海洋环境噪声

1、12疑问？疑问？ 通常情况下，等间距均匀直线阵的阵元通常情况下，等间距均匀直线阵的阵元间距是多少？间距是多少？ 任意？任意？ 半波长？半波长？ 1倍波长？倍波长？ 研究噪声的目的是什么？研究噪声的目的是什么？ 计算计算NL？ 噪声控制？噪声控制？31、基础知识、基础知识 噪声是一种干扰噪声是一种干扰 SL-2TL+TS-(NL-DI)=DT SL-TL-(NL-DI)=DT 噪声是一种信号噪声是一种信号 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、海底的声反射系数浪基频、海底的声反射系数 研究海啸、冰情、鱼群研究海啸、冰情、鱼群41、基础知识

2、、基础知识 海洋噪声分类海洋噪声分类 动力噪声动力噪声波浪、湍流、降雨、自然空化波浪、湍流、降雨、自然空化 冰下噪声冰下噪声冰层的形成与运动冰层的形成与运动 生物噪声生物噪声海栖动物海栖动物 地震噪声地震噪声地壳运动、火山以及海啸地壳运动、火山以及海啸 工业噪声工业噪声航运噪声、港湾等的水下作业航运噪声、港湾等的水下作业51、基础知识、基础知识 环境噪声环境噪声 不包括由附近舰船、海洋生物或降雨引起的瞬态声不包括由附近舰船、海洋生物或降雨引起的瞬态声音；音； 不包括一切形式的自噪声，如声纳周围的流噪声；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去

3、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。部分声级。 噪声源级噪声源级 被规定为被规定为1Hz带宽内的均方根声压级。单位：（以带宽内的均方根声压级。单位：（以1 为参考的为参考的dB）、以）、以1 为参考的为参考的dB；以以1 为参考的为参考的dB。HzPa/22/1/ HzPaaP6 噪声是一种随机过程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：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。功率谱是均匀的噪声，则称之为白噪声。 deRSdttptpT21limRjTTT1、基础知识、基础知识7 噪声是一种随机过程噪声是一种

4、随机过程 噪声声压有效值噪声声压有效值 定义：等于介质阻抗为单位值时平均声强定义：等于介质阻抗为单位值时平均声强 的的平方根。平方根。 如果假设噪声的均值为零，介质阻抗为单位值，则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：它的方差便等于平均声强：dp)p(pI222/T2/T2T2dt) t (pT1limI2/T2/T2Tedt) t (pT1IplimepI1、基础知识、基础知识81、基础知识、基础知识 噪声的频谱分析噪声的频谱分析 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；关

5、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。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：根据信号频谱曲线形状划分： 线谱线谱 连续谱连续谱9 噪声的频谱分析噪声的频谱分析 声强的平均频谱密度：声强的平均频谱密度： 声强频谱密度函数：声强频谱密度函数： 带宽内的总声强：带宽内的总声强： 谱级：谱级： 或或单位单位Hz带宽内的声强级。带宽内的声强级。iiifIS dfdIfIlimfSii0fi 21ffdffSI1、基础知识、基础知识iiifIS0/log10ISi0

6、/ )(log10IfS10 噪声的频谱分析噪声的频谱分析 海洋环境噪声级海洋环境噪声级 假设水听器工作带宽内噪声谱为假设水听器工作带宽内噪声谱为 、且其响应、且其响应是均匀的，则有：是均匀的，则有： 因此有因此有 提示提示：水下噪声是多种噪声源的综合叠加。每种噪：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。连续谱，甚至是两种的叠加。0/log10IINLN)f (SfSIN0/log10log10ISfNL1、基础知识、基础知识11 噪声的频谱分析噪声的频谱分析 当噪声源不只一个时，有

7、效噪声背景的求取是对有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贡献的噪声源按强度进行相加按强度进行相加。 例例：已知：已知100Hz时的航运噪声和时的航运噪声和6级海况下的噪声级海况下的噪声谱级分别为谱级分别为69dB、71dB，则总噪声谱级，则总噪声谱级 dB 若声纳系统的工作带宽为若声纳系统的工作带宽为100Hz，则总噪声级，则总噪声级 dB73)1010log(10716910/7110/691、基础知识、基础知识93log100fNLNL122、海洋表面噪声的空间相关函、海洋表面噪声的空间相关函数数 假设表面噪声源具有如下的指向性假设表面噪声源具有如下的指向性 为为 的

8、噪声强度。的噪声强度。 两水听器所接收到的由海面面元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所辐射的噪声声压差一时延mIG202cos)(00I12cdsin12coscos)cos(sinsin112cd?sin132、海洋表面噪声的空间相关函、海洋表面噪声的空间相关函数数面元噪声源辐射声压：面元噪声源辐射声压：接收点处总声压：接收点处总声压：111)(),(RdSGtpdpsr22122)(),(RdSGtpdpsrSsRdSGtptp111)(),()(rSsRdSGtptp22122)(),()(r142、海洋表面噪声的空间相关函、海洋表面噪声的空间相关函数数 假设假

9、设 和和 是平稳的，声压时空相关函数是平稳的，声压时空相关函数记：记： 海面处噪声源自身的时空相关函数海面处噪声源自身的时空相关函数SssRdSRdSGGtptptptpdB22112121212112)()(),(),()()(),(rr)(1tp)(2tp),(),(),(21212112rrrrtptpBsss152、海洋表面噪声的空间相关函、海洋表面噪声的空间相关函数数因此，时空相关函数因此，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：与源坐标无关的面元噪声源辐射 噪声的自相关函数。噪声的自相关函数。SsRdSRdSGGBdB2

10、21121211212)()(),(),(rr)()(),(21122112rrrrusBB)(12uB162、海洋表面噪声的空间相关函、海洋表面噪声的空间相关函数数因此，时空相关函数因此，时空相关函数又又所以所以SuRdSGBdB221212)()(),(ddRdStan2 202/021212tan)()(),(ddGBdBu172、海洋表面噪声的空间相关函、海洋表面噪声的空间相关函数数引入变量引入变量则则假设假设 ，垂直方向垂直方向噪声场的相关系数为噪声场的相关系数为 2/0220112tan)()cos(),(dGdBdBucdcoscoscdsinsin2/022/0212tan)(

11、tan)()/cos(),(dGdGcdNdN0182、海洋表面噪声的空间相关函、海洋表面噪声的空间相关函数数假设假设 ，水平方向水平方向噪声场的相关系数为噪声场的相关系数为 2/022/0220112tan)(2tan)(/ )cos(sin),(dGdGdcdNdN2/192、海洋表面噪声的空间相关函、海洋表面噪声的空间相关函数数讨论单频或窄带噪声：讨论单频或窄带噪声：1）垂直方向垂直方向噪声场的空间相关系数噪声场的空间相关系数m=1时时a. m=2时时22/022/0212)()sin(1)cos(2tancostancos)coscos(), 0(kdkdkdkdddkddN43242

12、12)(24)()sin(6)(4)()cos(2)(12), 0(kdkdkdkdkdkdkddN202、海洋表面噪声的空间相关函、海洋表面噪声的空间相关函数数讨论单频或窄带噪声：讨论单频或窄带噪声：2）水平方向水平方向噪声场的空间相关系数噪声场的空间相关系数m=1时时又：又：a. 所以：所以： 2/022/0220112tancos2tancos)cos(sincos), 0(dddkddN)sin(2)cos(sincos0201kdJdkdkdkdJdN)(2), 0(112212、海洋表面噪声的空间相关函、海洋表面噪声的空间相关函数数讨论单频或窄带噪声：讨论单频或窄带噪声：2）水平方

13、向水平方向噪声场的空间相关系数噪声场的空间相关系数m=2时时 2/042/0420112tancos2tancos)cos(sincos), 0(dddkddN2212)()(8), 0(kdkdJdN222、海洋表面噪声的空间相关函、海洋表面噪声的空间相关函数数 对于单频或频带较窄的噪声，其相关特性曲线如下图。对于单频或频带较窄的噪声，其相关特性曲线如下图。233、海洋噪声空间相关函数、海洋噪声空间相关函数实验测量实验测量 当风和浪达当风和浪达3-4级时，级时，300-400Hz以上的频率，以上的频率，上述模型与实验数据很一致。当风平浪静时，或在低上述模型与实验数据很一致。当风平浪静时，或在

14、低频段，理论计算和实验数据的分歧通常很大，频段，理论计算和实验数据的分歧通常很大，这可能这可能与声折射和海底反射的忽略有影响与声折射和海底反射的忽略有影响。O 600-800Hz 200-400Hzm=24 级级200-400Hz-v=6-7m/sv=20m/sm=2243、海洋噪声空间相关函数、海洋噪声空间相关函数实验测量实验测量 图图a表明实验点与四级海况下对表明实验点与四级海况下对600-800Hz频带内的频带内的噪声的计算曲线极其相符，在同样条件下，对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。的较低频率所得数据已与近似曲线符合得

15、不好。由于频率的降低，所有更远的源都对接收点处的噪声由于频率的降低，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平方向的。2/O 600-800Hz 200-400Hzm=24 级级200-400Hz-v=6-7m/sv=20m/sm=2253、海洋噪声空间相关函数、海洋噪声空间相关函数实验测量实验测量 图图b表明只有在约表明只有在约20m/s的强风条件下，实验和计算的强风条件下，实验和计算数据才很好地数据才很好地符合符合。当风速为。当风速为6-7m/s时，实验数据时，实验数据与低频噪声计算值有与低频噪声计算

16、值有重大差别重大差别。2/O 600-800Hz 200-400Hzm=24 级级200-400Hz-v=6-7m/sv=20m/sm=2263、海洋噪声空间相关函数、海洋噪声空间相关函数实验测量实验测量 结论结论： 综合已有的资料表明，在综合已有的资料表明，在300-400Hz以下频段内，以下频段内，当取噪声指向性函数的指数为当取噪声指向性函数的指数为0.5或或1时，实验和计算时，实验和计算结果符合得最好；结果符合得最好； 对于对于500Hz以上的频率，则取以上的频率，则取1、2、3。同时，随风。同时，随风速增大或频率增高，指数应增大。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

17、得出噪声场各向异性的结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。见下图加强。见下图273、海洋噪声空间相关函数、海洋噪声空间相关函数实验测量实验测量 三个坐标轴方向的噪声场空间相关特性测量曲线三个坐标轴方向的噪声场空间相关特性测量曲线283、海洋噪声空间相关函数、海洋噪声空间相关函数实验测量实验测量 结论结论： 在水平面内各向异性场的特点是，在平行于海面风浪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，这种和涌的波阵面的方向上有很大的声能流。看来，这种

18、效应产生的原因在于来自远方的噪声的性质和传播条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。散射。 证实上述论断的实验结果为下图。在图中可以看到，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。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当基阵方向与水平面夹角为26度时，图形伸得最长，度时，图形伸得最长，当基阵俯视角为当基阵俯视角为-

19、52度时，图像实际上是各向同性的。度时，图像实际上是各向同性的。293、海洋噪声空间相关函数、海洋噪声空间相关函数实验测量实验测量 海洋中海面波浪产生的噪声场的各向异性特征海洋中海面波浪产生的噪声场的各向异性特征304、海洋噪声场源的空间分布、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。其基本特征。 海洋动力学噪声场各种特性的海洋动力学噪声场各种特性的 实验研究结果一致表明，噪声实验研究结果一致表明，噪声 源分布在海面附近。源分布在海面附近。 实验资料表明海面噪声源是非实验资料表明海面噪声源是非 相关的。相关的

20、。 在大多数情况下，接收到的噪在大多数情况下，接收到的噪 声谱与源的辐射谱是一致的，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。的速率向高频倾斜。31答案答案 阵元间距要求小于阵元间距要求小于1倍波长，通常取半倍波长，通常取半波长。原因：均匀各向同性噪声场的空波长。原因：均匀各向同性噪声场的空间相关函数第一零点为间相关函数第一零点为半波长半波长。 噪声场的研究还可进行海底声学参数的噪声场的研究还可进行海底声学参数的反演等。反演等。325、均匀各向同性噪声的空间

21、、均匀各向同性噪声的空间相关函数相关函数 假设噪声源均匀分布在球面上，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所辐射的噪声声压也只差一时 延延12cdsin12coscos)cos(sinsin112cd?sin335、均匀各向同性噪声的空间、均匀各向同性噪声的空间相关函数相关函数面元噪声源辐射声压：面元噪声源辐射声压：接收点处总声压：接收点处总声压：11),(RdStpdpsr2122),(RdStpdpsrSsRdStptp11),()(rSsRdStptp2122),()(r345、均匀各向同性噪声的空间、均匀

22、各向同性噪声的空间相关函数相关函数 假设假设 和和 是平稳的，声压时空相关函数是平稳的，声压时空相关函数记：记： 球面处噪声源自身的时空相关函数球面处噪声源自身的时空相关函数SssRdSRdStptptptpdB221121212112),(),()()(),(rr)(1tp)(2tp),(),(),(21212112rrrrtptpBsss355、均匀各向同性噪声的空间、均匀各向同性噪声的空间相关函数相关函数因此，时空相关函数因此，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：与源坐标无关的面元噪声源辐射 噪声的自相关函数。噪声的自相关

23、函数。SsRdSRdSBdB2211211212),(),(rr)()(),(21122112rrrrusBB)(12uB365、均匀各向同性噪声的空间、均匀各向同性噪声的空间相关函数相关函数因此，时空相关函数因此，时空相关函数又又所以所以SuRdSBdB21212)(),(ddRdSsin2 2001212sin)(),(ddBdBu375、均匀各向同性噪声的空间、均匀各向同性噪声的空间相关函数相关函数引入变量引入变量则则假设假设 ，垂直方向垂直方向噪声场的相关系数为噪声场的相关系数为 020112sin)cos(),(ddBdBucdcoscoscdsinsin0012sinsin)/co

24、s(),(ddcdNdN0385、均匀各向同性噪声的空间、均匀各向同性噪声的空间相关函数相关函数假设假设 ，水平方向水平方向噪声场的相关系数为噪声场的相关系数为 0020112sin2sin/ )cos(sin),(dddcdNdN2/395、均匀各向同性噪声的空间、均匀各向同性噪声的空间相关函数相关函数讨论单频或窄带噪声：讨论单频或窄带噪声：1）垂直方向垂直方向噪声场的空间相关系数噪声场的空间相关系数)()sin(2)cos(sinsin)coscos(), 0(0110012kdjkdkddxkdxddkddN405、均匀各向同性噪声的空间、均匀各向同性噪声的空间相关函数相关函数讨论单频或

25、窄带噪声：讨论单频或窄带噪声：2）水平方向水平方向噪声场的空间相关系数噪声场的空间相关系数又：又： 0020112sin2sin)cos(sincos), 0(dddkddN0cos)(cos)() 12(nnnnikdPkdjnie415、均匀各向同性噪声的空间、均匀各向同性噪声的空间相关函数相关函数讨论单频或窄带噪声：讨论单频或窄带噪声：3）任意方向任意方向噪声场的空间相关系数噪声场的空间相关系数所以：所以：nmmlmlnnnmPPmnmnPPP11)(cos)(cos)(cos)!()!(2)(cos)(cos)(cos)(sin)0()(cos)() 12(21), 0(00012kd

26、jdPPkdjnidNnnnnn 42疑问？疑问？ 矢量水听器该如何成阵？噪声矢量场的矢量水听器该如何成阵？噪声矢量场的空间相关特性如何？空间相关特性如何？436、均匀各向同性噪声矢量场、均匀各向同性噪声矢量场的空间相关函数的空间相关函数平面波声压与质点振速的关系平面波声压与质点振速的关系cos),(1)(sinsin),(1)(cossin),(1)(),()(rrrrtpctVtpctVtpctVtptpszsysxs446、均匀各向同性噪声矢量场、均匀各向同性噪声矢量场的空间相关函数的空间相关函数 在均匀各向同性噪声场中，噪声源在均匀各向同性噪声场中，噪声源dS的辐射声的辐射声压与质点振速可表示为：压与质点振速可表示为：dStptdVdStptdVdStptdVdStptdpszsysxs111111111cos),()(sinsin),()(cossin),()(),()(rrrrdStptdVdStptdVdStptdVdStptdpszsysxs21222212222122122cos),()(sinsin),()(cossin),()(),()(rrrr456、均匀各向同性噪声矢量场、均匀各向同性噪声矢量场的空间相关函数的空间相关函数 两个