季节性较强，帝汶岛海域的生物噪声分布在1 0 0 h z 至2 k h z 的频率范 围内，声源谱级大约在1 2 7 d b 至1 5 0 d b 之间，而日本海河弗罗里达海区的生 物噪声分布在3 0 0 h z 至6 0 0 h z 的频率范围内。 ( 2 ) 降雨 降雨显然会提高噪声级，其增加的程度与降雨率有关，甚至还可能与整 个降雨面积有关。与小雨的谱相比，大雨的谱有所不同，小雨的频谱在1 5 k h z 附近出现一个峰，而暴雨在l k h z 至1 0 k h z 之间的噪声谱接近白噪声的谱。 降雨产生的噪声谱有时能达到几十分贝。 ( 3 ) 二十周脉冲 该脉冲是由约为1 s 脉宽的近似2 0 周的正弦脉冲构成的序列，它的总辐 哈尔滨工程大学硕士学位论文 射功率估计在1 w 到2 5 w 之间。 ( 4 ) 爆炸 用于近海地震勘探以及用于科学研究的爆炸声源日益增多，使在深海测 量的环境噪声中经常出现远处的爆炸声。 ( 5 ) 地震和火山活动 海中地震( 海底地震) 也会产生间歇性噪声，其持续期约为几个秒量级， 频率出现在低频段内”。 1 3 海洋环境噪声的研究现状 在第二次世界大战期间，k n u d s e n 等人在大西洋等海域对5 0 0 h z 至 2 5 0 0 0 h z 频率范围内的深海环境噪声进行了大量观测，拉开了海洋环境噪声 实验研究的序幕。他指出了海况( 或风力) 和环境噪声之间的直接关系，在 这些数据的基础上，得出以海况( 或风力) 为参量的著名k n u d s e n 谱曲线。 后来人们提出了各种从简单到复杂的环境噪声理论模型，于是一代代的科学 家对海洋环境噪声展开了更深入的研究。这些研究涉及了深海和浅海的不同 海域、不同季节、不同时间的环境噪声，噪声源主要是风关噪声、远处航船 噪声、雨噪声、冰下噪声、生物噪声等；研究的频段从几赫兹至几十赫兹、 甚至几千赫兹；测量的手段包括坐底式的单水听器、船用或浮标用垂直水听 器阵等；涉及的海域有西北大西洋、东北太平洋、西太平洋、东印度洋、西 北印度洋、巴哈马、百慕大、地中海、加拿大东部海域、中国南海和东海、 澳大利亚周边海域、南挪威海、墨西哥北部海湾、北冰洋、南极海域等；研 究环境噪声的特性物理量起初局限于作为海况、风速和船只密度函数的平均 噪声功率谱，后来涉及了噪声强度随时间和深度的变化、噪声的垂直指向性、 水平指向性、环境噪声谱级和环境噪声与噪声源( 风和雨) 的关系等。试验 研究的结果表明：无论是深海还是浅海不同海区、不同季节、不同海况、有 的甚至一天中不同时间的环境噪声特性有较大的差异，并证明了海底、声速 剖面等环境因素( 特别是浅海中的) 对环境噪声有较大的影响。 总结近几年国内外几个著名的环境噪声测量试验，主要总结各试验的试 验情况、试验设备、和试验结论。 南挪威海的环境噪声测量 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从1 9 5 7 年初到1 9 6 1 年，海军研究办公室在南挪威海测量记录了海洋环 境噪声。实验中用到的水听器分为两种：一种是s h o r e - t e r m i n a t e d 水听器，它是 有效频带为l o - - 5 0 0 c p s ( 周，秒) 、动卷积、油填充的无指向性水听器；另一 种是b o t t o m - m o u n t e d 水听器，其是从3 0 c p s 到2 2 k e p s 具有相对平坦频率响应 的钡钛酸盐水听器。在试验过程中共使用了四个水听器，即前面提到的两种 水听器，每种使用两个。试验时，第一种的两个水听器放置在3 5 0 f a t h o m 水 深处测量环境噪声，而另一种的两个水听器放置在2 4 0 f a t h o m 水深处测量环 境噪声。 分析测得的数据可得到如下结论：与大西洋西北部深海的环境噪声谱相 比，南挪威海的环境噪声谱线相对平垣，且在高于l o o c p s 频点上的声压级比 较高。4 0 0 c p s 频率以下的频谱随季节变化而变化的情况为：每年在5 0 c p s 处 从冬季高谱级到夏季中旬低谱级的偏移量约为5 d b ，1 0 0 c p s 处的偏移量约为 3 5 d b 。尽管高频处的谱级不随季节变化，但高频处的谱级会随着当地的天气 变化而发生改变。声速与8 0 0 c p s 和1 0 0 0 c p s 频点处的环境噪声有很好的相关 性。最后总结出测量海区的海洋环境噪声有两个特性：一是热量结构和海底 缓坡共同导致该海区有较高的传播损失，进而限制底部水听器对局部地区环 境噪声的测量；二是除了夏季几天海面平静无波外，其余时间该海区天气恶 劣，并且长年有大风和高的海浪“。 印度洋西北部的环境噪声测量 1 9 7 7 年初在印度洋西北部进行了环境噪声测量试验，试验历经四个月， 试验共设计了五个环境噪声测量点，最后通过比较五个测量点的测量数据， 得到分析结果。这五个测量点分别是阿曼海湾、波斯湾到好望角主航线东部 海山的一侧、阿拉伯盆地、索马里盆地、c a r l s b e r g 的北部边缘。 测量时用到的设备有：五艘船、许多个v pa i r c r a f t 、两个拖拽阵( o a m s 和l a t a ) 、一个安装在海底的阵( b o t t o m - m o u n t e da r r a yb m a ) 、几个浮标、 垂直分布的声传感器系统、以及许多海洋学和声学的环境探测针。b m a 是由 八个水听器组成的，这八个水听器可按任何预定的间隔展开，所有的水听器 都能放在海底，其中的几个也可以悬浮。这里用到的b m a 无指向性噪声测 量结果是从每个测量点放置最深的水听器上读取的。垂直数据仓( t h ev e r t i c a l 7 啥尔滨工程大学硕士学位论文 a c o u s t i c d a t a c a p s u l e a c o d a c ) 是由一个带有1 3 个水听器的垂直阵、一个 直径为l m 的压力容器( 容器内包括采集和记录数据电路) 、一个用来悬挂整 个阵的水下漂浮物、声学释放器、和锚构成的。a c o d a c 是一个长期无人看 管的记录仪，它可以连续工作1 3 6 天，若选择间歇性工作状态，它可以工作 几个月。o a m s 是由一个长为9 2 6 m 的拖拽阵和一个包括3 2 个水听器组的活 动部分构成。这3 2 个水听器组在余弦空间是均匀分布的，每个水听器组包括 1 7 个水听器。l a t a 是一个由6 4 个均匀分布的阵元构成的阵，在同一深度， 可根据两个不同测量点噪声级的高低来判断环境噪声的水平指向性，可通过 看深度变化噪声级是否发生变化，来判断深度依赖性。 经对试验数据分析得到如下结论：在1 0 h z 到1 0 0 h z 的频率范围内，所 有测量点中测量点l 的无指向性噪声级是最高的，比百慕大群岛附近的噪声 级大约高1 0 d b ，主要是因为在测量点l 有许多航行的船舶。测量点3 的噪声 级只比测量点1 的略低几分贝与测量点1 相比，测量点4 的噪声级大约低 4 d b 到8 d b 。测量点2 和5 处的噪声级相当低，几乎等价于百慕大群岛处的 噪声级，约比东北太平洋的噪声级高3 d b 到5 d b 。在高于3 0 0 h z 频段处，所 有测量点的噪声是随着风速和海况的变化而变化。 测量点l 、3 、4 的噪声在水平方向上有明确的偏移。在测量点3 ，测量 点1 的航船是影响其水平指向性的主要因素。沿着非洲海岸航行的船舶是影 响测量点4 水平指向性的决定性因素。测量点2 处的噪声是正态分布的，表 明测量点附近无航船。 由于高密度、近距离航船和海底条件的限制，在测量点1 北部和测量点 4 有低于2 d b 到3 d b 的噪声深度依赖性”。 阿拉斯加东南部偏僻海湾的环境噪声测量 1 9 8 9 年十月中旬到十二月中旬在5 可拉斯加东南部偏僻海湾使用a m b i e n t n o i s ed a t al o g g e r ( a n d l ) 浮标进行了海洋环境噪声测量试验。 a n d l 浮标是由s p a r t o n d e f e n s ee l e c t r o n i c s 设计并建造的。该浮标测量 并记录从1 0 h z 到1 5 0 0 h z 声压级的风速和无指向性环境噪声。浮标结构如图 1 2 所示。 浮标中海表面漂浮物的直径是3 英尺，内部装有浮标电路和电池。风速 哈尔滨工程大学硕士学位论文 计放在它的顶端，大约高于海表面3 英尺。一个雷达反射镜和一个航海灯也 放在海表面漂浮物的顶端，为了告知航船它的存在、以及方便回收。浮标大 约放在水下1 2 0 0 英尺处。 图1 2 a n d l 浮标 对采集的数据进行分析可得到如下结论：当风速为5 节时，5 0 0 h z 处测 量的环境噪声级，低于适用于广阔海洋风成噪声的努森曲线。当风速从5 节 增加到l o 节时，测量的环境噪声级接近努森曲线，此时风速每增加一节环境 噪声级就增加4 d b ，而对于努森曲线风速每增加一节环境噪声级只增加i d b 。 当风速高于1 0 节时，测得的环境噪声级与努森曲线相匹配”。 加拿大东部浅海环境噪声测量 为了加深对加拿大东部浅海环境噪声的时间变化性和空间变化性的了 解，从1 9 9 5 年1 2 月到1 9 9 6 年1 2 月，历经一年时间，在这一海域进行了浅 海环境噪声测量试验。 在试验过程中，共选用了四种声学传感器，如表1 1 所示。试验在一年 时间内，从四个测量点测得包括多种环境情况( 包括：不同风速、不同海水 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 温度剖面、不同航船情况、以及鲸鱼的不同分布情况) 的数据。通过对测量 数据的分析，得到如下结论： 鲸鱼出没地方的数据在2 0 h z 处具有很强的年周期性。观察鲸鱼出现季 节( 1 2 月到1 月) 的数据，会很容易发现这一特点。 西海岸有很高的噪声级，主要是因为西海岸有钻井平台，爱尔兰盆地的 噪声级也很高，是因为那汇集了许多去哈利法克斯的航线。从航船出现频率 的角度讲，阿瓦隆半岛南部海域和全部浅滩相对比较安静。 当风速高于1 0 节时，风速和噪声级的关系函数与m e r k l i n g e rs t o c k h a u s e n 模型相匹配。当风速低于l o 节时，风速和噪声级的关系函数与m e r k l i n g e r s t o c k h a u s e n 模型不匹配，尤其是在5 0 0 h z 到1 0 0 0 h z 频带范围内的低频处不 匹配的程度更大，推测可能是航船噪声影响了这些频点。 以上结论论证了噪声级与风速和航船有很大关系”。 表1 1 测量选用的四种声学传感器 n es e n s o rt y p eb a n d w i d t h a q s - 5 3 d ( 2 ) o m n i & h o r i z o n t a ld i r e e t i v i t y1 m - 2 0 0 0 h z a q s - 5 2 5 o m n i & l i m i t e dv e r t i c a ld i r e e t i v i t y 10 _ _ 2 0 0 0 h z a q s - 5 2 7 o r n n i 1 m - 2 0 0 h z a q s 一5 7 b c a l i b r a t e do m n i1 0 h z - 4 0 k h z 中国南海的环境噪声测量 2 0 0 1 年5 月2 日到2 0 0 1 年5 月1 8 日，在中国南海进行了亚洲海洋的国 际声学实验( a s i a ns e a si n t e r n a t i o n a l a c o u s t i ce x p e r i m e n t a s i a e x ) 。 试验中用到的设备主要包括：e d g et e e h a m 2 0 0r e l e a s e s ( 用于停泊的主 要设备) 、多通道的数据采集系统( 是由一个带着p e n t i u m m 6 0 0 m h zc p u 和 6 4 m b 存储器的紧凑的p c i 底盘、一个国产的a d 、和定制的预先给a d 提 供信号的电路板构成的) 、包括一个3 2 个阵元的水平阵和一个1 6 个阵元的垂 直阵的测量设备，该测量设备是在1 2 4 5 m 深的水下展开，阵的采样率是 3 2 5 5 2 0 8 h z 。实验用到的是垂直阵测量的数据。垂直阵中的1 6 个水听器在空 间上不是均匀分布的，上面l o 个水听器的间隔是3 7 5 m ，而其余6 个水听器 i o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的间隔是7 5 m 。每个水昕器是由一个一1 9 8 d b r e l v o l t # p a 灵敏度的 h t i 9 4 s s q 水听器和一个1 8 d b 通用前置放大器组成的。选用通用模式前置 放大器是因为它可以消除阵列电缆中的通道间干扰。结合使用水听器和前置 放大器可以使响应在2 0 h z 到2 0 k h z 的频率范围内近似平坦。前置放大器的 自噪声特征如下： ( 1 ) 在1 0 h z 处，5 4 d br e l g p a 2 h z ( 2 ) 在1 0 0 h z 处，4 0 d br e l g p a 2 h z ； ( 3 ) 在大于等于1 0 0 0 h z 处，3 8 d b r e l # 一a 2 f h z 。 在实验中分析了测量环境噪声级的波动性和指向性，对静态水压和温度 变化也作了类似的分析、并对内波进行了测量研究。在实验期间，台风 c i m a r o n 通过实验海区。通过对台风经过前、经过时和经过后的测量数据分 析可知：台风在高频处提高了环境噪声级，并且影响潮汐的波动，环境噪声 级受风影响的频率转折点约在4 0 0 h z 处。然后，用波束形成的方法计算了浅 海环境噪声的指向性。由于浅海边界对声传播有显著的影响，所以，算得的 环境噪声指向性强烈地随时间变化。实验过程中主要研究的频点为：5 0 h z 、 1 0 0 h z 、2 0 0 h z 、4 0 0 h z 、8 0 0 h z 和1 2 0 0 h z m 。 通过以上对南挪威海、印度洋西北部、阿拉斯加东南部偏僻海湾、加拿 大东部浅海、中国南海环境噪声测量试验的简要叙述可知，以上试验分析的 海洋环境噪声的物理量主要是声压级，分析其随环境条件( 地理位置、风速) 变化的统计特性，并几乎没有涉及海洋环境噪声场的矢量特性分析。因此， 海洋环境噪声矢量场特性的研究、分析具有重要的现实意义。 同时，通过对以上试验设备的简要描述可知，以上试验的测量设备主要 是基于水昕器阵的测量系统，并且该测量系统体积庞大、结构复杂。而一种 新型的测量设备一矢量水听器，它与传统的水听器相比具有很多优点，列举 如下： ( 1 ) 矢量水听器更多地给出了声场的信息，这就为更深刻的理解声场和声 源的特性提供了可能； ( 2 ) 单个矢量水听器可以确定声源的方向，而且不存在声压水听器阵测量 声源方位时，固有的左右舷模糊问题； ( 3 ) 单个矢量水听器的尺寸十分有限，与长达上千米的线列阵相比，无论 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是在技术上、经费上，还是在实际作业上，矢量水听器都具有十分明 显的优越性； ( 4 ) 声压水听器阵的指向性随频率而交，仅在设定的频率上可得到预想的 指向性，在其它频率上，指向性将变坏。而矢量水听器的工作原理， 决定了它自身就具有指向性，并且这种指向性不受工作频率的影响， 即使在很低的频率上也照样存在。矢量水听器的这种指向性，使其具 备了良好的抗干扰特性，提高了接收信号的信噪比； ( 5 ) 水听器的一个重要技术指标就是灵敏度，就单个声压水听器而言，其 灵敏度约在一2 0 0 d b 到2 1 0 d b 左右，而矢量水听器的灵敏度则要比其高 出许多，约在1 7 0 d b 到1 9 0 d b 。由此可见矢量水听器可以检测到微弱 信号，从而提高了水听器的作用距离。 基于以上优点，本文决定选用矢量水听器作为海洋环境噪声测量装置的 核心设备。 1 4 矢量水昕器简介 随着科技的进步，新型消声材料和低噪声安静型潜艇的出现，传统的水 下目标探测手段面临着新的挑战。为了解决远程探测问题，从二十世纪七十 年代起各国开始重视低频大功率换能器的研制，从而加大主动声纳的作用距 离。然而由于受到舰体尺寸的制约，使得这一技术的发展受到了一定的限制。 同时，各国也开始研究用于接收信号的拖线阵。经过多年的发展，到八十年 代初美国首次在水面舰艇上部署了警戒拖线阵s u r t u s s ( s u r v e i l l e n c e t o w e d - a r r a ys e n s o rs y s t e m ) 系统a n u q q - 2 、战术拖线阵t a c t a s 系统 a n s q r - 1 8 和a n s q r - 1 9 、t b 1 6 潜用粗线阵、t b 2 3 和t b - 2 9 潜用细线阵 等。 对于拖拽线阵声纳而言，良好的方位估计性能尤为重要，然而，它的方 位估计性能受到左右舷模糊问题和线列阵的物理孔径限制。传统的拖拽线列 阵声纳的基阵是由无指向性声压水听器构成的直线阵，它的指向性是圆柱对 称的，即以线阵为轴在某一转角的圆锥面上对入射信号的响应是完全一致的， 因此存在着方位模糊问题。在通常情况下，对于探测水面舰艇只需要考虑水 平面入射信号的方向，这时就要分清信号究竟是来自左舷还是右舷，也就是 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通常所说的拖线阵左右舷模糊问题”9 】。 为了克服物理孔径的限制并在左右舷判别上实现突破，采用矢量水听器 作为噪声接收器，完成对水面和水下目标的远程探测。又因为矢量水听器可 用来测量声场中的声能流，并且在噪声场中具有各向同性噪声抵消的优点”， 所以可以在极其恶劣的环境中进行目标探测。 二十世纪末期，以美国和前苏联为首的军事强国率先研制出了矢量水听 器，最近，已经有美国将矢量水听器应用于常规尺寸拖线阵的相关报道。 作为一种新型水声接收设备，矢量水听器具有诸多优于声压水听器的特点， 因此一经出现即在水声技术各领域得到广泛应用，并将矢量水听器技术誉为 “二十一世纪的水声技术”。 1 4 1 矢量水听器的研究进展 美国的研究进展 早在上世纪五十年代中期，美国海军军械实验室( u s n o l ) 的c b l e s l i e 就成功研制了两种型号的动圈式振速水昕器( s v _ l 和s v - 2 型振速水听器) ”4 。 接着，他在上述两种振速水听器的基础上研制出了相应的二维矢量水昕器， 构成了具有目标检测和定向能力的a n s s q 5 3 无线电声纳浮标d i f a r 系统。 在上世纪8 0 年代末，美国海洋物理研究室使用次声频水昕器和地音探测传感 器构成了矢量水听器阵s w a l l o w 浮标系统”，并在加利福尼亚海域进行了 一系列试验，以1 5 0 m 的垂直间距在4 0 0 m 到1 3 0 0 m 的水深范围内均匀布放 基元，工作频带覆盖范围是0 6 h z 到2 0 h z 的次声频。试验结果表明，对于 包括舰船、蓝鲸等发出的次声频声波，用此系统作为声强接收装置时的信噪 比要比传统的声压水听器阵高出3 d b 到6 d b 。 前苏联和俄罗斯的研究进展 在认识到了矢量水听器巨大的军事应用前景之后，前苏联也积极地开展 了矢量水听器的研制和应用研究。经过近三十年的努力，研制出一系列不同 用途的、实用的、多维的矢量水听器。前苏联于1 9 8 3 年研制成功了矢量水听 器低噪声测量系统c f a c - - 4 9 6 ，其改进型为f 1 4 a 2 0 1 ：二十世纪八十年代末、 九十年代初俄罗斯太平洋海洋技术研究所用联合接收器浮标系统t a r i c - - 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在日本海、库页岛、勘察加半岛和南中国海等海域的大陆架和深海处进行了 一系列噪声声强测量，分析频带大多在1 0 h z 到l k h z 之间，研究结果表明， 与单声压水听器相比，声强的信噪比可以提高约1 0 d b 到2 0 d b ，突显了矢量 水听器在工程应用上的优越性”。 国内的研究进展 在国内，哈尔滨工程大学走在国内矢量水听器研究的前列。早在“八五” 期间，哈尔滨工程大学就开展了一维矢量水听器和一维矢量水听器校准装置 的研制。经过五年的辛苦努力，在我国首次研制成功了两种结构形式( 弯曲 圆片型和球形) 的一维矢量水听器，并积累了丰富的经验。 在理论方面，利用集中参数系统的等效原理并结合声散射理论建立了用 于工程设计分析的一维矢量水听器力学模型。在原理设计方面，重点研究了 矢量水昕器尺寸、材料等参数与传感器接收性能的关系，在综合分析的基础 上，建立了一维矢量水听器的设计规范。在基础材料和工艺方面，解决了敏 感元件、背衬材料、密封材料、微型前置放大器等诸多难题。在校准方面， 解决了一维矢量水听器的自由场校准方法，并建立了一维矢量水听器的实验 室校准装置。 在本世纪初哈尔滨工程大学又自主研发了多种类型的矢量水听器，主要 有动圈式矢量水听器、悬臂梁式弯曲振动模矢量水听器“”、压电圆盘弯式同 振型矢量水听器“碰”、中频三维球形矢量水听器以及中频小型矢量水听器等 多种不同频段、适应不同工程需求的矢量水听器，为矢量水听器在国内工程 应用的开展奠定了坚实的基础。 1 4 2 矢量水听器的分类 矢量水听器是近十年间备受水声界关注的研究焦点之一。1 9 4 2 年美国贝 尔电话实验室设计的第一个动圈式振速水听器是现代矢量水听器的开端”4 。 1 9 5 8 年，g l b o y e r 成功研制了第一个声压梯度水听器”，在随后的几十年， 矢量水听器技术得到了飞速的发展，灵敏度高、工作频率达2 0 k h z 的矢量水 昕器已经问世。现在已经有了动圈式、压电式刚、光纤式归1 和高分子式。1 等多种矢量水听器技术。为了加深对矢量水听器的了解，下面将按不同的分 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 类标准对它进行简要介绍。 矢量水听器主要是由声压梯度水听器和声压水听器两部分组成，因此， 也可将其称为组合传感器。因为测量水下声场矢量( 声压梯度、质点振速、 加速度或位移) 的声压梯度水听器是矢量水听器的核心部分，所以，矢量水 听器的分类是以声压梯度水听器的分类为标准的。 按结构形式不同分类 矢量水听器按结构形式不同，可分为：双声压式矢量水听器、不动外壳 型矢量水听器和同振型矢量水听器，如图1 3 所示。 梃榘 ( a ) 双声压水听器型( b ) 不动外壳型 ( c ) 同振型 图1 3 结构形式不同的三种水听器 双声压式矢量水听器顾名思义，是由两个复数灵敏度( 幅值及相位的频 率响应) 相同并已知的声压水听器组成。水听器声中心之间的距离远小于相 应最高测量频率的声波波长。利用有限差分近似，和两个水听器输出电压的 差值信号，可计算出水听器声中心连线中点处的声压梯度或质点振速值。 不动外壳型矢量水听器是在大质量金属外壳或框架上安装敏感元件，当 哈尔滨工程大学硕士学位论文 水听器置于声场中时，外壳对声波呈现高的声阻抗，可以近似看作静止状态， 而敏感元件直接受到声场的作用，使其发生形变，从而实现从声到电的转换。 同振型矢量水听器就是将敏感元件置于球( 或圆柱) 形壳体内，声波不 直接作用于敏感元件上，而是作用在矢量水听器的外壳上，从而使球( 或圆 柱) 体作振荡运动。该类型的水听器在设计上要使球( 或圆柱) 体的平均密 度近似等于介质密度，从而使球( 或圆柱) 体以与水介质质点相同的幅度和 相位作振荡运动。同振型矢量水听器灵敏度高、灵敏度频响在工作频率范围 内起伏小；指向性图的对称性好、分辨力高，并且水听器体积小、质量轻。 按测量的物理量不同分类 矢量水听器按所测量的物理量不同，可分为：声压梯度矢量水听器、位 移矢量水听器、振速矢量水听器和加速度矢量水听器。 按测量物理量的空间响应不同分类 矢量水听器按测量物理量的空间响应不同，可分为：一维矢量水听器、 二维矢量水听器和三维矢量水听器。 1 5 本文的主要内容 本文在学习研究海洋环境噪声和矢量水听器等基本理论的基础上，设计 了基于矢量水听器的海洋环境噪声测量装置，并设计了环境噪声测量试验； 通过理论推导、计算机仿真运算，最终实现了海洋环境噪声矢量场特性分析 软件。本文主要内容如下： 首先，介绍了产生环境噪声的主要噪声源及其特性、海洋环境噪声的研 究现状、及本文设计的海洋环境噪声测量装置的核心设备矢量水听器的相 关知识。 然后，阐述了要进行海洋环境噪声矢量场特性分析所需的基本理论知识， 主要包括几个能反映海洋环境噪声特征的物理量( 谱密度、相位谱、相干函 数、声压谱级、总