海洋环境噪声.ppt

1 海洋环境噪声场建模及相关特性 2 疑问 通常情况下 等间距均匀直线阵的阵元间距是多少 任意 半波长 1倍波长 研究噪声的目的是什么 计算NL 噪声控制 3 1 基础知识 噪声是一种干扰SL 2TL TS NL DI DTSL TL NL DI DT噪声是一种信号根据噪声场参数与水文气象条件推测风速 海面波浪基频 海底的声反射系数研究海啸 冰情 鱼群 4 1 基础知识 海洋噪声分类动力噪声 波浪 湍流 降雨 自然空化冰下噪声 冰层的形成与运动生物噪声 海栖动物地震噪声 地壳运动 火山以及海啸工业噪声 航运噪声 港湾等的水下作业 5 1 基础知识 环境噪声不包括由附近舰船 海洋生物或降雨引起的瞬态声音 不包括一切形式的自噪声 如声纳周围的流噪声 去除所有可分辨的瞬态噪声源之后所残留下的那一部分声级 噪声源级被规定为1Hz带宽内的均方根声压级 单位 以1为参考的dB 以1为参考的dB 以1为参考的dB 6 噪声是一种随机过程噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数 功率谱是均匀的噪声 则称之为白噪声 1 基础知识 7 噪声是一种随机过程噪声声压有效值定义 等于介质阻抗为单位值时平均声强的平方根 如果假设噪声的均值为零 介质阻抗为单位值 则它的方差便等于平均声强 1 基础知识 8 1 基础知识 噪声的频谱分析噪声声压是一个随机量 与时间量之间不存在确定关系 因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义 随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量 反映了该过程各频率分量的平均强度 根据信号频谱曲线形状划分 线谱连续谱 9 噪声的频谱分析声强的平均频谱密度 声强频谱密度函数 带宽内的总声强 谱级 或 单位Hz带宽内的声强级 1 基础知识 10 噪声的频谱分析海洋环境噪声级假设水听器工作带宽内噪声谱为 且其响应是均匀的 则有 因此有提示 水下噪声是多种噪声源的综合叠加 每种噪声源的激励不尽相同 因此可能是线谱 也可能是连续谱 甚至是两种的叠加 1 基础知识 11 噪声的频谱分析当噪声源不只一个时 有效噪声背景的求取是对有贡献的噪声源按强度进行相加 例 已知100Hz时的航运噪声和6级海况下的噪声谱级分别为69dB 71dB 则总噪声谱级dB若声纳系统的工作带宽为100Hz 则总噪声级dB 1 基础知识 12 2 海洋表面噪声的空间相关函数 假设表面噪声源具有如下的指向性为的噪声强度 两水听器所接收到的由海面面元dS所辐射的噪声声压差一时延 13 2 海洋表面噪声的空间相关函数 面元噪声源辐射声压 接收点处总声压 14 2 海洋表面噪声的空间相关函数 假设和是平稳的 声压时空相关函数记 海面处噪声源自身的时空相关函数 15 2 海洋表面噪声的空间相关函数 因此 时空相关函数假定海面上的源是不相关的 即 与源坐标无关的面元噪声源辐射噪声的自相关函数 16 2 海洋表面噪声的空间相关函数 因此 时空相关函数又所以 17 2 海洋表面噪声的空间相关函数 引入变量则假设 垂直方向噪声场的相关系数为 18 2 海洋表面噪声的空间相关函数 假设 水平方向噪声场的相关系数为 19 2 海洋表面噪声的空间相关函数 讨论单频或窄带噪声 1 垂直方向噪声场的空间相关系数m 1时m 2时 20 2 海洋表面噪声的空间相关函数 讨论单频或窄带噪声 2 水平方向噪声场的空间相关系数m 1时又 所以 21 2 海洋表面噪声的空间相关函数 讨论单频或窄带噪声 2 水平方向噪声场的空间相关系数m 2时 22 2 海洋表面噪声的空间相关函数 对于单频或频带较窄的噪声 其相关特性曲线如下图 23 3 海洋噪声空间相关函数实验测量 当风和浪达3 4级时 300 400Hz以上的频率 上述模型与实验数据很一致 当风平浪静时 或在低频段 理论计算和实验数据的分歧通常很大 这可能与声折射和海底反射的忽略有影响 O600 800Hz 200 400Hzm 24级 200 400Hz v 6 7m s v 20m sm 2 24 3 海洋噪声空间相关函数实验测量 图a表明实验点与四级海况下对600 800Hz频带内的噪声的计算曲线极其相符 在同样条件下 对200 400Hz的较低频率所得数据已与近似曲线符合得不好 由于频率的降低 所有更远的源都对接收点处的噪声场结构有影响 而且从噪声源传来的信号几乎是沿水平方向的 O600 800Hz 200 400Hzm 24级 200 400Hz v 6 7m s v 20m sm 2 25 3 海洋噪声空间相关函数实验测量 图b表明只有在约20m s的强风条件下 实验和计算数据才很好地符合 当风速为6 7m s时 实验数据与低频噪声计算值有重大差别 O600 800Hz 200 400Hzm 24级 200 400Hz v 6 7m s v 20m sm 2 26 3 海洋噪声空间相关函数实验测量 结论 综合已有的资料表明 在300 400Hz以下频段内 当取噪声指向性函数的指数为0 5或1时 实验和计算结果符合得最好 对于500Hz以上的频率 则取1 2 3 同时 随风速增大或频率增高 指数应增大 从空间相关函数的形状可以得出噪声场各向异性的结论 这种各向异性随测量海区的风速和浪级的增长而加强 见下图 27 3 海洋噪声空间相关函数实验测量 三个坐标轴方向的噪声场空间相关特性测量曲线 28 3 海洋噪声空间相关函数实验测量 结论 在水平面内各向异性场的特点是 在平行于海面风浪和涌的波阵面的方向上有很大的声能流 看来 这种效应产生的原因在于来自远方的噪声的性质和传播条件 若海面波浪是规则的 则垂直于海面波浪及涌的波阵面传播的噪声比沿波阵面传播的噪声受到更大的散射 证实上述论断的实验结果为下图 在图中可以看到 垂直于风浪和涌的传播方向的能流具有较高的角密度 当基阵方向与水平面夹角为26度时 图形伸得最长 当基阵俯视角为 52度时 图像实际上是各向同性的 29 3 海洋噪声空间相关函数实验测量 海洋中海面波浪产生的噪声场的各向异性特征 30 4 海洋噪声场源的空间分布 建立噪声场理论模型 必须知道噪声源的空间分布及其基本特征 海洋动力学噪声场各种特性的实验研究结果一致表明 噪声源分布在海面附近 实验资料表明海面噪声源是非相关的 在大多数情况下 接收到的噪声谱与源的辐射谱是一致的 并且只是在高频段接收到的谱与辐射谱稍有差别 前者约以0 6 0 8dB Oct的速率向高频倾斜 31 答案 阵元间距要求小于1倍波长 通常取半波长 原因 均匀各向同性噪声场的空间相关函数第一零点为半波长 噪声场的研究还可进行海底声学参数的反演等 32 5 均匀各向同性噪声的空间相关函数 假设噪声源均匀分布在球面上 两水听器所接收到的由球面面元dS所辐射的噪声声压也只差一时延 33 5 均匀各向同性噪声的空间相关函数 面元噪声源辐射声压 接收点处总声压 34 5 均匀各向同性噪声的空间相关函数 假设和是平稳的 声压时空相关函数记 球面处噪声源自身的时空相关函数 35 5 均匀各向同性噪声的空间相关函数 因此 时空相关函数假定球面上的源是不相关的 即 与源坐标无关的面元噪声源辐射噪声的自相关函数 36 5 均匀各向同性噪声的空间相关函数 因此 时空相关函数又所以 37 5 均匀各向同性噪声的空间相关函数 引入变量则假设 垂直方向噪声场的相关系数为 38 5 均匀各向同性噪声的空间相关函数 假设 水平方向噪声场的相关系数为 39 5 均匀各向同性噪声的空间相关函数 讨论单频或窄带噪声 1 垂直方向噪声场的空间相关系数 40 5 均匀各向同性噪声的空间相关函数 讨论单频或窄带噪声 2 水平方向噪声场的空间相关系数又 41 5 均匀各向同性噪声的空间相关函数 讨论单频或窄带噪声 3 任意方向噪声场的空间相关系数所以 42 疑问 矢量水听器该如何成阵 噪声矢量场的空间相关特性如何 43 6 均匀各向同性噪声矢量场的空间相关函数 平面波声压与质点振速的关系 44 6 均匀各向同性噪声矢量场的空间相关函数 在均匀各向同性噪声场中 噪声源dS的辐射声压与质点振速可表示为 45 6 均匀各向同性噪声矢量场的空间相关函数 两个矢量水听器接收信号为 矢量水听器I 46 6 均匀各向同性噪声矢量场的空间相关函数 两个矢量水听器接收信号为 矢量水听器II 47 6 均匀各向同性噪声矢量场的空间相关函数 令 则